TW201513985A - 向包括寶石和鑽石在內的貴重寶石提供標記的方法以及根據此方法標記的經標記貴重寶石 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種在物品的表面的拋光刻面的一部分上的通過光學放大觀測裝置可識別的可鑒別標記，所述可鑒別標記包含由多個離散的納米尺寸的凹進或突出的實體的二維或三維點陣所形成的納米結構，其中所述實體是以預定佈置彼此相關地佈置於所述刻面的預先界定的區域內，並且使得在所述物品的所述刻面與空氣之間形成外部界面表面並且在所述物品的所述刻面與空氣之間形成內部界面表面。所述實體的所述預定佈置是不均勻並且非週期性的佈置，並且其中所述實體經大小設定和經形狀設定使得引起光散射，以致此時發生入射光反射並且所述內部界面表面到所述外部界面表面的距離大於所述刻面拋光的面的非標記部分的幅值。在與所述點陣呈預定入射角的具有一種或多種預定波長的入射光被所述點陣反射時，誘導由所述點陣散射光所引起的干涉，使得所述反射光具有強度變化，從而提供具有一種或多種波長的一種或多種局部最大值。所述標記是借助於以必要的觀 測角度傾斜的光學放大觀測裝置可識別的，使得局部最大值被檢測到。

Description

向包括寶石和鑽石在內的貴重寶石提供標記的方法以及根據此方法標記的經標記貴重寶石
本發明涉及包括寶石和珠寶在內的固態物品，並且更具體地說，涉及其標記。
在寶石鑒別以及鑽石質量分級和分析中，從垂直于寶石或鑽石的頂表面的俯視圖進行觀察和評估提供了如由包括美國寶石學協會(Gemological Institute of America Inc.，GIA)、國際寶石學協會(International Gemological Institute，IGI)、英國寶石學會(The Gemological Association of Great Britain，Gem-A)、中國國家寶石檢驗中心(National Gemstone Testing Center, China，NGTC)等在內的國際標準實驗室在報告中所證明的有關淨度和切工的相關證據和信息。
從消費者的角度，可以利用一些參數，例如對於鑽石，通常利用閃亮度(flashing brightness)，稱為例如“亮光(brilliance)”(由 鑽石所反射光的總量)或“火彩(fire)”(光分散成不同顏色的光)，這些參數通常是從鑽石的頂表面以及從頂部檯面(top table)觀察或鑒賞的。
為商業和安全性的目的，寶石或鑽石的重要參數，例如指示質量、分級、切工、產地等的參數，是與寶石或鑽石相關聯的。
在市場內，有若干可以用來標記寶石或鑽石的方式，包括例如ForevermarkTM，這是在寶石或鑽石上的標記或刻字。
然而，當利用常規顯微鏡或小型放大鏡並且在正常的室內光照條件下觀察如此標記的寶石或鑽石時，這些標記會影響鑽石的亮光或火彩。
本發明的一個目的是提供一種對包括寶石或鑽石在內的固態物品進行標記的方法，所述方法至少改善了如與現有技術有關的至少一些缺點。
在第一方面，本發明提供一種在物品的表面的拋光刻面的一部分上的可鑒別標記，所述可鑒別標記通過光學放大觀測裝置可識別的，所述可鑒別標識包含由多個離散的納米尺寸的凹進或突出的實體的二維或三維點陣所形成的納米結構，其中所述實體是以預定佈置彼此相關地佈置於所述拋光刻面的預先界定的區域內，並且使得在所述物品的所述刻面與空氣之間形成外部界面表面並且在所述物品的所述刻面與空氣之間形成內部界面表面；其中所述實體的所述預定佈置是不均勻並且非週期性的佈置，並且其中所述實體經大小設定和經形狀設定從而在發生入射光反射時造成光散射，並且所述內部界面表面到所述外部界面表面的距離大於所述刻面拋光的刻面的非標記部分的幅值，由此在與所述點陣呈預定入射角度具有一種或多種預定波長的入射光 被所述點陣反射時，誘導由所述點陣散射光所引起的干涉，使得所述反射光具有強度變化，從而提供具有一種或多種波長的一種或多種局部最大值；並且所述標記是借助於以必要的觀測角度傾斜的光學放大觀測裝置可識別的，由此檢測到局部最大值。
納米尺寸的離散實體的二維或三維點陣優選是由納米製造法形成的。納米製造法可以包括聚焦離子束、深層UV(紫外)激光束、濕法化學蝕刻、離子等離子體蝕刻、用於等離子體蝕刻工藝的不同縱橫比的蔭罩等，或其任何組合。
在本發明的一個實施例中，二維或三維點陣可以通過聚焦離子束並且借助於聚焦離子束光點大小和劑量的動態控制變化來形成。
優選地，所述點陣的實體的間距在10nm到900nm範圍內，離散實體具有在1nm到899nm範圍內的最大橫向尺寸，並且外部界面表面與內部界面表面之間的標準距離在1nm到200nm範圍內。
二維或三維點陣優選提供至少一個具有借助於所述光學放大觀測裝置可觀測的兩個或兩個以上顏色特徵的可鑒別標記。
優選地，所述光學放大觀測裝置的必要的觀測角是在法線到所述拋光刻面的方向上。
所述點陣優選是提供於約400 μm×400 μm的區域內，並且所述刻面的非標記部分優選具有小於約1nm的平均表面粗糙度。
優選地，所述一個或多個局部最大值的強度與來自所述刻面的非標記部分的任何反射的信號的強度的比率大於數量階為102的值。
優選地，所述一個或多個局部最大值的強度與來自所述刻面的非標記部分的任何反射的信號的強度的比率大於數量階高達103的值。
所述標記是優選借助於大於10x放大倍率的放大倍率可觀測的。
優選地，強度變化是通過人眼或光學攝像機由來自所述刻面的非標記部分的任何反射的信號可辨識的。
所述二維或三維點陣的凹進實體或突出實體是呈規則或不規則形狀的孔、點、圓盤、柱等。
納米尺寸的離散實體可以按呈圓形佈置的點陣、呈螺旋形佈置的點陣、呈正方形佈置的點陣、呈三角形佈置的點陣、呈六邊形佈置的點陣、呈碎片形佈置的點陣或其多種組合的形式提供。
優選的，具有由衍射光引起的強度變化的局部最大值為來自入射光的衍射的+/-1階光、+/-2階光或+/-3階光。
所述入射光是可以為單色或全色的入射光，並且可以為多種波長。優選地，入射光是平行並且相干的光。
優選地，以個別指定角度(θ)入射的單一或多波長單色光的組合與作為品牌或質量標記的不同顏色組合形成一種標記。
所述標記優選是在寶石的拋光刻面上，並且所述寶石可以選自包括鑽石、紅寶石、藍寶石、綠寶石、珍珠、玉、電氣石等的群組。
在第二方面，本發明提供一種在其上具有根據第一方面的可鑒別標記的物品。
優選地，所述物品是寶石，並且所述寶石可以選自包括鑽石、紅寶石、藍寶石、綠寶石、珍珠、玉、電氣石等的群組。
在第三方面，本發明提供一種在物品的表面的拋光刻面的一部分上提供由光學放大觀測裝置可識別的可鑒別標記的方法，所述方法包括以下步驟：在物品的刻面的一部分上形成由多個離散的納米尺寸的凹進或突出的實體的二維或三維點陣的納米結構，其中所述實體是以預定佈置彼此相關地佈置於所述刻面的預先界定的區域內，並且由此在所述物品的所述刻面與空氣之間形成外部界面表面並且在所述物品的所述刻面與空氣之間形成內部界面表面；其中所述實體的所述預定佈置是不均勻並且非週期性的佈置；其中所述實體經大小設定和經形狀設定從而在發生入射光反射時造成光散射，並且所述內部界面表面 到所述外部界面表面的距離大於所述刻面拋光的刻面的非標記部分的幅值，由此在與所述點陣呈預定入射角度具有一種或多種預定波長的入射光被所述點陣反射時，誘導由所述點陣散射光所引起的干涉，使得所述反射光具有強度變化，從而提供具有一種或多種波長的一種或多種局部最大值；並且其中所述標記是借助於以必要的觀測角度傾斜的光學放大觀測裝置可識別的，由此檢測到局部最大值。
納米尺寸的離散實體的二維或三維點陣可以由納米製造法形成，並且所述納米製造法可以包括聚焦離子束、深層UV(紫外)激光束深層、濕法化學蝕刻、離子等離子體蝕刻、用於等離子體蝕刻工藝的不同縱橫比的蔭罩等，或其任何組合。
在本發明的一個實施例中，二維或三維點陣可以通過聚焦離子束並且借助於聚焦離子束光點大小和劑量的動態控制變化來形成。
優選地，所述點陣的實體的間距在10nm到900nm範圍內，離散實體具有在1nm到899nm範圍內的最大橫向尺寸，並且外部界面表面與內部界面表面之間的標準距離在1nm到200nm範圍內。
在本發明的一個實施例中，二維或三維點陣提供了至少一個具有借助於所述光學放大觀測裝置可觀測的兩個或兩個以上顏色特徵的可鑒別標記。
優選地，所述點陣是提供於約400 μm×400 μm的區域內。
所述二維或三維點陣的凹進實體或突出實體可以呈規則或不規則形狀的孔、點、圓盤、柱等，並且可以呈圓形點陣、螺旋形點陣、正方形點陣、三角形點陣、六邊形點陣、碎片形點陣或其多種組合的形式提供。
優選地，所述物品是寶石，並且可以選自包括鑽石、紅寶石、藍寶石、綠寶石、珍珠、玉、電氣石等的群組。
在第四方面，本發明提供一種物品具有在其表面的拋光刻面的一 部分上形成的可鑒別標記，其中所述可鑒別標記是根據在第三方面的方法而形成。
在另一方面，本發明提供一種觀測在物品上的根據第二方面的可鑒別標記的方法，所述方法包括以下步驟：以與可鑒別標記呈預定入射角度提供入射光，所述入射光具有一種或多種預定波長；及借助於光學觀測裝置以所述必要的觀測角度觀測所述可鑒別標記，由此檢測到局部最大值。
在另一方面，本發明提供一種用於觀測在物品上的根據第二方面的可鑒別標記的系統，所述系統包含：入射光的光源，所述入射光與所述可鑒別標記呈預定入射角度並且具有一種或多種預定波長；及觀測裝置，其用於借助於光學觀測裝置以所述必要的觀測角度觀測所述可鑒別標記，由此檢測到局部最大值。
101‧‧‧頂部介面
102‧‧‧週期P
103‧‧‧距離h
104‧‧‧側壁
105‧‧‧底部介面
200‧‧‧規則和對稱陣列
201‧‧‧納米孔
301‧‧‧圓形
302‧‧‧顏色較淺區域
401‧‧‧介面
402‧‧‧單色光線
403‧‧‧反射光線
404‧‧‧反射光線
405‧‧‧反射光線
406‧‧‧透射的光線
407‧‧‧透射的光線
408‧‧‧透射的光線
1000‧‧‧寶石刻面表面
1001‧‧‧可鑒別標記
1010‧‧‧寶石刻面表面
1011‧‧‧可鑒別標記
1012‧‧‧可鑒別標記
1100‧‧‧寶石刻面表面
1101‧‧‧第一可鑒別標記
1102‧‧‧第二可鑒別標記
1200‧‧‧表面
1210‧‧‧標記
1220‧‧‧實體
1230‧‧‧中斷
1300‧‧‧標記
1310‧‧‧實體
1320‧‧‧最小深度(藍色)
1330‧‧‧頂表面(紅色)
1400‧‧‧寶石刻面
1401‧‧‧頂表面
1402‧‧‧離子束
1403‧‧‧離子束
1404‧‧‧離子束
1405‧‧‧離子束
1406‧‧‧相互作用截面
1407‧‧‧相互作用截面
1408‧‧‧相互作用截面
1409‧‧‧相互作用截面
1410‧‧‧位置
1411‧‧‧位置
1412‧‧‧位置
1413‧‧‧深度位置
1414‧‧‧深度位置
1415‧‧‧深度位置
1416‧‧‧深度位置
1417‧‧‧間距
1418‧‧‧間距
1419‧‧‧間距
現將僅借助於實例並且參照附圖來描述本發明的實施例和詳情，其中：圖1至圖9通過理論和技術說明以及理論實驗結果描述了根據本發明所利用的光衍射特性的一般背景及其一般說明，所述實驗結果證實了這些衍射特性的使用，並且圖10至圖14描述並說明本發明的實施例通過使用實體點陣呈不均勻且非週期性的佈置來向固態材料提供一個可鑒別標記。
圖1是納米孔或納米點陣列的截面圖的示意圖提供根據本發明進行標記時所利用的光衍射特性的理論背景及其一般說明；圖2描繪了在7,150X放大倍率下的掃描電子顯微鏡檢查(scanning electron microscopy，SEM)圖像；圖3描繪了在80,000X放大倍率下納米孔的掃描電子顯微鏡檢查 (SEM)圖像；圖4A是在寶石與空氣或鑽石與空氣界面處入射到納米孔或納米點陣列上的單色光線的示意圖；圖4B顯示單色光的經計算衍射角度和衍射效率隨其在寶石與空氣或鑽石與空氣界面處的納米孔或納米點陣列上的入射發射角而變化的曲線圖；圖5是描繪當在與具有標記的刻面正交的光軸處觀察標記時，具有不同波長的單色入射光的入射發射角對寶石與空氣或鑽石與空氣界面處納米孔或納米點陣列的週期性的依賴性的曲線圖；圖6是描繪當在與具有標記的刻面正交的光軸處觀察標記時，具有不同波長的單色入射光的經計算衍射效率對寶石與空氣或鑽石與空氣界面處納米孔或納米點陣列的週期性的依賴性的曲線圖；圖7是描繪當在與具有標記的刻面正交的光軸處觀察標記時，單色入射光的經計算衍射效率和入射發射角取決於單色入射光的波長的曲線圖；圖8是顯示當在與具有標記的刻面正交的光軸處觀察標記時，對於具有不同折射率的寶石，經計算衍射效率取決於寶石與空氣界面處納米孔或納米點陣列的物理深度(physical depth)的曲線圖；圖9是描繪當在與具有標記的刻面正交的光軸處觀察根據本發明的標記時，相比周圍未處理表面粗糙度亮度顯著增加並且增強的顏色標記的開-關比對比度隨寶石與空氣界面處納米孔或納米點陣列的物理深度而變化的曲線圖；圖10A是在與刻面正交的光軸處觀測的根據本發明標記的寶石刻面表面的一個實例的示例性照片示意圖，其中所述寶石刻面表面具有亮度顯著增加並且增強的顏色標記，所述標記具有實體點陣呈不均勻且非週期性的佈置，其中標準白光(左圖)作為關斷狀態； 圖10B描繪了根據本發明同時利用標準白光加上強烈的綠色單色光(右圖)作為打開狀態的圖10A的寶石刻面表面的寶石刻面表面；圖10C是在與刻面正交的光軸處觀測的根據本發明標記的寶石刻面表面的另一實例的照片表示，其中所述標記具有實體點陣呈不均勻且非週期性的佈置，其中標準白光(上圖)作為關斷狀態；圖10D描繪了根據本發明同時利用標準白光加上強烈的紅色單色光(下圖)作為打開狀態的圖10C的寶石刻面表面的寶石刻面表面；圖11是在與刻面正交的光軸處觀測的根據本發明標記的具有雙色標記的寶石刻面表面的照片表示，其中所述標記具有實體點陣呈不均勻且非週期性的佈置，其中標準白光加上強烈的綠色和紅色單色光同時作為打開狀態；圖12A是本發明一個實例的照片表示，描繪了在與刻面正交的光軸處的寶石刻面表面，其中標準白光加上強烈的紅色單色光同時(下圖)作為打開狀態；圖12B是原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)掃描結果，顯示了如圖12A中所示的根據本發明的三角形有色標記的形態；圖12C是在如圖12B中所示的根據本發明的相關三角形有色標記的中間處關注區域(Region of Interest，ROI)的AFM掃描，顯示了不規則/非週期性間隔的實體的點陣；圖12D是圖12C的ROI的更詳細的AFM掃描，顯示了具有任意間距和形狀的根據本發明的不規則/非週期性間隔的實體的點陣；圖13A是類似於圖12D的詳細AFM掃描，顯示了如與左上角處所示的X-Y軸相同的根據本發明的具有任意間距和形狀的不規則/非週期性間隔的實體的點陣；圖13B是圖13A的顏色轉換的AFM掃描，其中從藍色到紅色的彩虹色範圍表示從最小深度(藍色)到頂表面(紅色)的形態變化，並且 清楚地顯示了根據本發明在X軸和Y軸上具有不規則/非週期性間隔的實體的點陣的呈任意形狀的構造；圖13C是圖13B的3D輪廓圖，描繪了根據本發明，因呈任意形狀以及不規則/非週期性間隔的實體的點陣引起的形態變化；及圖14是根據本發明，橫穿寶石刻面的頂表面以製造沿Y軸具有各種間距並且沿Z軸具有各種深度的實體的聚焦離子束的示意性表示。
本發明涉及施加到固態材料的信息標記，所述固態材料包括寶石，包括鑽石、紅寶石、藍寶石、綠寶石、珍珠、玉、電氣石等，以及例如矽等其它此類固態材料，所述信息標記可以施加到此類固態材料，例如施加到寶石的拋光刻面，並且是裸眼不可見的並且當在正常光照條件下利用典型的配備顯微鏡的攝像機時是不可見的。
本發明是通過以下方式實施：借助於高能束或反應性離子蝕刻，以不影響寶石或鑽石的淨度等級和亮光或火彩的方式形成具有納米尺寸的深度的標記。
所述標記可以是任何標記或標誌，並且其實施方式應使得不會有損於例如寶石或鑽石等固態材料的價值或外觀，並且優選不應展現黑化，因為寶石和鑽石通常是針對其光學特性以及稀有性和所感覺的美麗來定價的。
本發明是通過以下方式實現：在對寶石的表面進行標記時，於納米尺度範圍的陰影深度內的納米尺寸的週期性結構的點陣施加光學衍射特性。此類衍射特性誘導與反射光有關的干涉，由此使反射光具有強度變化，從而提供一個或多個局部最大值。這允許應用鑒別標記，其在正常光照明下裸眼不可見，由此所述標記可以借助于納米製造技術(例如聚焦能量束或反應性離子蝕刻)施加於固態材料(例如寶石 的拋光刻面)，而不會有損于寶石的淨度或色彩等級。
由於光學極限中的瑞利準則(Rayleigh Criterion)，深度為數納米的單一或隨機佈置的數百個納米尺寸的結構即使通過高放大倍率光學顯微鏡，也無法在可見光範圍下通過光學進行識別。
因此，可以在指定的預定條件下觀測呈納米尺寸的週期性結構點陣的本發明的通常光學不可見的標記，而所述標記在可見光範圍下仍是不可見的。
通過使用聚焦離子束來提供標記，本發明允許在由離散實體的二維或三維點陣形成的固態材料上產生標記結構，其中所述實體是呈不規則的、非週期性的並且不對稱的佈置。
借助於這些實體不規則的、非週期性的並且不對稱的佈置，本發明允許比現有技術更複雜的標記，並且易於由相同的單一標記反射超過一種顏色的光。此外，本發明的使用允許產生大小、形狀、幾何結構及間距可以變化的標記結構，由此允許更複雜的標記以及可觀測到多種有色組分。
參看圖1到9，通過理論和技術說明以及理論實驗結果描述了根據本發明所利用的光衍射特性的理論背景及其一般說明，所述實驗結果證實了這些衍射特性的使用。雖然這些附圖顯示有規則陣列形成的實體，這是為了說明的目的，並不是對本發明作出限制。
參看圖10到14，提供了通過使用實體點陣呈非週期性且不對稱的佈置來向固態材料提供可鑒別標記的本發明的實例及其說明。
參看附圖的圖1、圖2及圖3，舉例說明並描述了本發明的屬性所呈現的現象。本發明涉及光學衍射特性的應用以及由此在具有相等間距P102的納米尺寸的結構陣列中引起的干涉，所述間距定義為如在圖1中以固態材料到空氣處的納米孔或納米點陣列的橫截面圖或在本發明實例中在示例性標記的刻面表面上的鑽石與空氣界面所描繪和說明的 週期(period)。再一次這些附圖(圖1、圖2及圖3)顯示一個具有間距相等的恆定週期的有規則陣列的形成，這是為了說明的目的，並不是對本發明作出限制。
應注意，取決於頂部界面101(作為外部界面表面)與底部界面105(作為內部界面表面)之間的縱橫比，納米孔或納米點的橫截面圖可以為可互換的。固態材料(例如寶石或鑽石)與空氣之間的頂部界面101與底部界面105之間的距離h 103定義為孔深度或點高度。
本領域技術人員應明白，納米孔或納米點的側壁104不局限於與頂部界面101(作為外部界面表面)或底部界面105(作為內部界面表面)垂直的直壁，而是可以在傾斜度、幾何或形狀方面有所變化，其變化的程度使得所述變化不會改變所描述的發明的功能方面。
本領域技術人員應瞭解，在常規光學顯微鏡下直接研究納米結構的尺寸和結構信息會因為光學極限中的瑞利準則而變得複雜。
利用SEM(掃描電子顯微鏡)技術，可以分別在例如7,150X放大倍率下(如圖2中所示)以及80,000X放大倍率下(如圖3所示)觀測並測量納米製造的結構。
在圖2中，通過有關本發明的屬性的現象的說明，顯示出在80,000倍放大倍率下，清楚地觀測到納米孔201的規則和對稱陣列200，表明納米孔具有約180nm直徑和約300nm週期，而在圖3中，顏色較淺區域302被視為頂部界面101(作為外部界面表面)並且顏色變深的圓形301被視為底部界面105(作為內部界面表面)，其中頂部界面101和底部界面105是參照圖1定義。
圖4A說明了在空氣與寶石或空氣與鑽石界面之間的界面401處的納米尺寸的週期性結構所發生的衍射的影響，其中n1表示空氣介質的折射率，而n2表示固態材料或空氣的介質的折射率。入射的單色光線402產生強度變化的多個不同反射光線403到405，從而因所誘導的干 涉而引起局部最大值(其中θn偏離法線軸)；及透射的光線406到408，其中Φn偏離法線軸，其中對於相應衍射階(diffractive order)n=-2、-1、0、1或2及由此引起的相應局部最大值。
在實例中設定與寶石或鑽石的頂部刻面正交的觀測點來代替在空氣介質中的0階衍射光403，可以採用-+/-1階404和+/-2階405反射光線在寶石或鑽石或其他固態物質上實現本發明。
在這一點處，採用了-1階衍射光線404來進行計算(如圖4B到圖9中所示)並得到實驗結果(如圖10A、圖10B及圖11中所示)，其中本發明的實施例示於圖10A、圖10B及圖11中並進一步說明如下。然而，本領域技術人員應瞭解，在不偏離本發明的情況下，可以替代性地利用其它觀測點進行替代性觀測。
參看圖4B，對於固定週期P 102(參照圖1定義)的納米孔或納米點的點陣以及固定波長的單色入射光，通過以分析方法將麥克斯韋方程(Maxwell's equation)轉換成無窮的代數方程求解，然後消除高階項並以有限的收斂精度求得數字解並繪製曲線，來計算-1階衍射光線404的衍射效率和衍射角度。
在本實例中，如果反射光通常是在單色光的入射發射角為約36度時進行觀測，那麼-1階404所需的衍射角度應與納米孔或納米點陣列的法線軸呈零度，並且衍射效率也為入射單色光強度的約0.8%。
當將-1階衍射光404的觀測角固定成與寶石或鑽石的頂部刻面正交時，接著對入射光402的發射角進行計算，其特別取決於單色入射光402的波長以及在寶石與空氣或鑽石與空氣界面處納米孔或納米點陣列的週期性，其中在此計算中應用405nm(可見藍色)、532nm(可見綠色)及650nm(可見紅色)波長，其中結果如圖5中所描繪。
參看圖6，評估並繪出了具有不同波長的單色入射光402的衍射效率對於納米孔或納米點陣列的週期性的依賴性(參照圖4A定義)。
結果證實，較短波長的單色入射光402可以提供增強的衍射效率，使405nm藍色單色入射光的衍射效率達到在相同納米結構週期P 102(參照圖1定義)下計算的650nm紅色單色入射光的至少兩倍。
參看圖7，顯示作為替代方案，通過固定納米孔或納米點的點陣的週期102(參照圖1定義)，單色入射光402(參照圖4A定義)的衍射效率和入射發射角取決於單色入射光的波長。
通過評估，證實單色入射光的波長越短，則衍射效率越高，但入射發射角越小。
參看圖8，另一關鍵參數可以決定衍射效率是物理深度103(參照圖1定義並說明)
寶石與空氣界面處納米孔或納米點陣列的，其中寶石或鑽石的折射率也起到重要作用。如所證實的，當納米孔或納米點的深度103從1nm變為50nm時，衍射效率急劇增加，約為103階，而當寶石的折射率值具有0.84的變化時，存在約8倍的增強。
參看圖9並且在本發明中，出於說明的目的，由納米孔或納米點陣列誘導的干涉所引起的衍射所致的反射光強度與背景面積強度的比率稱為開關比對比度(On-Off Ratio contrast)。
通過關於本實例進行的上述計算結果的優化，由周圍未處理表面粗糙度隨寶石與空氣界面處納米孔或納米點陣列的物理深度的變化的相關標記的開關比對比度的優選計算結果提供了高達103階對比度值差異。
然而，本領域技術人員應瞭解，當通過單色入射光402照明時，供標記的刻面的未處理表面粗糙度是特定顏色的標記的最終開關比的決定因素，其中粗糙化表面起到分散單色入射光402的作用(參照圖4A定義)並且可能與觀察相關標記干涉，因此可能降低了開關比對比度。
參看圖10A和圖10B，顯示了本發明一個實例的示例性放大的照片示意圖，其中顯示了具有根據本發明的可鑒別標記1001的寶石刻面表面1000，其中所述可鑒別標記是提供於藍寶石上。可鑒別標記1001已經以於非週期性和不規則結構點陣中的多個離散的納米尺寸的凹進或突出實體的點陣形式提供於寶石刻面表面1000。根據本發明，這些實體是以預定佈置彼此相關地佈置於所述刻面的預先界定的區域內。
如圖10A中所示，所述表示描繪了具有處於關斷狀態的可鑒別標記1001的寶石刻面表面1000，其中當在與寶石刻面表面1000正交的光軸處觀測時，將標準白光施加於單色入射光並施加於寶石刻面表面1000。相比之下，如圖10B中所示，所述表示描繪了寶石刻面表面1000，其中同時施加了標準白光加上強烈的綠色單色光(532nm)，並且描繪的可鑒別標記1001是呈打開狀態，具有顯著增加並且增強的亮度。如圖10A中所描繪，當可鑒別標記1001處於打開狀態時，並且當以灰階形式再現時，呈打開狀態的可鑒別標記1001被描繪為相對於寶石刻面表面1000變暗的部分。
參看圖10C和圖10D，顯示了本發明另一實例的示例性放大的照片示意圖，其中顯示了具有兩個根據本發明的可鑒別標記1011和1012的寶石刻面表面1010，其中所述可鑒別標記是提供於藍寶石上。可鑒別標記1011和1012已經以具有非週期性和不規則結構的多個離散的納米尺寸的凹進或突出實體的點陣形式提供於寶石刻面表面1010。根據本發明，這些實體是以預定佈置彼此相關地佈置於所述刻面的預先界定的區域內。
如圖10C中所示，描繪了具有處於關斷狀態的可鑒別標記1011和1012的寶石刻面表面1010，其中當在與寶石刻面表面1010正交的光軸處觀測時，將標準白光施加於單色入射光並施加於寶石刻面表面1010。
相比之下，如圖10D中所示，所述示意圖描繪了寶石刻面表面1010，其中同時施加了標準白光加上強烈的紅色單色光(650nm)，並且描繪的可鑒別標記1011和1012是呈打開狀態，具有顯著增加並且增強的亮度。如圖中所描繪，當可鑒別標記1011和1012處於打開狀態時，並且當以灰階形式再現時，呈打開狀態的可鑒別標記1011和1012被描繪為相對於寶石刻面表面1010變暗的部分。
如圖10D中所描繪，圖像顯示，處於打開狀態時兩個單獨的顏色標記1011和1012可以同時被點亮。
如圖10B和圖10D中所示，在單色光分別入射到對應地在藍寶石表面1000和1010上的相關標記1001及1011和1012上之後顯示出高開關比對比度表現。圖10B和圖10D還顯示可能被視為嚴重表面粗糙度以及散射器的明顯拋光的線，並且其中相關標記可以被設計成具有任何任意的形狀或字符。
參看圖11，描繪了本發明一個實例的放大的照片示意圖。在本實例中，顯示了具有多個第一可鑒別標記1101和多個第二可鑒別標記1102的寶石刻面表面1100。
根據本發明，所述多個第一可鑒別標記1101是通過具有非週期性和不規則結構的多個離散的納米尺寸的凹進或突出的實體的點陣形成，並且所述多個第二可鑒別標記1102是通過具有非週期性和不規則結構的多個離散的納米尺寸的凹進或突出的實體的點陣形成。
如所示，在施加標準白光加上強烈的綠色單色光(532nm)以及加上強烈的紅色單色光(650nm)時，所述多個第一標記1101和所述多個第二標記1102是呈打開狀態，具有顯著增加並且增強的亮度，其中所提供的複合標記具有兩種獨特並且不同的顏色。如圖11中所描繪，當所述多個第一標記1101和所述多個第二標記1102處於打開狀態時，並且當以灰階形式再現時，呈打開狀態的可鑒別標記1011和1012 被描繪為相對於寶石刻面表面1110變暗的部分，
有利地歸因於如本發明圖11的實例所顯示，通過應用上述計算結果和實驗結果可以提供多色標記，並且多色標記可以通過適當地控制光的入射角度，以及在寶石與空氣或鑽石與空氣界面處納米孔或納米點的點陣的實體的參數及其深度來觀測。因此，可以提供商標或質量標記，其亦可以保持審美要求。此外，出於安全性的目的，在相關實施例中，此類標記還可以通過僅在已知的光和觀測參數下可觀測複雜標記，由此對施加標記的特定物品提供獨有的標記。
參看圖12A到12D，進一步說明了根據本發明的納米尺寸的實體的點陣結構呈不均勻且非週期性的佈置，其中圖12B到12D是利用原子力顯微鏡檢查(AFM)得到的如圖12A中所描繪的根據本發明的標記的顯微鏡檢查示意圖。
圖12A是施加有根據本發明的標記1210的寶石刻面表面1200的照片示意圖，當與所述刻面的表面1200正交的光軸處通過光學顯微鏡，同時利用標準白光加上強烈的紅色單色光(下圖)觀測的，並且觀察呈打開狀態，其中當以灰階再現時，所描繪的標記1210相對於寶石刻面表面1200呈變暗的部分。
根據圖12A的標記1210的最低放大倍率和分辨率的AFM(如圖12B中所示)，使用AFM在一定放大倍率下顯示了50 μm×50 μm放大倍率的納米尺寸的實體1220的陣列，其提供了在此放大倍率下的初始外觀是呈相對規則的佈置並且具有相對類似的大小。
然而，如圖12C中所示並且描繪的，當通過減小掃描面積來增加有效放大倍率以使用AFM在一定放大倍率下觀測圖12A中所示的相關三角形有色標記的中間處的15 μm×15 μm圖像ROI(關注區域)時，其描繪並顯示了在沿標記的區域的所有方向上，由於納米尺寸的實體1220具有任意的間距和形狀，而存在獨特的中斷1230與實體1220 的連續，並因此，這些實體的分佈是不規則的、非週期性的並且不對稱的。
根據本發明的實體1220的此類不規則、非週期性並且不對稱的佈置和分佈進一步如圖12D中所描繪和例示，其中使用AFM的放大倍率是在圖12A中所示的相關三角形有色標記1210的中間處的3.5 μm×3.5 μm圖像ROI(關注區域)。
參看圖13A、13B及13C，顯示了根據本發明施加於物品上的標記1300的一個實例的AFM掃描，其中形成標記1300的實體1310是任意形狀並且不規則/非週期性間隔的實體1310。
參看圖13A，顯示出詳細AFM掃描，描繪了具有沿著左上角所示的X-Y軸的任意間距和形狀的不規則/非週期性間隔的實體1310的點陣，提供了根據本發明施加於物品上的標記1300的一個實例。
參看圖13B，顯示了圖13A的掃描的顏色轉換，其中從藍色到紅色的彩虹色範圍表示當以灰階再現時如由顏色較深的部分表示的最小深度(藍色)1320到當以灰階再現時如由顏色較淺的部分表示的頂表面(紅色)1330的形態變化，並且清楚地顯示了在X軸和Y軸上具有不規則/非週期性間隔的實體1310的呈任意形狀的構造和佈置(無週期性)。
參看圖13C，顯示了圖13B的標記的3D輪廓圖，證實了由任意形狀和不規則/非週期性間隔的實體引起的形態變化。顯示了當以灰階再現時如由較深部分表示的最小深度(藍色)到當以灰階再現時如由較深部分表示的頂表面(紅色)的高度/深度變化，其中在此情形中納米尺寸的實體1330具有30nm的範圍。
如圖13A、13B及13C所顯示和證實，形成標記1300的納米尺寸的實體具有在三維上是動態的大小、形狀、間距及深度，證實納米尺寸的實體1330是以不規則/非週期性點陣佈置。
在本發明的實例中，通過隨聚焦離子束保持時的時間和位置控制聚焦離子束路徑，來實現具有任意形狀和不規則/非週期性間距的離散實體1330的製造。
本領域技術人員應瞭解，在不偏離本發明的範圍的情況下，根據本發明，可以使用其它納米製造法，包括聚焦離子束、深層UV(紫外)激光束、濕法化學蝕刻、離子等離子體蝕刻、用於等離子體蝕刻工藝的不同縱橫比的蔭罩等，或其任何組合。
參看圖14，顯示了橫穿寶石刻面的頂表面以製造沿Y軸具有各種間距並且沿Z軸具有各種深度的實體的聚焦離子束的示意圖。
聚焦離子束經控制以沿Y軸從左到右隨時間照射在物品(在此表示中，其可以為寶石刻面1400)的頂表面1401上，分別以位置1410、1411、1412及1413處的離子束1402、1403、1404及1405說明，其中離子束條件，例如加速電壓、探針電流和劑量等與時間無關。
又，如本領域技術人員所瞭解，在不偏離本發明的範圍的情況下，根據本發明，可以使用其它納米製造法，包括聚焦離子束、深層UV(紫外)激光束、濕法化學蝕刻、離子等離子體蝕刻、用於等離子體蝕刻工藝的不同縱橫比的蔭罩等，或其任何組合。
在本發明的示例性示意圖中，位置1410、1411、1412及1413可以如下產生：(i)在Y軸中離子束(i)位置=所需的一般間距(nm)+允許的變化範圍(nm)×隨機發生器(Random Generator)(-1到1)其中：i是照射在寶石1400刻面的表面1401上的離子束的計數，所需的一般間距可以在200nm到900nm範圍內，並且允許的變化範圍可以在所需的一般間距的10%到50%的範圍內。
在本實例中，離散實體的任意形狀、深度/高度及X-Y尺寸是通過 改變沿Z軸1413、1414、1415及1416的離子束的停留時間以及離子束保持在某一位置的每一時刻的聚焦位置來控制。
停留時間可以如下產生：(ii)離子束(i)停留時間=希望的一般停留時間(μs)+允許的變化範圍(μs)×隨機發生器(-1到1)其中所需的一般停留時間可以在0.1 μs到100 μs範圍內，並且允許的變化範圍可以在所需的一般停留時間的10%到50%的範圍內。
相對于寶石1400的刻面的頂表面1401，離子束所聚焦的深度位置1413、1414、1415及1416可以產生如下：(iii)離子束(i)在Z軸中的位置=所需的一般深度(nm)+允許的變化範圍(nm)×隨機發生器(0到1)其中所需的一般深度可以在0nm到100nm範圍內，並且允許的變化範圍可以在所需的一般間距的10%到50%的範圍內。
所產生的離子束在Y軸和Z軸的位置和停留時間的參數可提供作為聚焦離子束跟隨並照射在固態物質的頂表面1401(如寶石1400的刻面)上的路徑清單。
因此，在製造每一實體時，在聚焦離子束照射的每一位點處，相互作用截面1406、1407、1408及1409以及相互作用體積將彼此獨立。另外，由於具有不規則/非週期性間隔並且成形的實體形成不對稱點陣，故實體之間的間距1417、1418及1419沿X-Y平面而變化(如圖13中所示)。
本發明提供一種標記和其形成方法，其可以施加于寶石的刻面或其他固態物質，而不會有損於施加所述標記的寶石的光學特性。
這些標記可以用於分級目的、安全性目的、表示寶石的產地、擁有權等。
本領域技術人員應瞭解，不同波長的光允許將多種顏色外觀施加于寶石，由此提供任何必要的示意”
本領域技術人員還應瞭解，可以對標記施加多種不同的幾何屬性，例如規則或不規則形狀的孔、點、圓盤、柱等、圓形陣列、螺旋形陣列、正方形陣列、三角形陣列、六邊形陣列、碎片形陣列、多個週期或其組合。
以下突出了本發明的益處，其中本發明提供了優於現有技術的多個優勢，由此允許獲得現有技術無法實現的益處。
本發明允許提供一種標記結構，所述標記結構不借助於凹槽或不包括或需要週期性，而是離散的實體點陣呈不均勻且非週期性的佈置，其允許進行更複雜的標記，並且易於由所述單一標記反射超過一種顏色的光。
此外，本發明的使用允許產生大小、形狀、幾何結及間距可以變化的標記結構，由此允許更複雜的標記以及可觀測到多種有色組分。
因此，根據本發明的實例或實施例的優勢可以包括如下優勢：(i)更複雜的標記，(ii)反射超過一種波長的光，及(iii)較少的製造步驟，從而提供了更有效的標記工藝。
相比現有技術，本發明的實施例(例如，使用聚焦離子束來提供標記)去除了需要使用氧化劑的步驟的必要性。
本發明提供去除這一步驟為了省卻或去除許多不良的生產、職業保健及安全性和環境間題，包括去除了對於現有技術中使用的典型化學品熔融硝酸鉀的需求，其包括：(i)更低的成本， (ii)沒有暴露於例如化學品的煙霧的健康風險，從而，增加了職業保健和安全性，(iii)沒有硝酸鉀引起的***風險，(iv)沒有熔融硝酸鉀的處置相關風險(disposal related risk, OHS)和加工，再次增加了職業保健和安全性，及(v)沒有與加工熔融硝酸鉀的處置成本相關的成本。
本發明的標記只能在適合的顯微鏡物鏡放大倍率下從固態物質包括寶石或鑽石的標記刻面的預定方向，優選正交方向，通過以指定角度入射的單色光進行觀測，其中入射的單色或全色光是強烈的，不過若入射光是平行並且想幹的，那麼可獲得較強的圖像對比度。
本發明不同於例如美國專利US6,391,215等現有技術的技術，其中進入顯微鏡物鏡的光是除0階或直接反射光外的任何衍射光。
此外，本發明在寶石標記領域中應用衍射光學特性方面與本領域中的其它技術不同，其中現有技術是針對增強在正常光照下寶石或鑽石的光學特徵(美國專利編號：US8,033,136 B2)以及寶石或鑽石的裝飾性和觀賞性(美國專利編號：US8,233,218 B1)。
相比之下，本發明的標記利用了通過衍射階得到的強開關對比度，從而導致由於干涉引起的強度變化，由未處理表面以例如通過標記不可見序列號或不可見商標或質量標記顯示出有關鑒別固態物質包括寶石的信息。
1100‧‧‧寶石刻面表面
1101‧‧‧第一可鑒別標記
1102‧‧‧第二可鑒別標記

Claims (16)

  1. 一種在物品的表面的拋光刻面的一部分上通過光學放大觀測裝置可識別的可鑒別標記，所述可鑒別標記包含：由多個離散的納米尺寸的凹進或突出的實體的二維或三維點陣所形成的納米結構，其中所述實體是以預定佈置彼此相關地佈置於所述刻面的預先界定的區域內，並且使得在所述物品的所述刻面與空氣之間形成外部界面表面並且在所述物品的所述刻面與空氣之間形成內部界面表面；其中所述實體的所述預定佈置是不均勻並且非週期性的佈置，並且其中所述實體經大小設定和經形狀設定從而在發生入射光反射時造成光散射，並且所述內部界面表面到所述外部界面表面的距離大於所述刻面拋光的刻面的非標記部分的幅值；由此在與所述點陣呈預定入射角度的具有一種或多種預定波長的入射光被所述點陣反射時，誘導由所述點陣散射光所引起的干涉，由此所述反射光具有強度變化，從而提供具有一種或多種波長的一種或多種局部最大值；並且所述標記是借助於以必要的觀測角度傾斜的光學放大觀測裝置可識別的，由此檢測到局部最大值。
  2. 根據權利要求1所述的可鑒別標記，其中所述點陣的所述實體的間距在10nm到900nm範圍內，所述離散實體具有在1nm到899nm範圍內的直徑，並且所述外部界面表面與所述內部界面表面之間的標準距離在1nm到200nm範圍內。
  3. 根據權利要求1或權利要求2所述的可鑒別標記所述的可鑒別標記，其中所述二維或三維點陣提供至少一個具有借助於所述光學放大觀測裝置可觀測的兩個或兩個以上顏色特徵的可鑒別標記。
  4. 根據前述權利要求中任一權利要求所述的可鑒別標記，其中所述刻面的所述剩餘表面部分具有小於約1nm的平均表面粗糙度。
  5. 根據前述權利要求中任一權利要求所述的可鑒別標記，其中所述強度變化是通過人眼或光學攝像機由來自所述刻面的非標記部分的任何反射的信號可辨識的。
  6. 根據前述權利要求中任一權利要求所述的可鑒別標記，其中所述二維或三維點陣的凹進部分或突出部分是呈規則或不規則形狀的孔、點、圓盤、柱等，並可以呈圓形佈置的點陣、呈螺旋形佈置的點陣、呈正方形佈置的點陣、呈三角形佈置的點陣、呈六邊形佈置的點陣、呈碎片形佈置的點陣或其多種組合的形式提供。
  7. 一種物品，在其上具有根據權利要求1到6中任一權利要求所述的可鑒別標記。
  8. 根據權利要求7所述的物品，其中所述物品是寶石，所述寶石選自包括鑽石、紅寶石、藍寶石、綠寶石、珍珠、玉、電氣石等的群組。
  9. 根據權利要求7或權利要求8所述的物品，其中所述點陣是提供於所述拋光刻面上的約400 μm×400 μm的區域內。
  10. 一種在物品的表面的拋光刻面的一部分上提供通過光學放大觀測裝置可識別的可鑒別標記的方法，所述方法包括以下步驟：提供有待施加所述可鑒別標記的物品；及在物品的刻面的一部分上形成由多個離散的納米尺寸的凹進或突出實體的二維或三維點陣形成的納米結構，其中所述實體是以預定佈置彼此相關地佈置於所述刻面的預先界定的區域內，並且其中所述實體的所述預定佈置是不均勻並且非週期性的佈置，其中所述實體經大小設定和經形狀設定從而造成光散射，以致此時發生入射光反射並且由此在所述物品的所述刻面與空氣之間形成外部界面表面並且在所述物品的所述刻面與空氣之間形成內部界面表 面；並且其中所述標記是借助於以必要的觀測角度傾斜的光學放大觀測裝置可識別的，由此檢測到局部最大值。
  11. 根據權利要求10所述的方法，其中所述納米尺寸的離散實體的二維或三維點陣是由納米製造法形成的，其中所述納米製造法是包括聚焦離子束、深層UV(紫外)激光束、濕法化學蝕刻、離子等離子體蝕刻、用於等離子體蝕刻工藝的不同縱橫比的蔭罩等，或其任何組合在內的方法。
  12. 根據權利要求10所述的方法，其中所述二維或三維點陣是通過聚焦離子束並且借助於所述聚焦離子束光點大小和劑量的動態控制變化來形成。
  13. 根據權利要求10或權利要求11所述的方法，其中所述物品是寶石，並且其中所述寶石選自包括鑽石、紅寶石、藍寶石、綠寶石、珍珠、玉、電氣石等的群組。
  14. 一種物品，所述物品具有在其表面的拋光刻面的一部分上形成的可鑒別標記，其中所述可鑒別標記是根據權利要求10到13中任一權利要求所述的方法而形成。
  15. 一種觀測根據權利要求7到9中任一權利要求所述的物品上的可鑒別標記的方法，所述方法包括以下步驟：以與所述可鑒別標記呈預定入射角度提供入射光，所述入射光具有一種或多種預定波長；及借助於光學觀測裝置以所述必要的觀測角度觀測所述可鑒別標記，由此檢測到局部最大值。
  16. 一種用於觀測根據權利要求7到9中任一權利要求所述的物品上的可鑒別標記的系統，所述系統包含：入射光的光源，所述入射光與所述可鑒別標記呈預定入射角度並且具有一種或多種預定波長；及 觀測裝置，其用於借助於光學觀測裝置以所述必要的觀測角度觀測所述可鑒別標記，由此檢測到局部最大值。
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