CN114301603B - 一种仿生光学puf钥匙及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生光学PUF钥匙及其制备方法。所述仿生光学PUF钥匙包括所述钥匙包括仿生微纳结构光学散射介质薄膜、封装卡体以及配套拔插卡槽；该仿生微纳结构光学散射介质薄膜表面具有通过植物模板印刷制备的微纳结构，所述微纳结构与通光孔处的入射光激励相互作用产生相干散射形成的透射散斑经过二值转化生成密钥；所述封装卡体和配套拔插卡槽具有相互适配的限位部件。本发明所用的仿生微纳结构薄膜能与入射光激励相互作用产生相干散射形成透射散斑，所述透射散斑经过二值转化可生成密钥，并可用于身份认证和加密传输。本发明实施例提供了一种简单、低成本、环境友好的光学PUF制备技术路线。
Description
技术领域
本发明实施例涉及基于PUF的信息安全领域，具体是指一种仿生光学PUF钥匙及其制备方法。
背景技术
当今社会，信息技术的发展日新月异，物联网、大数据、云计算、人工智能等各种新技术正如火如荼地引领着我们步入高速发展的快车道，海量的信息数据每天都在产生、传输。然而，信息泄露、黑客攻击、违法复制等事件频发，寻求保证信息数据安全的的方法正成为人们关注的焦点。
物理不可克隆函数（PUF）利用内在的物理构造来对其进行唯一性标识，输入任意激励都会输出一个唯一且不可预测的响应。随着人们越来越多的关注，PUF 被应用到系统认证、产品信息防伪和密钥生成等更多的领域，并逐渐成为硬件安全领域的一项热门技术。
传统的Si-PUF具有较低的熵值，通常需要使用额外的前处理或后处理熵补偿单元，存在功耗较高、占用面积较大（区域效率低下）、制造成本高、以及易被木马病毒攻击等缺陷。发展高安全、高鲁棒性、低成本的PUF仍是面向实际应用需重点关注的问题。
发明内容
本发明提供一种仿生光学PUF钥匙及其制备方法，该仿生光学PUF钥匙与入射光激励相互作用产生的透射散斑，经过二值转化可生成密钥，并可用于身份认证和加密传输。本发明可用于密钥生成、信息加密、身份认证的仿生光学PUF钥匙。该仿生光学PUF钥匙制备方法具有方法简单、成本低廉等优点。
本发明提供的技术方案具体如下：
一种仿生光学PUF钥匙，其特征在于，所述钥匙包括仿生微纳结构光学散射介质薄膜、封装卡体以及配套拔插卡槽；该仿生微纳结构光学散射介质薄膜表面具有通过植物模板印刷制备的微纳结构，所述微纳结构与通光孔处的入射光激励相互作用产生相干散射形成的透射散斑经过二值转化生成密钥；
所述封装卡体和配套拔插卡槽具有相互适配的限位部件，以实现重复拔插卡时仿生微纳结构光学散射薄膜与入射光激励相互作用位置的精确对准。
进一步，所述封装卡体开设有带螺纹的通光孔，用于放置圆形蓝宝石衬底和仿生微纳结构光学散射介质薄膜组合体，所述组合体由带螺纹的锁环固定，所述封装卡体表面还设有卡体嵌入式磁铁。
进一步，所述配套拔插卡槽两侧有与卡体带螺纹通光孔对应的圆形通孔，配套拔插卡槽内部还嵌有与卡体嵌入式磁铁位置适应的磁铁。
进一步，所述仿生微纳结构光学散射介质薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚乙烯醇（PVA）。
本发明还提供一种仿生光学PUF钥匙制备方法，该方法包括：
步骤（a）制备仿生微纳结构光学散射介质薄膜；
步骤（b）组装仿生光学PUF钥匙卡及配套拔插卡槽。
进一步，步骤（a）制备仿生微纳结构光学散射介质薄膜具体包括如下步骤：
步骤（a1）将干净的植物模板固定在玻璃基板上；
步骤（a2）未固化的液态高分子均匀的旋涂于植物模板表面；
步骤（a3）经过固化过程后，剥离获得仿生微纳结构光学散射介质薄膜。
进一步，步骤（a2）中，所述液态高分子为PDMS混合液时，所述PDMS混合液由前驱液比固化剂10:1的配比混合而成，步骤（a3）固化条件为70℃加热1小时。
进一步，步骤（a2）中，所述液态高分子为PVA水溶液时，所述PVA水溶液的浓度为10%，步骤（a3）固化条件为室温放置24小时。
进一步，步骤（b）组装仿生光学PUF钥匙卡及配套拔插卡槽具体为：
步骤（b1）形成所述封装卡体，其表面设有带螺纹的通光孔和卡体嵌入式磁铁，并形成附属圆形蓝宝石衬底、带螺纹的锁环等封装配件；
步骤（b2）形成所述配套拔插卡槽，包含与卡体带螺纹通光孔对应的圆形通孔，以及与卡体嵌入式磁铁位置适应的磁铁；
步骤（b3）将所述仿生微纳结构光学散射介质薄膜，置于所述圆形蓝宝石衬底形成组合体，通过带螺纹的锁环固定于封装卡体中带螺纹的通光孔处，以获得仿生光学PUF钥匙卡。
附图说明
图1为本发明中的仿生光学PUF钥匙结构制备工艺流程图；
图2为本发明激励—响应作用过程下的仿生光学PUF钥匙卡及拔插卡示意图；
图3为CCD相机所采集到一张散斑图；
图4为经过二值化处理生成的密钥；
图5为片内汉明距离分布统计；
图6为片间汉明距离分布统计；
其中，1.植物模板2.未固化的液态高分子3.仿生微纳结构光学散射介质薄膜4.圆形蓝宝石衬底5.带螺纹的锁环6.带螺纹的通光孔7.卡体嵌入式磁铁8.封装卡体9.仿生光学PUF钥匙卡10.配套拔插卡槽11.入射光激励12.透射散斑13.CCD相机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
一种仿生光学PUF钥匙，所述钥匙包括仿生微纳结构光学散射介质薄膜3、封装卡体8以及配套拔插卡槽10；该仿生微纳结构光学散射介质薄膜3表面具有通过植物模板1如植物叶片、花瓣等印刷制备的独特微纳结构，所述微纳结构与通光孔6处的入射光激励11相互作用产生相干散射形成的透射散斑经过二值转化生成密钥，以用于身份认证和加密传输；所述光学散射介质薄膜3尺寸不一、随机分布的独特微纳结构能保证形成散斑及生成密钥的随机性与唯一性；
所述封装卡体8和配套拔插卡槽10具有相互适配的限位部件，以实现重复拔插卡时仿生微纳结构光学散射薄膜3与入射光激励11相互作用位置的精确对准，保证仿生光学PUF钥匙的鲁棒性。
进一步，所述封装卡体8开设有带螺纹的通光孔6，用于放置圆形蓝宝石衬底4和仿生微纳结构光学散射介质薄膜3组合体，所述组合体由带螺纹的锁环5固定，所述封装卡体8表面还设有卡体嵌入式磁铁7。
进一步，所述配套拔插卡槽10两侧有与卡体带螺纹通光孔6对应的圆形通孔，配套拔插卡槽10内部还嵌有与卡体嵌入式磁铁7位置适应的磁铁；所述磁铁保证了拔插卡时的对准限位功能。
进一步，所述仿生微纳结构光学散射介质薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚乙烯醇（PVA）。通常平整无微纳结构的PDMS或PVA薄膜为透明状，通过植物模板印刷出的仿生微纳结构PDMS或PVA薄膜为不透明状，是一种良好的光学散射介质薄膜，可与激光相互作用产生复杂的透射散斑。
所述植物模板包括但不限于荷叶、玫瑰花瓣、玫瑰叶、银杏叶、天鹅绒竹芋叶等植物叶片或花瓣中的任何一种；微纳结构印刷工艺包括：植物模板固定、未固化的PDMS或PVA液体旋涂、固化、剥离等步骤。
将所述仿生微纳结构光学散射介质薄膜置于蓝宝石衬底，通过带螺纹的锁环封装进长方形封装卡壳内，获得仿生光学PUF钥匙卡，并可插入所述配套拔插卡槽内实现功能演示。
本发明中，将仿生微纳结构光学散射介质薄膜与入射激光相互作用，产生强散射形成透射散斑并由CCD相机采集，经过电脑软件二值化处理，获得密钥可用于身份认证、加密传输等应用。
本发明的有益效果如下：
1、仿生微纳结构的制备工艺具有方法简单、成本低廉、绿色环保的特点。
2、“世界上没有完全相同的两片叶子”，通过向自然学习，利用仿生手段获得的独特微纳结构能保证光学PUF钥匙具有较好的随机性、唯一性和独特性（即安全性指标）。
3、使用具有限位功能的卡片形式封装，能实现重复拔插卡时仿生微纳结构薄膜3与入射光激励11相互作用位置的精确对准，保证仿生光学PUF钥匙的鲁棒性。
本发明还提供一种仿生光学PUF钥匙制备方法，该方法包括：
步骤（a）制备仿生微纳结构光学散射介质薄膜3；
步骤（b）组装仿生光学PUF钥匙卡9及配套拔插卡槽10。
进一步，步骤a制备仿生微纳结构光学散射介质薄膜3具体包括如下步骤：
步骤（a1）将干净的植物模板1（包括但不限于荷叶、玫瑰花瓣、玫瑰花叶、银杏叶、天鹅绒竹芋等）固定在玻璃基板上；
步骤（a2）未固化的液态高分子2（PDMS混合液或PVA水溶液）均匀的旋涂于植物模板1表面；
步骤（a3）经过固化过程后，剥离获得仿生微纳结构光学散射介质薄膜（3）。
进一步，步骤（a2）中，所述液态高分子2为PDMS混合液时，所述PDMS混合液由前驱液比固化剂10:1的配比混合而成，步骤（a3）固化条件为70℃加热1小时；
进一步，步骤（a2）中，所述液态高分子2为PVA水溶液时，所述PVA水溶液的浓度为10%，步骤（a3）固化条件为室温放置24小时。
进一步，步骤（b）组装仿生光学PUF钥匙卡9及配套拔插卡槽10具体为：
步骤（b1）形成所述封装卡体8，其表面设有带螺纹的通光孔6和卡体嵌入式磁铁7，并形成附属圆形蓝宝石衬底4、带螺纹的锁环5等封装配件；
步骤（b2）形成所述配套拔插卡槽10，包含与卡体带螺纹通光孔6对应的圆形通孔，以及与卡体嵌入式磁铁7位置适应的磁铁；
步骤（b3）将所述仿生微纳结构光学散射介质薄膜3尺寸裁剪为直径5mm圆形，置于尺寸为直径5mm圆形状所述圆形蓝宝石衬底4形成组合体，通过带螺纹的锁环5固定于长方形封装卡体8中带螺纹的通光孔6处，以获得仿生光学PUF钥匙卡9，并可插入所述配套拔插卡槽10实现应用功能。
本发明仿生光学PUF钥匙的密钥生成应用如下：
如图2所示，将所述仿生光学PUF钥匙卡9插入所述配套拔插卡槽10内，再把所述入射光激励11通过所述配套拔插卡槽10圆形通光孔照射到所述仿生光学PUF钥匙卡9中的仿生微纳结构光学散射介质薄膜3上，在所述配套拔插卡槽通光孔的另一侧形成透射散斑12，并由CCD相机13采集；所述透射散斑12经过二值化处理，即可生成密钥。
实施例1
示例性的，选择植物模板1为荷叶，选择未固化的液态高分子2为PDMS混合液，通过模板印刷制备获得所述仿生微纳结构光学散射介质薄膜3，并封装成所述仿生光学PUF钥匙卡9，插入配套拔插卡槽10，经过入射光激励11照射，获得所述透射散斑12，如图3所示；经过二值化处理，生成密钥信息，如图4所示，该密钥可用于身份认证、信息加密传输等应用。
将上述仿生光学PUF钥匙卡重复插卡50次，并采集到50张散斑信息，对比50张散斑图像之间的汉明距离片内汉明距离，已验证该仿生光学PUF钥匙的鲁棒性。
图5为上述50次拔插卡得到的散斑图像之间的片内汉明距离统计，可以看出其片内汉明距离分布于0.005至0.036之间，均值为0.016，说明该仿生光学PUF钥匙具有较好的鲁棒性。
实施例2
示例性的，选择植物模板1为玫瑰花瓣，选择未固化的液态高分子2为PVA水溶液，通过模板印刷不同区域的玫瑰花瓣微纳结构，获得50个不同的所述仿生微纳结构光学散射介质薄膜3，并封装成50个不同的所述仿生光学PUF钥匙卡9，再将其分别插入所述配套拔插卡槽10测试激励响应，获得50个不同的透射散斑12，并对比其之间的汉明距离（片间汉明距离）。
图6为上述片间汉明距离的分布统计图，由此可以看出其片内汉明距离分布于0.485至0.51之间，均值（μ）为0.498，方差（𝜎2）为6.4×10-5，说明该仿生光学PUF钥匙具有较好的唯一性。
由上述片间汉明距离统计数据可算出编码信息自由度为μ(1-μ)/𝜎2=3906，并得出其编码能力高达23906。
注意，上述仅为本发明的代表性实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明,但是本发明不仅仅限于以上实施例,在不脱离本发明构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (6)
1.一种仿生光学PUF钥匙，其特征在于，所述钥匙包括仿生微纳结构光学散射介质薄膜(3)、封装卡体(8)以及配套拔插卡槽(10)；该仿生微纳结构光学散射介质薄膜(3)表面具有通过植物模板(1)印刷制备的微纳结构，所述微纳结构与通光孔(6)处的入射光激励(11)相互作用产生相干散射形成的透射散斑经过二值转化生成密钥；
所述封装卡体(8)和配套拔插卡槽(10)具有相互适配的限位部件，以实现重复拔插卡时仿生微纳结构光学散射薄膜(3)与入射光激励(11)相互作用位置的精确对准；
所述仿生微纳结构光学散射介质薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚乙烯醇(PVA)；制备所述仿生光学PUF钥匙的方法包括：
步骤(a)制备仿生微纳结构光学散射介质薄膜(3)；
步骤(b)组装仿生光学PUF钥匙卡(9)及配套拔插卡槽(10)；
步骤(a)制备仿生微纳结构光学散射介质薄膜(3)具体包括如下步骤：
步骤(a1)将干净的植物模板(1)固定在玻璃基板上；
步骤(a2)未固化的液态高分子(2)均匀的旋涂于植物模板(1)表面；
步骤(a3)经过固化过程后，剥离获得仿生微纳结构光学散射介质薄膜(3)。
2.根据权利要求1所述的仿生光学PUF钥匙，其特征在于，所述封装卡体(8)开设有带螺纹的通光孔(6)，用于放置圆形蓝宝石衬底(4)和仿生微纳结构光学散射介质薄膜(3)组合体，所述组合体由带螺纹的锁环(5)固定，所述封装卡体(8)表面还设有卡体嵌入式磁铁(7)。
3.根据权利要求1所述的仿生光学PUF钥匙，其特征在于，所述配套拔插卡槽(10)两侧有与卡体带螺纹通光孔(6)对应的圆形通孔，配套拔插卡槽(10)内部还嵌有与卡体嵌入式磁铁(7)位置适应的磁铁。
4.根据权利要求1所述的仿生光学PUF钥匙制备方法，其特征在于，步骤(a2)中，所述液态高分子(2)为PDMS混合液时，所述PDMS混合液由前驱液比固化剂10:1的配比混合而成，步骤(a3)固化条件为70℃加热1小时。
5.根据权利要求1所述的仿生光学PUF钥匙制备方法，其特征在于，步骤(a2)中，所述液态高分子(2)为PVA水溶液时，所述PVA水溶液的浓度为10％，步骤(a3)固化条件为室温放置24小时。
6.根据权利要求1所述的仿生光学PUF钥匙制备方法，其特征在于，步骤(b)组装仿生光学PUF钥匙卡(9)及配套拔插卡槽(10)具体为：
步骤(b1)形成所述封装卡体(8)，其表面设有带螺纹的通光孔(6)和卡体嵌入式磁铁(7)，并形成附属圆形蓝宝石衬底(4)、带螺纹的锁环(5)等封装配件；
步骤(b2)形成所述配套拔插卡槽(10)，包含与卡体带螺纹通光孔(6)对应的圆形通孔，以及与卡体嵌入式磁铁(7)位置适应的磁铁；
步骤(b3)将所述仿生微纳结构光学散射介质薄膜(3)，置于所述圆形蓝宝石衬底(4)形成组合体，通过带螺纹的锁环(5)固定于封装卡体(8)中带螺纹的通光孔(6)处，以获得仿生光学PUF钥匙卡(9)。
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2021
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Also Published As
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