CN104575263B - 带鉴别标记的物品、可鉴别标记及方法、观测方法和系统 - Google Patents

带鉴别标记的物品、可鉴别标记及方法、观测方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种带鉴别标记的物品、可鉴别标记及方法、观测方法和系统，可鉴别标记包含由多个离散的纳米尺寸的凹进或突出的实体的二维或三维点阵所形成的纳米结构。实体的预定布置是不均匀并且非周期性的布置，并且其中实体经大小设定和经形状设定使得引起光散射，以致此时发生入射光反射并且所述内部界面表面到所述外部界面表面的距离大于所述刻面抛光的面的非标记部分的幅值。在与所述点阵呈预定入射角的具有一种或多种预定波长的入射光被所述点阵反射时，诱导由所述点阵散射光所引起的干涉，使得反射光具有强度变化。标记是借助于以必要的观测角度倾斜的光学放大观测装置可识别的。本发明去除了需要使用氧化剂步骤的必要性。

Description

带鉴别标记的物品、可鉴别标记及方法、观测方法和系统
技术领域
本发明涉及包括宝石和珠宝在内的固态物品，尤其涉及包括宝石和珠宝在内的物品的可鉴别标记、可鉴别标记的提供方法、可鉴别标记的观测方法和系统。
背景技术
在宝石鉴别以及钻石质量分级和分析中，从垂直于宝石或钻石的顶表面的俯视图进行观察和评估提供了如由包括美国宝石学协会(Gemological Institute of AmericaInc.，GIA)、国际宝石学协会(International Gemological Institute，IGI)、英国宝石学会(The Gemological Association of Great Britain，Gem-A)、中国国家宝石检验中心(National Gemstone Testing Center，China，NGTC)等在内的国际标准实验室在报告中所证明的有关净度和切工的相关证据和信息。
从消费者的角度，可以利用一些参数，例如对于钻石，通常利用闪亮度(flashingbrightness)，称为例如“亮光(brilliance)”(由钻石所反射光的总量)或“火彩(fire)”(光分散成不同颜色的光)，这些参数通常是从钻石的顶表面以及从顶部台面(top table)观察或鉴赏的。
为商业和安全性的目的，宝石或钻石的重要参数，例如指示质量、分级、切工、产地等的参数，是与宝石或钻石相关联的。
在市场内，有若干可以用来标记宝石或钻石的方式，包括例如ForevermarkTM，这是在宝石或钻石上的标记或刻字。
然而，当利用常规显微镜或小型放大镜并且在正常的室内光照条件下观察如此标记的宝石或钻石时，这些标记会影响钻石的亮光或火彩。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种带鉴别标记的物品、可鉴别标记及方法、观测方法和系统，解决了现有技术中需要使用氧化剂步骤的问题。
在第一方面，本发明提供一种在物品表面的抛光刻面的一部分上的可鉴别标记，所述可鉴别标记通过光学放大观测装置可识别，所述可鉴别标识包含由多个离散的纳米尺寸的凹进或突出的实体的二维(2D)或三维(3D)点阵所形成的纳米结构，其中所述实体是以预定布置彼此相关地布置于所述抛光刻面的预先界定的区域内，并且使得在所述物品的所述刻面与空气之间形成外部界面表面，并且在所述物品的所述刻面与空气之间形成内部界面表面；其中所述实体的所述预定布置是不均匀并且非周期性的布置，并且其中所述实体经大小设定和经形状设定从而在发生入射光反射时造成光散射，并且所述内部界面表面到所述外部界面表面的距离大于所述刻面抛光的刻面的非标记部分的幅值，由此在与所述点阵呈预定入射角度具有一种或多种预定波长的入射光被所述点阵反射时，诱导由所述点阵散射光所引起的干涉，使得所述反射光具有强度变化，从而提供具有一种或多种波长的一种或多种局部最大值；并且所述标记是借助于以必要的观测角度倾斜的光学放大观测装置可识别的，由此检测到局部最大值。
纳米尺寸的离散实体的二维或三维点阵优选是由纳米制造法形成的。纳米制造法可以包括聚焦离子束、深层UV(紫外)激光束、湿法化学蚀刻、离子等离子体蚀刻、用于等离子体蚀刻工艺的不同纵横比的荫罩等，或其任何组合。
在本发明的一个实施例中，二维或三维点阵可以通过聚焦离子束并且借助于聚焦离子束光点大小和剂量的动态控制变化来形成。
优选地，所述点阵的实体的间距在10nm到900nm范围内，离散实体具有在1nm到899nm范围内的最大横向尺寸，并且外部界面表面与内部界面表面之间的标准距离在1nm到200nm范围内。
二维或三维点阵优选提供至少一个具有借助于所述光学放大观测装置可观测的两个或两个以上颜色特征的可鉴别标记。
优选地，所述光学放大观测装置的必要的观测角是在法线到所述抛光刻面的方向上。
所述点阵优选是提供于约400μm×400μm的区域内，并且所述刻面的非标记部分优选具有小于约1nm的平均表面粗糙度。
优选地，所述一个或多个局部最大值的强度与来自所述刻面的非标记部分的任何反射信号强度的比率大于数量阶为102的值。
优选地，所述一个或多个局部最大值的强度与来自所述刻面的非标记部分的任何反射信号强度的比率大于数量阶高达103的值。
所述标记是优选借助于大于10x放大倍率的放大倍率可观测的。
优选地，强度变化是通过人眼或光学摄像机由来自所述刻面的非标记部分的任何反射的信号可辨识的。
所述二维或三维点阵的凹进实体或突出实体是呈规则或不规则形状的孔、点、圆盘、柱等。
纳米尺寸的离散实体可以按呈圆形布置的点阵、呈螺旋形布置的点阵、呈正方形布置的点阵、呈三角形布置的点阵、呈六边形布置的点阵、呈碎片形布置的点阵或其多种组合的形式提供。
优选的，具有由衍射光引起的强度变化的局部最大值为来自入射光的衍射的+/-1阶光、+/-2阶光或+/-3阶光。
所述入射光是可以为单色或全色的入射光，并且可以为多种波长。优选地，入射光是平行并且相干的光。
优选地，以个别指定角度(θ)入射的单一或多波长单色光的组合与作为品牌或质量标记的不同颜色组合形成一种标记。
所述标记优选是在宝石的抛光刻面上，并且所述宝石可以选自包括钻石、红宝石、蓝宝石、绿宝石、珍珠、玉、电气石等的群组。
在第二方面，本发明提供一种在其上具有根据第一方面的可鉴别标记的物品。
优选地，所述物品是宝石，并且所述宝石可以选自包括钻石、红宝石、蓝宝石、绿宝石、珍珠、玉、电气石等的群组。
在第三方面，本发明提供一种在物品的表面的抛光刻面的一部分上提供由光学放大观测装置可识别的可鉴别标记的方法，所述方法包括以下步骤：在物品的刻面的一部分上形成由多个离散的纳米尺寸的凹进或突出的实体的二维或三维点阵的纳米结构，其中所述实体是以预定布置彼此相关地布置于所述刻面的预先界定的区域内，并且由此在所述物品的所述刻面与空气之间形成外部界面表面并且在所述物品的所述刻面与空气之间形成内部界面表面；其中所述实体的所述预定布置是不均匀并且非周期性的布置；其中所述实体经大小设定和经形状设定从而在发生入射光反射时造成光散射，并且所述内部界面表面到所述外部界面表面的距离大于所述刻面抛光的刻面的非标记部分的幅值，由此在与所述点阵呈预定入射角度具有一种或多种预定波长的入射光被所述点阵反射时，诱导由所述点阵散射光所引起的干涉，使得所述反射光具有强度变化，从而提供具有一种或多种波长的一种或多种局部最大值；并且其中所述标记是借助于以必要的观测角度倾斜的光学放大观测装置可识别的，由此检测到局部最大值。
纳米尺寸的离散实体的二维或三维点阵可以由纳米制造法形成，并且所述纳米制造法可以包括聚焦离子束、深层UV(紫外)激光束深层、湿法化学蚀刻、离子等离子体蚀刻、用于等离子体蚀刻工艺的不同纵横比的荫罩等，或其任何组合。
在本发明的一个实施例中，二维或三维点阵可以通过聚焦离子束并且借助于聚焦离子束光点大小和剂量的动态控制变化来形成。
优选地，所述点阵的实体的间距在10nm到900nm范围内，离散实体具有在1nm到899nm范围内的最大横向尺寸，并且外部界面表面与内部界面表面之间的标准距离在1nm到200nm范围内。
在本发明的一个实施例中，二维或三维点阵提供了至少一个具有借助于所述光学放大观测装置可观测的两个或两个以上颜色特征的可鉴别标记。
优选地，所述点阵是提供于约400μm×400μm的区域内。
所述二维或三维点阵的凹进实体或突出实体可以呈规则或不规则形状的孔、点、圆盘、柱等，并且可以呈圆形点阵、螺旋形点阵、正方形点阵、三角形点阵、六边形点阵、碎片形点阵或其多种组合的形式提供。
优选地，所述物品是宝石，并且可以选自包括钻石、红宝石、蓝宝石、绿宝石、珍珠、玉、电气石等的群组。
在第四方面，本发明提供一种物品具有在其表面的抛光刻面的一部分上形成的可鉴别标记，其中所述可鉴别标记是根据在第三方面的方法而形成。
在另一方面，本发明提供一种观测在物品上的根据第二方面的可鉴别标记的方法，所述方法包括以下步骤：以与可鉴别标记呈预定入射角度提供入射光，所述入射光具有一种或多种预定波长；及借助于光学观测装置以所述必要的观测角度观测所述可鉴别标记，由此检测到局部最大值。
在另一方面，本发明提供一种用于观测在物品上的根据第二方面的可鉴别标记的系统，所述系统包含：入射光的光源，所述入射光与所述可鉴别标记呈预定入射角度并且具有一种或多种预定波长；及观测装置，其用于借助于光学观测装置以所述必要的观测角度观测所述可鉴别标记，由此检测到局部最大值。
本方法提供了带鉴别标记的物品、可鉴别标记及方法、观测方法和系统，物品具有更复杂的标记；可鉴别标记可以反射超过一种波长的光；可鉴别标记使用较少的制造步骤，从而提供了更有效的标记工艺；去除了需要使用氧化剂的步骤，增加了职业保健和安全性。
附图说明
图1是纳米孔或纳米点阵列的截面图的示意图提供根据本发明进行标记时所利用的光衍射特性的理论背景及其一股说明；
图2描绘了在7，150X放大倍率下的扫描电子显微镜检查(scanning electronmicroscopy，SEM)图像；
图3描绘了在80,000X放大倍率下纳米孔的扫描电子显微镜检查(SEM)图像；
图4A是在宝石与空气或钻石与空气界面处入射到纳米孔或纳米点阵列上的单色光线的示意图；
图4B显示单色光的经计算衍射角度和衍射效率随其在宝石与空气或钻石与空气界面处的纳米孔或纳米点阵列上的入射发射角而变化的曲线图；
图5是描绘当在与具有标记的刻面正交的光轴处观察标记时，具有不同波长的单色入射光的入射发射角对宝石与空气或钻石与空气界面处纳米孔或纳米点阵列的周期性的依赖性的曲线图；
图6是描绘当在与具有标记的刻面正交的光轴处观察标记时，具有不同波长的单色入射光的经计算衍射效率对宝石与空气或钻石与空气界面处纳米孔或纳米点阵列的周期性的依赖性的曲线图；
图7是描绘当在与具有标记的刻面正交的光轴处观察标记时，单色入射光的经计算衍射效率和入射发射角取决于单色入射光的波长的曲线图；
图8是显示当在与具有标记的刻面正交的光轴处观察标记时，对于具有不同折射率的宝石，经计算衍射效率取决于宝石与空气界面处纳米孔或纳米点阵列的物理深度(physical depth)的曲线图；
图9是描绘当在与具有标记的刻面正交的光轴处观察根据本发明的标记时，相比周围未处理表面粗糙度亮度显著增加并且增强的颜色标记的开-关比对比度随宝石与空气界面处纳米孔或纳米点阵列的物理深度而变化的曲线图；
图10A是在与刻面正交的光轴处观测的根据本发明标记的宝石刻面表面的一个实例的示例性照片示意图，其中所述宝石刻面表面具有亮度显著增加并且增强的颜色标记，所述标记具有实体点阵呈不均匀且非周期性的布置，其中标准白光(左图)作为关断状态；
图10B描绘了根据本发明同时利用标准白光加上强烈的绿色单色光(右图)作为打开状态的图10A的宝石刻面表面的宝石刻面表面；
图10C是在与刻面正交的光轴处观测的根据本发明标记的宝石刻面表面的另一实例的照片表示，其中所述标记具有实体点阵呈不均匀且非周期性的布置，其中标准白光(上图)作为关断状态；
图10D描绘了根据本发明同时利用标准白光加上强烈的红色单色光(下图)作为打开状态的图10C的宝石刻面表面的宝石刻面表面；
图11是在与刻面正交的光轴处观测的根据本发明标记的具有双色标记的宝石刻面表面的照片表示，其中所述标记具有实体点阵呈不均匀且非周期性的布置，其中标准白光加上强烈的绿色和红色单色光同时作为打开状态；
图12A是本发明一个实例的照片表示，描绘了在与刻面正交的光轴处的宝石刻面表面，其中标准白光加上强烈的红色单色光同时(下图)作为打开状态；
图12B是原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)扫描结果，显示了如图12A中所示的根据本发明的三角形有色标记的形态；
图12C是在如图12B中所示的根据本发明的相关三角形有色标记的中间处关注区域(Region of Interest，ROI)的AFM扫描，显示了不规则/非周期性间隔的实体的点阵；
图12D是图12C的ROI的更详细的AFM扫描，显示了具有任意间距和形状的根据本发明的不规则/非周期性间隔的实体的点阵；
图13A是类似于图12D的详细AFM扫描，显示了如与左上角处所示的X-Y轴相同的根据本发明的具有任意间距和形状的不规则/非周期性间隔的实体的点阵；
图13B是图13A的颜色转换的AFM扫描，其中从蓝色到红色的彩虹色范围表示从最小深度(蓝色)到顶表面(红色)的形态变化，并且清楚地显示了根据本发明在X轴和Y轴上具有不规则/非周期性间隔的实体的点阵的呈任意形状的构造；
图13C是图13B的3D轮廓图，描绘了根据本发明，因呈任意形状以及不规则/非周期性间隔的实体的点阵引起的形态变化；及
图14是根据本发明，横穿宝石刻面的顶表面以制造沿Y轴具有各种间距并且沿Z轴具有各种深度的实体的聚焦离子束的示意性表示。
具体实施方式
本发明涉及施加到固态材料的信息标记，所述固态材料包括宝石，宝石包括钻石、红宝石、蓝宝石、绿宝石、珍珠、玉、电气石等，以及例如硅等其它此类固态材料，所述信息标记可以施加到此类固态材料，例如施加到宝石的抛光刻面，并且是裸眼不可见的，并且当在正常光照条件下利用典型的配备显微镜的摄像机时是不可见的。
本发明是通过以下方式实施：借助于高能束或反应性离子蚀刻，以不影响宝石或钻石的净度等级和亮光或火彩的方式形成具有纳米尺寸深度的标记。
所述标记可以是任何标记或标志，并且其实施方式应使得不会有损于例如宝石或钻石等固态材料的价值或外观，并且优选不应展现黑化，因为宝石和钻石通常是针对其光学特性以及稀有性和所感觉的美丽来定价的。
本发明是通过以下方式实现：在对宝石的表面进行标记时，于纳米尺度范围的阴影深度内的纳米尺寸的周期性结构的点阵施加光学衍射特性。此类衍射特性诱导与反射光有关的干涉，由此使反射光具有强度变化，从而提供一个或多个局部最大值。这允许应用鉴别标记，其在正常光照明下裸眼不可见，由此所述标记可以借助于纳米制造技术(例如聚焦能量束或反应性离子蚀刻)施加于固态材料(例如宝石的抛光刻面)，而不会有损于宝石的净度或色彩等级。
由于光学极限中的瑞利准则(Rayleigh Criterion)，深度为数纳米的单一或随机布置的数百个纳米尺寸的结构即使通过高放大倍率光学显微镜，也无法在可见光范围下通过光学进行识别。
因此，可以在指定的预定条件下观测呈纳米尺寸的周期性结构点阵的本发明的通常光学不可见的标记，而所述标记在可见光范围下仍是不可见的。
通过使用聚焦离子束来提供标记，本发明允许在由离散实体的二维或三维点阵形成的固态材料上产生标记结构，其中所述实体是呈不规则的、非周期性的并且不对称的布置。
借助于这些实体不规则的、非周期性的并且不对称的布置，本发明允许比现有技术更复杂的标记，并且易于由相同的单一标记反射超过一种颜色的光。此外，本发明的使用允许产生大小、形状、几何结构及间距可以变化的标记结构，由此允许更复杂的标记以及可观测到多种有色组分。
参看图1到9，通过理论和技术说明以及理论实验结果描述了根据本发明所利用的光衍射特性的理论背景及其一股说明，所述实验结果证实了这些衍射特性的使用。虽然这些附图显示有规则阵列形成的实体，这是为了说明的目的，并不是对本发明做出限制。
参看图10到14，提供了通过使用实体点阵呈非周期性且不对称的布置来向固态材料提供可鉴别标记的本发明的实例及其说明。
参看图1、图2及图3，举例说明并描述了本发明的属性所呈现的现象。本发明涉及光学衍射特性的应用以及由此在具有相等间距P102的纳米尺寸的结构阵列中引起的干涉，所述间距定义为如在图1中以固态材料到空气处的纳米孔或纳米点阵列的横截面图或在本发明实例中在示例性标记的刻面表面上的钻石与空气界面所描绘和说明的周期(period)。再一次这些附图(图1、图2及图3)显示一个具有间距相等的恒定周期的有规则阵列的形成，这是为了说明的目的，并不是对本发明做出限制。
应注意，取决于顶部界面101(作为外部界面表面)与底部界面105(作为内部界面表面)之间的纵横比，纳米孔或纳米点的横截面图可以为可互换的。固态材料(例如宝石或钻石)的顶部界面101与底部界面105之间的距离h103定义为孔深度或点高度。
本领域技术人员应明白，纳米孔或纳米点的侧壁104不局限于与顶部界面101(作为外部界面表面)或底部界面105(作为内部界面表面)垂直的直壁，而是可以在倾斜度、几何或形状方面有所变化，其变化的程度使得所述变化不会改变所描述的发明的功能方面。
本领域技术人员应了解，在常规光学显微镜下直接研究纳米结构的尺寸和结构信息会因为光学极限中的瑞利准则而变得复杂。
利用SEM(扫描电子显微镜)技术，可以分别在例如7，150X放大倍率下(如图2中所示)以及80,000X放大倍率下(如图3所示)观测并测量纳米制造的结构。
在图2中，通过有关本发明的属性的现象的说明，显示出在7，150倍放大倍率下，清楚地观测到纳米孔201的规则和对称阵列200，表明纳米孔具有约180nm直径和约300nm周期，而在图3中，颜色较浅区域302被视为顶部界面101(作为外部界面表面)，并且颜色变深的圆形301被视为底部界面105(作为内部界面表面)，其中顶部界面101和底部界面105是参照图1定义。
图4A说明了在空气与宝石或空气与钻石界面之间的界面401处的纳米尺寸的周期性结构所发生的衍射的影响，其中n1表示空气介质的折射率，而n2表示固态材料或空气的介质的折射率。入射的单色光线402产生强度变化的多个不同反射光线403到405，从而因所诱导的干涉而引起局部最大值(其中θn偏离法线轴)；及透射的光线406到408，其中φn偏离法线轴，其中对于相应衍射阶(diffractive order)n＝-2、-1、0、1或2及由此引起的相应局部最大值。
在实例中设定与宝石或钻石的顶部刻面正交的观测点来代替在空气介质中的0阶衍射光403，可以采用-+/-1阶404和+/-2阶405反射光线在宝石或钻石或其他固态物质上实现本发明。
在这一点处，采用了-1阶衍射光线404来进行计算(如图4B到图9中所示)并得到实验结果(如图10A、图10B及图11中所示)，其中本发明的实施例示于图10A、图10B及图11中并进一步说明如下。然而，本领域技术人员应了解，在不偏离本发明的情况下，可以替代性地利用其它观测点进行替代性观测。
参看图4B，对于固定周期P102(参照图1定义)的纳米孔或纳米点的点阵以及固定波长的单色入射光，通过以分析方法将麦克斯韦方程(Maxwell’s equation)转换成无穷的代数方程求解，然后消除高阶项并以有限的收敛精度求得数字解并绘制曲线，来计算-1阶衍射光线404的衍射效率和衍射角度。
在本实例中，如果反射光通常是在单色光的入射发射角为约36度时进行观测，那么-1阶404所需的衍射角度应与纳米孔或纳米点阵列的法线轴呈零度，并且衍射效率也为入射单色光强度的约0.8％。
当将-1阶衍射光404的观测角固定成与宝石或钻石的顶部刻面正交时，接着对入射光402的发射角进行计算，其特别取决于单色入射光402的波长以及在宝石与空气或钻石与空气界面处纳米孔或纳米点阵列的周期性，其中在此计算中应用405nm(可见蓝色)、532nm(可见绿色)及650nm(可见红色)波长，其中结果如图5中所描绘。
参看图6，评估并绘出了具有不同波长的单色入射光402的衍射效率对于纳米孔或纳米点阵列的周期性的依赖性(参照图4A定义)。
结果证实，较短波长的单色入射光402可以提供增强的衍射效率，使405nm蓝色单色入射光的衍射效率达到在相同纳米结构周期P102(参照图1定义)下计算的650nm红色单色入射光的至少两倍。
参看图7，显示作为替代方案，通过固定纳米孔或纳米点的点阵的周期102(参照图1定义)，单色入射光402(参照图4A定义)的衍射效率和入射发射角取决于单色入射光的波长。
通过评估，证实单色入射光的波长越短，则衍射效率越高，但入射发射角越小。
参看图8，另一关键参数可以决定衍射效率是物理深度103(参照图1定义并说明)
宝石与空气界面处纳米孔或纳米点阵列的，其中宝石或钻石的折射率也起到重要作用。如所证实的，当纳米孔或纳米点的深度103从1nm变为50nm时，衍射效率急剧增加，约为103阶，而当宝石的折射率值具有0.84的变化时，存在约8倍的增强。
参看图9并且在本发明中，出于说明的目的，由纳米孔或纳米点阵列诱导的干涉所引起的衍射所致的反射光强度与背景面积强度的比率称为开关比对比度(On-Off Ratiocontrast)。
通过关于本实例进行的上述计算结果的优化，由周围未处理表面粗糙度随宝石与空气界面处纳米孔或纳米点阵列的物理深度的变化的相关标记的开关比对比度的优选计算结果提供了高达103阶对比度值差异。
然而，本领域技术人员应了解，当通过单色入射光402照明时，供标记的刻面的未处理表面粗糙度是特定颜色的标记的最终开关比的决定因素，其中粗糙化表面起到分散单色入射光402的作用(参照图4A定义)并且可能与观察相关标记干涉，因此可能降低了开关比对比度。
参看图10A和图10B，显示了本发明一个实例的示例性放大的照片示意图，其中显示了具有根据本发明的可鉴别标记1001的宝石刻面表面1000，其中所述可鉴别标记是提供于蓝宝石上。可鉴别标记1001已经以于非周期性和不规则结构点阵中的多个离散的纳米尺寸的凹进或突出实体的点阵形式提供于宝石刻面表面1000。根据本发明，这些实体是以预定布置彼此相关地布置于所述刻面的预先界定的区域内。
如图10A中所示，所述表示描绘了具有处于关断状态的可鉴别标记1001的宝石刻面表面1000，其中当在与宝石刻面表面1000正交的光轴处观测时，将标准白光施加于单色入射光并施加于宝石刻面表面1000。相比之下，如图10B中所示，所述表示描绘了宝石刻面表面1000，其中同时施加了标准白光加上强烈的绿色单色光(532nm)，并且描绘的可鉴别标记1001是呈打开状态，具有显著增加并且增强的亮度。如图10A中所描绘，当可鉴别标记1001处于打开状态时，并且当以灰阶形式再现时，呈打开状态的可鉴别标记1001被描绘为相对于宝石刻面表面1000变暗的部分。
参看图10C和图10D，显示了本发明另一实例的示例性放大的照片示意图，其中显示了具有两个根据本发明的可鉴别标记1011和1012的宝石刻面表面1010，其中所述可鉴别标记是提供于蓝宝石上。可鉴别标记1011和1012已经以具有非周期性和不规则结构的多个离散的纳米尺寸的凹进或突出实体的点阵形式提供于宝石刻面表面1010。根据本发明，这些实体是以预定布置彼此相关地布置于所述刻面的预先界定的区域内。
如图10C中所示，描绘了具有处于关断状态的可鉴别标记1011和1012的宝石刻面表面1010，其中当在与宝石刻面表面1010正交的光轴处观测时，将标准白光施加于单色入射光并施加于宝石刻面表面1010。
相比之下，如图10D中所示，所述示意图描绘了宝石刻面表面1010，其中同时施加了标准白光加上强烈的红色单色光(650nm)，并且描绘的可鉴别标记1011和1012是呈打开状态，具有显著增加并且增强的亮度。如图10D中所描绘，当可鉴别标记1011和1012处于打开状态时，并且当以灰阶形式再现时，呈打开状态的可鉴别标记1011和1012被描绘为相对于宝石刻面表面1010变暗的部分。
如图10D中所描绘，图像显示，处于打开状态时两个单独的颜色标记1011和1012可以同时被点亮。
如图10B和图10D中所示，在单色光分别入射到对应地在蓝宝石表面1000和1010上的相关标记1001及1011和1012上之后显示出高开关比对比度表现。图10B和图10D还显示可能被视为严重表面粗糙度以及散射器的明显抛光的线，并且其中相关标记可以被设计成具有任何任意的形状或字符。
参看图11，描绘了本发明一个实例的放大的照片示意图。在本实例中，显示了具有多个第一可鉴别标记1101和多个第二可鉴别标记1102的宝石刻面表面1100。
根据本发明，所述多个第一可鉴别标记1101是通过具有非周期性和不规则结构的多个离散的纳米尺寸的凹进或突出的实体的点阵形成，并且所述多个第二可鉴别标记1102是通过具有非周期性和不规则结构的多个离散的纳米尺寸的凹进或突出的实体的点阵形成。
如所示，在施加标准白光加上强烈的绿色单色光(532nm)以及加上强烈的红色单色光(650nm)时，所述多个第一标记1101和所述多个第二标记1102是呈打开状态，具有显著增加并且增强的亮度，其中所提供的复合标记具有两种独特并且不同的颜色。如图11中所描绘，当所述多个第一标记1101和所述多个第二标记1102处于打开状态时，并且当以灰阶形式再现时，呈打开状态的可鉴别标记1011和1012被描绘为相对于宝石刻面表面1100变暗的部分。
有利地归因于如本发明图11的实例所显示，通过应用上述计算结果和实验结果可以提供多色标记，并且多色标记可以通过适当地控制光的入射角度，以及在宝石与空气或钻石与空气界面处纳米孔或纳米点的点阵的实体的参数及其深度来观测。因此，可以提供商标或质量标记，其也可以保持审美要求。此外，出于安全性的目的，在相关实施例中，此类标记还可以通过仅在已知的光和观测参数下可观测复杂标记，由此对施加标记的特定物品提供独有的标记。
参看图12A到12D，进一步说明了根据本发明的纳米尺寸的实体的点阵结构呈不均匀且非周期性的布置，其中图12B到12D是利用原子力显微镜检查(AFM)得到的如图12A中所描绘的根据本发明的标记的显微镜检查示意图。
图12A是施加有根据本发明的标记1210的宝石刻面表面1200的照片示意图，当与所述刻面的表面1200正交的光轴处通过光学显微镜，同时利用标准白光加上强烈的红色单色光观测的，并且观察呈打开状态，其中当以灰阶再现时，所描绘的标记1210相对于宝石刻面表面1200呈变暗的部分。
根据图12A的标记1210的最低放大倍率和分辨率的AFM(如图12B中所示)，使用AFM在一定放大倍率下显示了50μm×50μm放大倍率的纳米尺寸的实体1220的阵列，其提供了在此放大倍率下的初始外观是呈相对规则的布置并且具有相对类似的大小。
然而，如图12C中所示并且描绘的，当通过减小扫描面积来增加有效放大倍率以使用AFM在一定放大倍率下观测图12A中所示的相关三角形有色标记的中间处的15μm×15μm图像ROI(关注区域)时，其描绘并显示了在沿标记的区域的所有方向上，由于纳米尺寸的实体1220具有任意的间距和形状，而存在独特的中断1230与实体1220的连续，并因此，这些实体的分布是不规则的、非周期性的并且不对称的。
根据本发明的实体1220的此类不规则、非周期性并且不对称的布置和分布进一步如图12D中所描绘和例示，其中使用AFM的放大倍率是在图12A中所示的相关三角形有色标记1210的中间处的3.5μm×3.5μm图像ROI(关注区域)。
参看图13A、13B及13C，显示了根据本发明施加于物品上的标记1300的一个实例的AFM扫描，其中形成标记1300的实体1310是任意形状并且不规则/非周期性间隔的实体1310。
参看图13A，显示出详细AFM扫描，描绘了具有沿着左上角所示的X-Y轴的任意间距和形状的不规则/非周期性间隔的实体1310的点阵，提供了根据本发明施加于物品上的标记1300的一个实例。
参看图13B，显示了图13A的扫描的颜色转换，其中从蓝色到红色的彩虹色范围表示当以灰阶再现时如由颜色较深的部分表示的最小深度(蓝色)1320到当以灰阶再现时如由颜色较浅的部分表示的顶表面(红色)1330的形态变化，并且清楚地显示了在X轴和Y轴上具有不规则/非周期性间隔的实体1310的呈任意形状的构造和布置(无周期性)。
参看图13C，显示了图13B的标记的3D轮廓图，证实了由任意形状和不规则/非周期性间隔的实体引起的形态变化。显示了当以灰阶再现时如由较深部分表示的最小深度(蓝色)到当以灰阶再现时如由较深部分表示的顶表面(红色)的高度/深度变化，其中在此情形中纳米尺寸的实体1330具有30nm的范围。
如图13A、13B及13C所显示和证实，形成标记1300的纳米尺寸的实体具有在三维上是动态的大小、形状、间距及深度，证实纳米尺寸的实体1330是以不规则/非周期性点阵布置。
在本发明的实例中，通过随聚焦离子束保持时的时间和位置控制聚焦离子束路径，来实现具有任意形状和不规则/非周期性间距的离散实体1330的制造。
本领域技术人员应了解，在不偏离本发明的范围的情况下，根据本发明，可以使用其它纳米制造法，包括聚焦离子束、深层UV(紫外)激光束、湿法化学蚀刻、离子等离子体蚀刻、用于等离子体蚀刻工艺的不同纵横比的荫罩等，或其任何组合。
参看图14，显示了横穿宝石刻面的顶表面以制造沿Y轴具有各种间距并且沿Z轴具有各种深度的实体的聚焦离子束的示意图。
聚焦离子束经控制以沿Y轴从左到右随时间照射在物品(在此表示中，其可以为宝石刻面1400)的顶表面1401上，分别以位于1410、1411、1412及1413处的离子束1402、1403、1404及1405说明，其中离子束条件，例如加速电压、探针电流和剂量等与时间无关。
又，如本领域技术人员所了解，在不偏离本发明的范围的情况下，根据本发明，可以使用其它纳米制造法，包括聚焦离子束、深层UV(紫外)激光束、湿法化学蚀刻、离子等离子体蚀刻、用于等离子体蚀刻工艺的不同纵横比的荫罩等，或其任何组合。
在本发明的示例性示意图中，位置1410、1411、1412及1413可以如下产生：
(i)在Y轴中离子束(i)位置＝所需的一股间距(nm)+允许的变化范围(nm)×随机发生器(Random Generator)(-1到1)
其中：
i是照射在宝石1400刻面的表面1401上的离子束的计数，
所需的一股间距可以在200nm到900nm范围内，并且允许的变化范围可以在所需的一股间距的10％到50％的范围内。
在本实例中，离散实体的任意形状、深度/高度及X-Y尺寸是通过改变沿Z轴1413、1414、1415及1416的离子束的停留时间以及离子束保持在某一位置的每一时刻的聚焦位置来控制。
停留时间可以如下产生：
(ii)离子束(i)停留时间＝希望的一股停留时间(μs)+允许的变化范围(μs)×随机发生器(-1到1)
其中
所需的一股停留时间可以在0.1μs到100μs范围内，并且
允许的变化范围可以在所需的一股停留时间的10％到50％的范围内。
相对于宝石1400的刻面的顶表面1401，离子束所聚焦的深度位置1413、1414、1415及1416可以产生如下：
(iii)离子束(i)在Z轴中的位置＝所需的一股深度(nm)+允许的变化范围(nm)×随机发生器(0到1)
其中所需的一股深度可以在0nm到100nm范围内，并且允许的变化范围可以在所需的一股间距的10％到50％的范围内。
所产生的离子束在Y轴和Z轴的位置和停留时间的参数可提供作为聚焦离子束跟随并照射在固态物质的顶表面1401(如宝石1400的刻面)上的路径清单。
因此，在制造每一实体时，在聚焦离子束照射的每一位点处，相互作用截面1406、1407、1408及1409以及相互作用体积将彼此独立。另外，由于具有不规则/非周期性间隔并且成形的实体形成不对称点阵，故实体之间的间距1417、1418及1419沿X-Y平面而变化(如图13中所示)。
本发明提供一种标记和其形成方法，其可以施加于宝石的刻面或其他固态物质，而不会有损于施加所述标记的宝石的光学特性。
这些标记可以用于分级目的、安全性目的、表示宝石的产地、所有权等。
本领域技术人员应了解，不同波长的光允许将多种颜色外观施加于宝石，由此提供任何必要的示意。
本领域技术人员还应了解，可以对标记施加多种不同的几何属性，例如规则或不规则形状的孔、点、圆盘、柱等、圆形阵列、螺旋形阵列、正方形阵列、三角形阵列、六边形阵列、碎片形阵列、多个周期或其组合。
以下突出了本发明的益处，其中本发明提供了优于现有技术的多个优势，由此允许获得现有技术无法实现的益处。
本发明允许提供一种标记结构，所述标记结构不借助于凹槽或不包括或需要周期性，而是离散的实体点阵呈不均匀且非周期性的布置，其允许进行更复杂的标记，并且易于由所述单一标记反射超过一种颜色的光。
此外，本发明的使用允许产生大小、形状、几何结及间距可以变化的标记结构，由此允许更复杂的标记以及可观测到多种有色组分。
因此，根据本发明的实例或实施例的优势可以包括如下优势：
(i)更复杂的标记，
(ii)反射超过一种波长的光，及
(iii)较少的制造步骤，从而提供了更有效的标记工艺。
相比现有技术，本发明的实施例(例如，使用聚焦离子束来提供标记)去除了需要使用氧化剂的步骤的必要性。
本发明提供去除这一步骤为了省却或去除许多不良的生产、职业保健及安全性和环境问题，包括去除了对于现有技术中使用的典型化学品熔融硝酸钾的需求，其包括：
(i)更低的成本，
(ii)没有暴露于例如化学品的烟雾的健康风险，从而，增加了职业保健和安全性，
(iii)没有硝酸钾引起的爆炸风险，
(iv)没有熔融硝酸钾的处置相关风险(disposal related risk，OHS)和加工，再次增加了职业保健和安全性，及
(v)没有与加工熔融硝酸钾的处置成本相关的成本。
本发明的标记只能在适合的显微镜物镜放大倍率下从固态物质包括宝石或钻石的标记刻面的预定方向，优选正交方向，通过以指定角度入射的单色光进行观测，其中入射的单色或全色光是强烈的，不过若入射光是平行并且相干的，那么可获得较强的图像对比度。
本发明不同于例如美国专利US6,391,215等现有技术的技术，其中进入显微镜物镜的光是除0阶或直接反射光外的任何衍射光。
此外，本发明在宝石标记领域中应用衍射光学特性方面与本领域中的其它技术不同，其中现有技术是针对增强在正常光照下宝石或钻石的光学特征(美国专利编号：US8,033,136B2)以及宝石或钻石的装饰性和观赏性(美国专利编号：US8,233,218B1)。
相比之下，本发明的标记利用了通过衍射阶得到的强开关对比度，从而导致由于干涉引起的强度变化，由未处理表面以例如通过标记不可见序列号或不可见商标或质量标记显示出有关鉴别固态物质包括宝石的信息。

Claims (15)

1.一种在物品表面的抛光刻面(1200)的一部分上通过光学放大观测装置可识别的可鉴别标记(1210)，所述可鉴别标记(1210)包含：
由多个离散的纳米尺寸的凹进或突出的实体(1220)的二维或三维点阵所形成的纳米结构，其中所述实体(1220)是以预定布置彼此相关地布置于所述刻面(1200)的预先界定的区域内，并且使得在所述物品的所述刻面(1200)与空气之间形成外部界面表面并且在所述物品的所述刻面(1200)与空气之间形成内部界面表面；
其中所述实体(1220)的所述预定布置是不均匀并且非周期性的布置，所述实体的不均匀并且非周期性的布置提供了由任意形状和不规则/非周期性间隔的实体引起的形态变化，并且其中所述实体(1220)经大小设定和经形状设定从而在发生入射光反射时造成光散射，并且所述内部界面表面到所述外部界面表面的距离大于所述刻面(1200)抛光的刻面的非标记部分的幅值；
由此在与所述点阵呈预定入射角度的具有一种或多种预定波长的入射光被所述点阵反射时，诱导由所述点阵散射光所引起的干涉，由此所述反射光具有强度变化，从而提供具有一种或多种波长的一种或多种局部最大值；并且
所述标记(1210)对于裸眼是不可见的，并且在正常光线条件下借助于安装有摄像头的显微镜是不可见的，并且借助以必要的观测角度倾斜的光学放大观测装置，在被所述标记(1210)的所述点阵散射的一种或多种波长的光线下使得检测到局部最大值时，可以识别所述标记(1210)，并且所述标记(1210)是通过一种或多种波长的一种或多种颜色来识别的。
2.根据权利要求1所述的可鉴别标记，其中，所述点阵的所述实体(1220)的间距在10nm到900nm范围内，所述离散实体(1220)具有在1nm到899nm范围内的直径，并且所述外部界面表面与所述内部界面表面之间的标准距离在1nm到200nm范围内。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的可鉴别标记，其中，所述二维或三维点阵提供至少一个具有借助于所述光学放大观测装置可观测的两个或两个以上颜色特征的可鉴别标记(1210)。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的可鉴别标记，其中，所述刻面(1200)的剩余表面部分具有小于1nm的平均表面粗糙度。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的可鉴别标记，其中，所述强度变化是通过人眼或光学摄像机由来自所述刻面(1200)的非标记部分的任何反射的信号可辨识的。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的可鉴别标记，其中，所述二维或三维点阵的凹进部分或突出部分(122)是呈规则或不规则形状的孔、点、圆盘、柱，并可以呈圆形布置的点阵、呈螺旋形布置的点阵、呈正方形布置的点阵、呈三角形布置的点阵、呈六边形布置的点阵、呈碎片形布置的点阵或其多种组合的形式提供。
7.一种物品，在其上具有根据权利要求1到6中任一权利要求所述的可鉴别标记。
8.根据权利要求7所述的物品，其中，所述物品是宝石，所述宝石包括钻石、红宝石、蓝宝石、绿宝石、珍珠、玉、电气石。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的物品，其中，所述点阵是提供于所述抛光刻面(1200)上的约400μm×400μm的区域内。
10.一种在物品的表面的抛光刻面(1200)的一部分上提供通过光学放大观测装置可识别的可鉴别标记的方法，所述方法包括以下步骤：
在物品的刻面的一部分上形成由多个离散的纳米尺寸的凹进或突出实体(1220)的二维或三维点阵形成的纳米结构，其中所述实体(1220)是以预定布置彼此相关地布置于所述刻面的预先界定的区域内，并且由此在所述物品的所述刻面(1200)与空气之间形成外部界面表面，并且在所述物品的所述刻面(1200)与空气之间形成内部界面表面；
其中所述实体(1220)的所述预定布置是不均匀并且非周期性的布置，所述实体的不均匀并且非周期性的布置提供了由任意形状和不规则/非周期性间隔的实体引起的形态变化，并且其中所述实体(1220)经大小设定和经形状设定当发生入射光反射时从而造成光散射，并且所述内部界面表面到所述外部界面表面的距离大于所述刻面(1200)抛光的刻面的非标记部分的幅值；
由此在与所述点阵呈预定入射角度的具有一种或多种预定波长的入射光被所述点阵反射时，诱导由所述点阵散射光所引起的干涉，由此所述反射光具有强度变化，从而提供具有一种或多种波长的一种或多种局部最大值；以及
其中所述标记(1210)对于裸眼是不可见的，并且在正常光线条件下借助于安装有摄像头的显微镜是不可见的，并且借助以必要的观测角度倾斜的光学放大观测装置，在被所述标记(1210)的所述点阵散射的一种或多种波长的光线下使得检测到局部最大值时，可以识别所述标记(1210)，并且所述标记(1210)是通过一种或多种波长的散射光的一种或多种颜色来识别的。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述纳米尺寸的离散实体(1220)的二维或三维点阵是由纳米制造法形成的，其中所述纳米制造法是包括聚焦离子束、深层紫外(UV)激光束、湿法化学蚀刻、离子等离子体蚀刻、用于等离子体蚀刻工艺的不同纵横比的荫罩，或其任何组合在内的方法。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述二维或三维点阵是通过聚焦离子束并且借助于所述聚焦离子束光点大小和剂量的动态控制变化来形成。
13.根据权利要求10或权利要求11或权利要求12所述的方法，其中，所述物品是宝石，并且其中所述宝石包括钻石、红宝石、蓝宝石、绿宝石、珍珠、玉、电气石。
14.一种物品，所述物品具有在其表面的抛光刻面(1200)的一部分上形成的可鉴别标记(1210)，其中所述可鉴别标记(1210)是根据权利要求10到13中任一权利要求所述的方法而形成。
15.一种观测根据权利要求7到9中任一权利要求所述的物品上的可鉴别标记(1210)的方法，所述方法包括以下步骤：
以与所述可鉴别标记(1210)呈预定入射角度提供入射光，所述入射光具有一种或多种预定波长；及
借助于光学观测装置以所述必要的观测角度观测所述可鉴别标记(1210)，由此检测到局部最大值。
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