本发明涉及使用例如认证装置对货币或商品等物理实体进行认证的领域。
背景技术：
此前已经提出了许多用于诸如货币或商品的物理实体认证的技术，包括例如：使用全息或紫外线水印作为认证标志。然而，这些技术已经被证明是相对容易仿制的，从而消除认证标志的作用并且使得伪造的货币或货物能够被冒充成是真的。进一步提出的技术依赖于由难以寻求来源的或难以制造的材料所形成的认证标志，然而，倘若能获得相关材料的话，这些认证标志仍会被仿制。此外，随着在微米尺度上的制造技术变得越来越便宜，许多之前难以制造的认证标志变得更加容易伪造。
物理不可克隆功能(physicalunclonablefunctions,puf)是这样的物理结构：其易于评估和制造，但是难以预测和复制，即使制造过程是已知的也是如此。puf可能使用挑战-应答认证协议来操作。特别地，当物理刺激(即，挑战)施加于puf时，由于刺激与puf的物理结构的相互作用，puf以不可预知(仍可重复的)方式做出反应(即，应答)。因此，puf能通过其应答来认证，这是puf的结构的直接结果，而不需要揭示puf的结构，因此致使puf能抵抗仿制(即，不可克隆的)。
因此，物理不可克隆功能(puf)为货物的认证提供了有希望的途径。然而，由于例如，制造和/或认证过程的复杂性，使用puf用于物理实体认证的现有技术并不完全令人满意。
从us2012/168506可能知晓用于安全目的的发光效应的使用，其公开了从一定范围的设备中使用共振光学模式的方法，每个设备均包括一个或多个三维物品。这样的方法的缺点包括设备制造的复杂性、缺乏鲁棒性和对于环境的相关敏感性。
技术实现要素：
本发明提供认证设备和认证方法，其克服或基本消除了现有技术存在的前述和/或其它缺点。
根据本发明的第一方面，提供了一种认证装置，其包括大致二维材料的一个或多个薄片，所述大致二维材料具有配置为通过非共振光致发光发射电磁辐射的工作区域，该电磁辐射具有随工作区域中的位置而改变的属性。
根据本发明的另一方面，提供了一种认证的方法，包括以下步骤：
(a)提供根据本发明的认证装置；
(b)使用入射的电磁辐射照射认证装置的工作区域的至少一部分，从而通过非共振光致发光发射电磁辐射，该电磁辐射具有随工作区域中的位置而改变的属性；
(c)感应发射的电磁辐射；以及
(d)从感应到的电磁辐射中提供认证图，该认证图实现认证。
根据本发明的另一方面，提供了一种认证设备，其包括：根据本发明的认证装置；装置，其使用入射的电磁辐射照射认证装置的工作区域的至少一部分，从而通过非共振光致发光发射电磁辐射，该电磁辐射具有随工作区域中的位置而改变的属性；感应发射出的电磁辐射的装置；以及从感应到的电磁辐射中提供认证图的装置，该认证图实现认证。
根据本发明的第一方面的装置、设备和方法的益处在于，发射出的电磁辐射可提供针对关联物品的独特的认证图，这可用于证实物品是真实的。特别地，当通过入射电磁辐射的激发，由二维材料的非共振光致发光产生发射出的电磁辐射时，二维材料的能带结构确定发射出的电磁辐射的属性并因此确定认证图的形式。二维材料的能带结构高度依赖于在原子尺度上的二维材料的结构，因此如果有可能的话，使得认证图难以在克隆的装置中复制。
使用非共振光致发光的益处还在于，因为其允许发射出的电磁辐射能被容易地与用于读取认证图的入射电磁辐射区分开，由此使得用于设备的认证的至少一个独特的二维图能够被简单且有效地检测。此外，非共振光致发光是线性过程，其中，发射出的电磁辐射的强度是线性地依赖于入射电磁辐射的强度，并且因此可能使用相对低强度的入射电磁辐射，由此降低了认证过程的成本和复杂度。
使用二维材料的益处还在于二维材料通常具有相对较弱的光扫描属性，因此，二维材料在正常的工作条件下对于肉眼基本上是不可见的。对于打算将该装置并入到外观很重要的物品、例如贵重的消费品中时，这是很有益的。此外，由二维材料发射出的电磁辐射的强度可能是足够弱的，和/或发射出的电磁辐射的波长的范围可能是足够窄的，从而发射出的电磁辐射在没有足够灵敏度的检测器和/或正确的滤波器的情况下是不可见的。
根据本发明的另一方面，提供了一种认证装置，其包括大致二维材料的一个或多个薄片，该大致二维材料具有配置为基于通过入射电磁辐射激发发射电磁辐射的工作区域，该电磁辐射具有随着工作区域中的位置而改变的属性，并且该属性区别于入射电磁辐射的相应属性。
根据本发明的另一方面，提供了一种认证装置，其包括大致二维材料，该大致二维材料具有配置为基于由入射电磁辐射激发发射电磁辐射的工作区域，该电磁辐射具有随着工作区域中的位置而改变的属性，并且具有线性依赖于入射电磁辐射的强度，该大致二维材料包括至少一个所述材料的薄片。
“大致二维材料”意味着具有一些纳米厚度或更小厚度的材料，其厚度使得例如量子力学效应控制电子运动进出二维平面的运动。
“独特”意味着独一无二，至少在这样的程度上独一无二：随机产生相同的认证图在统计学上是不可能的。
在非共振光致发光中，大致二维的材料可能吸收特定波长的光子，或选择的波长的光子或一定范围的波长的光子，这使得电子从价带被提升至导带。在电子从导带释放到价带之后，电子重新与空穴结合，使得具有大致与带隙的能量相对应的波长的光子的发射。
在发射出电磁辐射的工作区域中随位置而变化的电磁辐射的属性可能是例如波长(或频率)或极化。
大致二维的材料可能是具有非零带隙并且能够非共振光致发光的任何材料。大致二维材料可能是直接带隙材料，或可能是间接带隙材料。二维材料最优选地是直接带隙材料。二维材料可能呈固态，并且认证装置可能是固态装置。
发射出的电磁辐射的波长可能对应于二维材料的带隙，例如，在工作区域中的相关位置处，由大致二维材料的非共振光致发光发射的光子可能具有与二维材料的带隙能量大致对应的能量。
可能通过检测单一波长或极化、或单一范围的波长或极化的电磁辐射来提供认证图，以产生二进制认证图。选择性地，可能通过检测多个不同波长或极化、或多个不同范围的波长或极化的电磁辐射来提供认证图，以产生多层认证图。
二维材料的带隙可能在大致二维材料的工作区域的空间上各不相同。例如，大致二维材料的带隙可能由于以下的任何一种而改变：二维材料的形状和/尺寸、晶格缺陷、边缘缺陷、二维材料的几何形状、以及二维材料与设备的其他层的相互作用。带隙的空间改变可能由此引起复杂认证图的产生，由此增加对装置进行克隆的阻力。
大致二维材料的带隙可能在0ev到4ev的范围内。大致二维材料的带隙可能在整个材料上在0ev和4ev之间各不相同。由此，二维材料可能在可视的或红外光谱中发射电磁辐射。
大致二维材料可配置为发射电磁辐射，电磁辐射提供多个不同的认证图，依赖于入射电磁辐射的波长、或波长的范围。多个不同的认证图可能用于增加认证装置的复杂性，由此使得设备更不易被克隆。例如，不同波长的认证图可能被结合以产生更多复杂的认证图。
大致二维材料可能被掺入杂质，这些杂质可能在大致二维材料的工作区域的某些区域中改变带隙。因此，这可能增加由大致二维材料提供的认证图的复杂性。
大致二维材料可能包括单一材料层、或例如可能包括多个材料薄片。其中，大致二维材料包括多个材料的薄片，该多个薄片可能比单一薄片更容易制造，并且由此可能减少制造成本。大致二维材料的多个薄片通过将薄片悬浮在溶剂中而结合至设备中，并且接着允许溶剂蒸发。
由发射出的电磁辐射提供的认证图可能是模拟信号。认证图可以被转换成数码，即二进制的信号。模数转换可能通过任何传统手段实现，例如：通过减小模拟信号的分辨率以产生1位、或多位的数值组。
认证图可能通过认证读取器读取，由此允许装置的认证。认证读取器可能是能够感应从工作区域中的多个位置发射出的电磁辐射的任何设备。认证读取器还可能包括电磁辐射源，例如用于提供入射电磁辐射。认证读取器还可能包括处理装置，例如：微处理器，用于根据感应到的电磁辐射产生认证图或相关的数字签名。
认证读取器可能包括用于感应从工作区域中的多个位置发射出的电磁辐射的装置，以及用于根据感应到的电磁辐射产生认证图的装置。例如，认证读取器可包括图像传感器，例如：电荷耦合装置(ccd)图像传感器。还应认识到的是，在适合的时候，可能使用诸如分光仪的更加复杂的认证读取器。
认证读取器可能配置为将至少一个读取认证图与认证图的数据库相比较，认证图的数据库可能是使用例如，互联网，远程可访问的。这种比较可能实现设备的认证。可选地，认证读取器可能配置为无需访问认证图的数据库而进行认证。
认证读取器可能在读取相同的认证图的同时具有对发射出的电磁辐射中的微小变化的容忍度。这些变化可能例如大致二维材料与外部环境的随时间的相互作用引起。
认证读取器可能配置为并行地读取大多数或所有的认证图，并且进行单一的读取。可选地，认证读取器可能配置为一次仅读取认证图的一部分，并进行多次读取。认证读取器可能配置为在一段时间内扫描认证图以进行多次读取。
用于感应发射出的电磁辐射的装置的分辨率可能确定认证图的数字信号的位深。数字信号优选地是至少128位密钥、至少256位密钥、或512位密钥。认证读取器可能，并且最优选地，具有至少64×64像素的像素阵列。
认证读取器可能包括一个或多个滤波器，该一个或多个滤波器中的每个滤波器均配置为允许电磁辐射的单一波长或极化、或窄范围的波长或极化的通过。由此，根据需要，认证读取器可能配置为仅以单一波长或极化、或以窄范围的波长或极化读取单一认证图，或者以多个不同的波长或极化、或以多个不同的窄范围的波长或极化读取多个认证图。一个或多个滤波器可能配置为防止用于照射大致二维材料的工作区域的入射电磁辐射的通过。
当使用极化滤波器时，多个认证图可能以单一波长或单一窄范围的波长由认证读取器读取。认证读取器可能配置为感应圆极化。因此，认证读取器可能独立于认证装置的定向而定向。
认证装置可能可选择地包括用于促进认证图的确定的至少一个注册标志。例如，注册标志可能提供促进认证图的确定的信息，诸如关于认证图的极化的定向的信息。
用于照射大致二维材料的工作区域的电磁辐射可能具有与在工作区域的至少一部分中的大致二维材料的带隙的能量至少一样高，最优先地更高的光子能量。入射电磁辐射的光子可能是连贯的或者可能是不连贯的。光子可能由任何合适的光源产生，并且可能是由例如led或激光光源产生。不同的光源可能用于产生多个认证图。例如：具有不同波长的激光光源可能用于产生多个不同波长范围的发射的电磁辐射，由此使得多个认证图能够被读取。光源可能是例如2ev的绿色激光光源。
大致二维材料可能被封装或层压在至少一层透光(例如，透明)材料内。透光材料可能具有比大致二维材料更高的刚性。因此，大致二维材料可能被保护以免受于周围环境影响，同时仍能够用于发射提供认证图的电磁辐射。透光材料可具有大致与装置的剩余部分和装置所应用的物品相同的刚性，并且由此可能容易地结合至物品的结构中，而不需要约束装置的功能。
透光材料可能减小大致二维材料的带隙将随时间改变的风险。例如，透光材料可防止其他原子和/或分子结合至大致二维材料的表面。在优选的实施方式中，透光材料可能是大致不透水的。
认证装置或认证装置所应用的物品可能包括另外的认证标志，例如：条形码或qr码。另外的认证标志可能使用例如密钥或签名的保密部分，由大致二维材料的工作区域的发射出的电磁辐射提供的认证图派生而来。例如，可能使用密钥或签名的保密部分加密认证图以产生另外的认证标志，使得另外的认证标志和认证图的同时读取可以提供可能密钥，该密钥可能通过与密钥或签名的公开部分比较来认证。因此，知道密钥或签名的公开部分，并且同时读取另外的认证标志和认证图，将使得认证装置或者认证装置所应用的物品被认证。另外的认证标志的引入可能引入与待认证的认证装置或认证装置所应用的物品相关的额外的安全等级。此外，另外的识别标志可能允许设备的离线认证，例如：不需要访问认证授权图的数据库，因此允许低成本地并且相对互联网连接远程地执行认证。
大致二维材料可能是具有带隙的任何材料，或是通过掺杂、应变、形态等引起带隙的任何材料。大致二维材料可能是半导体。大致二维材料可能是例如氧化石墨烯、石墨烯、硅烯、锗烯、或磷烯中的任意一种或它们的任意组合。大致二维材料可能是过渡金属二硫化物，例如，二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨、二硒化钨中的任意一种或它们的任意组合。大致二维材料可能是例如组3-硫属化合物，例如，ga2x2或in2x2(其中，x＝s、se、或te)中的任意一种或它们的任意组合。
认证装置可能形成需要认证的物品(例如，有价值的物品)的一部分或者与需要认证的物品一体形成。物品可能是需要认证的任何物理实体，并且可能是例如纸币等。
根据本发明的另一方面，提供了一种物品，其包括如上所述的认证装置。
认证装置可能以例如相同的制造工艺与物品一体形成，或者可能应用在物品的制造之后。
认证装置的工作区域可能被暴露，或能够被暴露以实现例如认证读取器的入射电磁辐射的照射。然而，认证装置的工作区域可能由透光材料覆盖。
物品可能是最终商品，即由终端用户购买的商品，例如，由家庭购买的消费品或者由公司购买的诸如机器的生产资料。物品可能是数据载体。物品可能是货币，例如纸币或银行卡。
认证装置可能是足够小的以至于在物品上是不引人注意的，甚至是肉眼不可见的。对于外观很重要的商品而言，例如：贵重的消费品，这可能是特别有利的。因此，认证装置具有小于10-4m2(1cm2)、小于10-6m2(1mm2)、小于10-8m2或小于10-9m2的最大横截面区域或工作区域。据认为，最小工作区域大约是10-10m2，例如10×10μm，虽然普遍认为需要昂贵的光学部件以读取这样小的工作区域。对于需要是耐用的并且需要抵抗磨损和撕扯的那些物品(例如，纸币或银行卡)而言，认证装置可能是更大的并且由此可能具有至少1mm2、至少10mm2或至少30mm2，例如大约1cm2，的最大横截面区域或工作区域。
发射出的电磁辐射可能是大致对肉眼不可见的。发射出的电磁辐射可能具有足够低的强度以使电磁辐射大致对肉眼不可见。发射的电磁辐射可具有使得电磁辐射可大致对肉眼不可见的波长和/或窄范围的波长。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造物品的方法，所述方法包括将如上所述的认证装置结合至物品中。
可能在物品的制造过程中形成认证装置。然而，在目前的优选的实施方式中，认证装置与物品分别制造，并且制造物品的方法包括将认证装置固定至物品的步骤。
将认证装置固定至物品的步骤可能是在物品的形成中的一个整体步骤，例如：认证装置可能被嵌入到物品的表面中。可选地，认证装置可能在物品的形成之后被固定至物品的表面。
本发明的各方面的任何优选的特征在合适的情况下可能被应用于本发明的其他方面。
附图说明
下面将参照所附附图对本发明的可用的实施方式进行进一步详细的描述，其中：
图1是根据本发明的认证装置以及相关物品的第一实施方式的示意图；
图2是配置为读取图1的认证装置的认证读取器的示意图；
图3是图1的装置的二维材料的原子结构的示意图；
图4是由图3的二维材料产生的认证图的示意图；
图5是图4的认证图的数字化版本的示意图；以及
图6是根据本发明的设备和相关物品的第二实施方式的示意图。
具体实施方式
图1示出了包括根据本发明的认证装置20的物品10。虽然物品10在此用纸币表示，但应认识到的是本发明的范围包括了需要认证的任何物品。
物品10包括具有纸币形式的主体12，并且认证装置20包括大致二维材料14和两个透光层16、18。物品10的主体12是典型的纸币，诸如那些目前在英国流通的以及那些在全世界其它地区流通的纸币。大致二维材料14是具有带隙的任何材料的原子厚度晶格，不论带隙是固有的还是通过掺杂等诱发的。
在目前的优选的实施方式中，大致二维材料是氧化石墨烯。氧化石墨烯代表用于二维材料的好的选择，因为氧化石墨烯的带隙对于晶格缺陷、边缘缺陷、二维材料的形状和/或尺寸、二维材料的几何形状、以及二维材料与其它层的相互作用中的任一个是非常敏感的。因此，氧化石墨烯具有空间上横跨二维材料14以随机的并且不可控制的方式变化的带隙，由此基于电磁辐射的二维材料的照射允许独特的非共振光致发光图。此外，氧化石墨烯的带隙在0-2ev之间变化，由此部分重叠近红外线和可见的光谱。这个可能是有益的，因为其允许使用相对便宜的ccds和滤波器来用于物品10的认证。
氧化石墨烯可能由任何传统的方法生产。虽然在图1中以单片示出二维材料14，但是应认识到的是，二维材料14可能包括二维材料的多个薄片。
两个透光层16、18可能由透光材料(即，允许电磁辐射通过的材料)形成，并且如果不大于的话，典型的是大致上与二维材料14的长度和宽度具有相同的长度和宽度。透光层16、18由大致比二维材料14更坚固的材料形成，并且可由此提供用于二维材料14的支撑结构。透光层16、18还具有比二维材料14的厚度更大的厚度。在目前的优选的实施方式中，透光层16、18包括氮化硼内层和塑性材料外层。
二维材料14封装在透光层16、18内以形成认证装置20。认证装置20结合至物品10的主体12中。
图2中示出了配置为读取图1的认证装置20的认证读取器24。设备包括用以照射二维材料14的以光的形式配置为产生电磁辐射28的光源26，以及用于感应由二维材料产生的独特的非共振光致发光图的传感器。
光源26可能是具有足以致使二维材料14中的电子从价带激发到导带的能量的任何光源。在目前的优选的实施方式中，光源26是激光光源，该激光光源选择成具有大致与氧化石墨烯的带隙能量对应的波长。具体地，在目前的优选的实施方式中的光源26是具有2ev范围的能量的绿色激光。
传感器32可能是能够感应由二维材料14产生的独特的非共振光致发光图的任何传感器。在目前的优选的实施方式中，传感器32是硅ccd。ccd32的分辨率必须足以感应由二维材料14产生的独特的非共振光致发光图，并且在目前的优选的实施方式中，ccd32具有至少64×64像素的分辨率。这可能实现由二维材料14产生的独特的非共振光致发光图以提供至少512位密钥。
装置24可选地包括滤波器30。滤波器30可能选择成仅允许大致与二维材料14的带隙对应的波长的光的通过。因此由二维材料14产生的独特的非共振光致发光图可能被简单地并且有效地识别出，并与用于照射二维材料14的光28分开。
当需要认证包括二维材料14的物品10时，光源26用于用光28照射认证装置20的二维材料14。在目前的优选的实施方式中，同时使用光28照射二维材料14的可见表面的全部，虽然应认识到的是，在合适的情况下，也可能用光28扫描二维材料14的至少一部分。
为了清楚起见，图2示出了光源26和传感器32在物理上分开的，但是实践中，它们可能结合成单一物理设备。
光28致使在二维材料14的电子从价带激发至导带。激发的电子快速释放并接着在价带中与空穴重新结合，由此致使光子的发射，在重新结合发生处，每个光子均具有与二维材料14的区域中的带隙的能量接近的能量。当带隙空间上横跨二维材料14变化时，不同波长的光子由二维材料14的不同区域发射，由此致使产生光致发光图(或2d光谱)。随着二维材料14的结构，并由此的带隙，在原子能级上的变化，图可能被说成是独特的，因为按统计上来说不可能随机产生相同的图。
图3中示出了二维材料14的示例性结构34，而图4中示出了对应的图36。
由二维材料14产生的光致发光图36由传感器32读取，并且接着与认证图的数据库相比较以认证物品10。
应理解的是，认证图的数据在每个物品10生产的时候或者在安装安全设备20的时候由制造者更新。
如从图4中可见，图36是模拟信号，并且在目前的优选的实施方式中，图36在分辨率上减小以产生如图5所示的数字签名38。与将图36与认证图的数据库相比截然相反，数字签名38可能与认证信号的数据库相比，以认证物品10。这在数字签名38在图36中具有更大的变化的容忍度时是有益的，这可能例如通过由于随着时间与环境的相互作用的二维材料14的改变来引起。
图6示出了根据本发明的设备20以及相关物品10的第二实施方式。仅仅除了物品10的第二实施方式包括另外以qr码形式的另外的认证标志40之外，第二实施方式与第一方式相同。虽然在图6中另外的认证标志40是以qr码所描述的，应认识到的是，也可能使用认证标志或识别标志的其它形式，诸如条形码。
为了产生qr码40，图与密钥结合在一起，并且得到的qr码40在制造和/或安装认证装置20的时候被印刷在物品10上。接着qr码能单独被读取或者与图36或数字签名38结合读取。密钥的公开部分可能用于将储存在qr码40中的信息与由二维材料14产生的图相关联，由此认证物品10。本发明的第二实施方式是有益的，因为其允许物品10的离线认证，例如，使用密钥的公开部分，从而无需互联网连接就可以认证物品10。