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Viele Gegenstände wie z.B. Geräte, Kunstgegenstände, Münzen (insbesondere antike Münzen), Computerchips, Elektronikartikel und Elektronikbausteine werden häufig gefälscht und zum Schaden der Kunden und der Hersteller auf den Markt geworfen. Während einfache Plagiate leicht zu erkennen sind, ist die Verwendung minderwertiger Elektronikkomponenten in Geräten wie z.B. Autos schwer zu erkennen und kann gravierende Konsequenzen für den Besitzer haben. Sicherungssysteme wie z.B. Barcodes, DNA Barcodes, Seriennummern sind relativ groß und leicht zu fälschen. Versteckte System wie DNA Barcodes sind zudem aufwändig auszulesen und für den Laien daher auch nicht verifizierbar. Gesucht wird hier ein System, das leicht herzustellen ist, leicht auszulesen ist und (weitgehend) fälschungssicher ist. Für viele Anwendungen muss das System zudem miniaturisierbar sein.
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Die Lösung dieser Probleme lässt sich folgendermaßen realisieren: In einer Trägerflüssigkeit werden kleine Partikel suspendiert (Mikropartikelzubereitung). Diese Suspension wird auf die zu markierenden Objekte gedruckt. In einer Ausführungsform ist dabei die Position auf dem Gegenstand, wohin der Partikelcode gedurckt wird, vorbestimmt (Z.B. linke obere Ecke, Rand, Zielstruktur). Durch das Eintrocknen der Flüssigkeit werden die Partikel in einer Trägermatrix immobilisiert. Diese wird im Folgenden als Partikelcode bezeichnet. Anschließend wird die Verteilung der Partikel in der Matrix elektronisch erfasst und abgespeichert (im nachfolgenden als Bild bezeichnet). Aus den elektronisch erfassten Daten wird dann ein elektronischer Code generiert (im weiteren als Zuordnungswert bezeichnet). Dieser Zuordnungswert kann dann in einer Datenbank gespeichert werden. Wird das markierte Objekt gescannt, wird von einer Software dieser Zuordnungswert erneut errechnet und mit dem gespeicherten Zuordnungswert verglichen. Bei Verdacht auf eine Manipulation kann dann das Bild des gedruckten Partikelcodes aufgenommen und mit dem Originalabbild verglichen werden.
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Die relative Fälschungssicherheit wird dadurch erzeugt, dass die Partikel in einer bestimmten Konzentration in der Trägerflüssigkeit vorliegen. So sind bevorzugt pro Partikelcode 5-50 Partikel eingesetzt, die bevorzugt nicht mehr als 5% der Fläche des Partikelcodes belegen. Die Verteilung der Partikel erfolgt zufällig. Insbesondere wenn wenige Partikel gedruckt werden, so erfolgt die Auswahl der gedruckten Partikel statistisch. D.h. bei einer Zielzahl von 10 Partikeln ist mit Verteilungen von 7-13 Partikeln zu rechnen, die sich an jeweils einer zufälligen Position der Markierung befinden. Aufgrund der zufälligen Verteilung ist es auch unmöglich solche Partikelcodes, außer in ganz besonderen Ausnahmefällen und nur mit hohem Aufwand, nachzumachen. Um eine möglichst statistische Verteilung der Partikel zu gewährleisten ist es vorteilhaft, wenn die Partikel so beschichtet sind, dass sie nicht zum Zusammenlagern neigen. Solche beschichteten Partikel sind kommerziell erhältlich und können z.B. durch durch Aufbringen von Carboxy- oder Glykolgruppen auf Polymerpartikel erzeugt werden.
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In einer Ausführungsform werden die Partikel in einer Lösung aufgebracht, die einen Lack enthält, der beim Eintrocknen die Partikel fixiert und/oder schützt. Dieser Lack kann organisch sein (z.B. Acrylatlack) oder anorganisch (z.B. Wasserglas). Besonders wichtig ist, dass ein solcher Lack in der Lage ist lange genug stabil zu bleiben. Zudem ist es von Vorteil, wenn der Lack eine andere optische Dichte als die Partikel hat und wenn der Lack für die Art oder Wellenlänge der Detektion durchlässig ist. Bei Lumineszenzmessungen ist es von Vorteil, wenn der Lack nicht mit Anregung und Detektion der Lumineszenz interferiert. Eine Interferenz kann z.B. dadurch stattfinden, dass der Lack in der gleichen Wellenlänge wie die Partikel fluoresziert. Für Detektion des Partikelcodes kann es hilfreich sein, wenn der Lack für die Kamera erkennbar ist. Dazu kann der Lack in eingefärbt sein. Farbe erstreckt sich dabei nicht nur auf den Bereich der Reflektion von Licht sondern auch auf den Bereich der Fluoreszenz. Die Farbe des Lacks darf dabei nicht mit der Detektion des Partikelcodes interferieren. Z.B. Lack fluoresziert gelb und die Partikel fluoreszieren rot.
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Partikel können verschiedene Größen und Eigenschaften haben. Für eine einfache Detektion sind Partikel von 30 µm Durchmesser (z.B. aus Polystyrol) geeignet. Für komplizierte Nachweise können die Partikel aber auch farbig oder bevorzugt fluoreszierend sein. Dabei sind anorganische Fluoreszenzfarbstoffe wegen ihrer Stabilität besonders bevorzugt (z.B. Quantum Dots, Calcium-Wolframat, Titandioxid). Die Fluoreszenzfarbstoffe können beispielsweise dabei dem Polymer der Mikropartikel in feindisperser Form zugefügt sein. Geeignete Verfahren sind dem Fachmann bekannt und markierte Partikel können kommerziell erworben werden. Weitere Verfahren zum Nachweis der Partikel sind nicht auf Fluoreszenz beschränkt, sondern können alle Arten der Lumineszenz sein, z.B. Elektrolumineszenz. Es könne auch andere Arten des Nachweises verwendet werden wie z.B. Photoakustik (in diesem Falle kann der Code mit einem Richtmikrofon gescannt werden), oder auch magnetische Verfahren. Der Detektion sind in ihren Verfahren keine Grenzen gesetzt, solange das Nachweisverfahren die Anzahl und die Position der Partikel nachweisen kann.
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Geeignete Partikel für den lichtmikroskopischen Nachweis weisen bevorzugt eine Größe von 1 µm bis 100 µM auf, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform 2 µm bis 40 µm. Geeignete Partikel bestehen aus Polymeren z.B. Polystyrol, Latex, Polypropylen, Polyethylen oder anorganischen Substraten wie z.B. Glas, Siliziumdioxid, Titandioxid. Fluoreszierende Mikropartikel können z.B. von Thermo Fischer bezogen werden (C36950, AccuCheck Counting Beads, ca. 6,4 µm Durchmesser).
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In einer besonderen Ausführungsform sind neben Partikeln im Bereich von über 2 µm noch deutlich kleine Partikel vorhanden, die mit einfachen optischen Mitteln nicht mehr anzumessen sind. Die kleineren Partikel sind in einer besonders bevorzugten Ausführungsform fluoreszierend. Wenn Zweifel an der Echtheit des Partikelcodes bestehen, kann eine zweite Lage des Sicherheitssystems, die Nanopartikel herangezogen werden. Für diese Messung ist dann ein spezielles Mikroskop - z.B. ein Laser Scanning Mikroskop nötig. Die zweite Lage des Sicherheitssystems kann auch aus mehreren verschiedenen fluoreszierenden Nanopartikeln bestehen. Die fluoreszierenden Nanopartikel können auch zur Detektion der Position des Partikelcodes verwendet werden. Werden z.B. Quantum Dots verschiedener Größen verwendet, kann die Anregung des Partikelcodes mit einer Wellenlänge stattfinden und der Tropfen und die Partikel im Tropfen mit einer Farbkamera abgebildet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird nicht nur die Anzahl und Position der Partikel gemessen sondern auch das Vorhandensein weiterer Merkmale, wie z.B. Clusterbildung (mehrere Partikel lagern sich zusammen), erfasst. Dabei können auch mehrere Sorten Partikel mit unterschiedlicher Fluoreszenz bzw. Größe und Fluoreszenz verwendet werden (z.B. 10 nm - Cy5 und 15 nm - Cy3). Wird nur eine Art der Fluoreszenz verwendet, kann das Anregungslicht durch einen Filter z.B. einen Bandpassfilter gefiltert werden, so daß nur das Fluoreszenzlicht detektiert wird. Entsprechende Verfahren sind im Stand der Technik bekannt.
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Fläche: weitgehend plan - RMS < 50% Partikeldurchmesser der Mikropartikel.
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Weitgehend plan umfasst auch gebogene, gewölbt, gewellte oder anders geformte Oberflächen.
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In einem einfachen Ausführungsbeispiel findet die Markierung in Form eines Tropfen statt. Der Tropfen hat den Durchmesser von 1mm. In dem Tropfen befinden sich 10 Partikel mit einem Durchmesser von 10 µm (1/100 des Durchmessers des Tropfens). Die Partikel sind aus wasser-suspendierbarem Polystyrol. In dem Tropfen befindet sich zusätzlich 1% eines wasserlöslichen transparenten Trägers (z.B. ein PMMA, MAGE Copolymer). In einer weiteren Ausführungsform werden die Partikel in einer Lösung zubereitet, die das Sedimentieren der Partikel verhindert. Solche Lösungen können eine höhere Dichte als Wasser haben. Partikel aus Polystyrol haben eine Dichte von ca 1,0 g/cm3 bis zu 1,04 g/cm3. Diese Dichten lassen sich durch Wahl eines geeigneten Lösungsmittels und eines Lacks als Trägermedium einstellen, z.B. Acrylatlack in Wasser. Werden höhere Dichten benötigt, kann z.B. ein anderes flüssiges Medium wie z.B. Glycerin oder eine Glycerin-Wasser Mischung verwendet werden. Diese Trägerflüssigkeit muss dann nach dem Aufbringen noch verdampft werden (z.B durch Temperatur / Vakuum). Ein solcher Lack ist bevorzugt für die Anregung und Emissionswellenlängen der Mikropartikel durchsichtig bzw. fluoresziert nicht in der gleichen Wellenlänge in der die Mikropartikel fluoreszieren.
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Ein solcher Tropfen kann mit handelsüblichen Pipetten, z.B. der Firma Eppendorf aufgebracht werden. Kleine Partikelcodes können z.B. mit Mikropipetten der Firma Scienion erzeugt werden. Diese Pipetten dosieren Tropfenvolumina zwischen 300pl und 400pl. Durch das Dosieren mehrerer Tropfen auf eine Position können fast beliebige Größen der Partikelcodes erzeugt werden, z.B. 100 µm, 200 µm, 300 µm. Nach dem Eintrocknen können die Mikropartikel mit einer Mikroskopkamera fotografiert werden und die Bilder dann elektronisch ausgewertet werden. Mikrodosiersysteme sind z.B. von der Firma Biodot oder der Firma Scienion auch für Hochdurchsatzanwendungen (Massenproduktion) verfügbar.
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In einer Ausführungsform kann über den Tropfen ein 100x100 Felder Raster gelegt werden und die Felder, in denen ein Partikel seinen Schwerpunkt hat, werden abgespeichert. Somit sind 10.000 Felder theoretisch möglich. Bei 10 Partikeln ergeben sich so fast 104 × 1010 Kombinationen. Partikel mit der Größe 10 µm können unter 200facher Vergrößerung, wie sie z.B. mit Smartphone-Kameravorsätzen möglich ist, noch gut erkannt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform werden Partikel verwendet, die eine andere Form der Lumineszenz als die Fluoreszenz aufweisen können, so z.B. Phosphoreszenz, Elektrolumineszenz, Thermolumineszenz.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mikropartikel zudem lumineszierend, insbesondere fluoreszierend. In einer weiteren Ausführungsform sind die Partikel kleiner als 1 µm und mineralisch und somit lichtmikroskopisch kaum nachweisbar. Diese Partikel können dann aber entweder in einem Elektronenmikroskop oder einem speziellen Mikroskop nachgewiesen werden. Solche Partikel eignen sich besonders für Mikromarkierungen oder als zweite Lage in einer normalen Markierung um zusätzliche Sicherheiten einzuführen.
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Im Falle reflektierender Oberflächen, kann die Reflektion über einen Filter der das Anregungslicht der Fluoreszenz blockiert, nicht aber das Emissionslicht, ausgeschaltet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird neben dem Partikelcode noch ein oder mehrere weitere Tropfen aufgebracht, der eine genaue Positionierung ermöglicht (der z.B. „oben“ definiert). In einer weiteren Ausführungsform ist die Trägermatrix des Partikelcodes selbst fluoreszierend oder phosphoreszierend, so dass die Stelle des Partikelcodes schnell und einfach gefunden werden kann. Wird ein photolithografischer Lack verwendet, so kann auch ein Maskenprozess genutzt werden um den Partikelcode so zu gestalten, dass eine örtliche Zuweisung (oben, 0°, 180° etc) erfolgen kann. Diese kann z.B. durch Einführung einer keilförmigen Struktur erfolgen. In einer weiteren Ausführungsform ist bereits auf dem Zielobjekt eine Markierung zur Positions-bestimmung vorhanden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Partikelcode als Teil einer größeren Struktur aufgebracht. Z.B. kann der Partikelcode ein Teil eines „normalen“ Barcodes, z.B. eines 2D-Barcodes sein. Dabei kann der Partikelcode innerhalb des 2D Barcodes liegen oder auch an einer Position außerhalb des Barcodes. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dabei die Position des Partikelcodes durch den Barcode vorgegeben (Z.B. linke untere Ecke etc.).
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In einer weiteren Ausführungsform wird dabei der Partikelcode ohne einen Lack zur Fixierung aufgebracht und dann durch Laminieren mit einer Trägerfolie fixiert. Dabei kann die Trägerfolie auch gedruckte Positionierungshilfen für den Partikelcode enthalten. Solche Markierungen können z.B. geometrische Figuren wie Kreise oder Pfeile sein.
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Nach dem Aufbringen werden die Mikropartikel bei Bedarf fixiert (z.B. durch UV-Licht, Eintrocknen oder Wärmebehandlung) und dann dokumentiert. Dazu wird z.B. ein hochauflösendes Mikrophoto der Partikel erstellt. Das Bild wird zusammen mit den Informationen über das markierte Objekt in einer Datenbank abgespeichert. In einer bevorzugten Form wird nun aus dem Bild ein Zuordnungswert errechnet. Der Zuordnungswert kann auch von einer Software errechnet werden, die zur Identifikation von Objekten verwendet wird. Der Zuordnungswert kann mit einer Datenbankabfrage mit dem gespeicherten Zuordnungswert verglichen werden, wie auch im Sicherungs- und Prüfverfahren beschrieben. So wird ein sicherer Abgleich mit der Datenbank mit geringem Rechenaufwand ermöglicht ohne den Aufbau des Partikelcodes zu verraten.
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Wird zum Beispiel ein 25 × 25 Segmente Raster über den Partikelcodes gelegt so können bei 10 Partikeln rund 9×1027 verschiedene Partikelcodes erzeugt werden. Da das Sicherungsverfahren es nicht erlaubt das Aussehen des Partikelcodes daraus rückzuerschließen, kann eine sicherer Abgleich der Zuordnungswerte im Internet stattfinden. Selbst der Diebstahl gültiger Zuordnungswerte würde es nicht erlauben die Original Bilder der Partikelcodes über reverse enineering zu errechnen, da jeder Zuordnungswert einem eigenen einmaligen Schlüssel entspricht. Wird eine Datenbank kompromittiert, so lassen sich durch Änderung der Zuordnungswertgenierung neue Zuordnungswerte erzeugen. Z.B. kann einfach das Raster geändert werden 21x21 statt 25x25 oder ein dynamisches Raster verwendet werden. Wichtig dabei ist, dass die Abbilder des Partikelcodes nicht in einer öffentlich zugänglichen Datenbank gespeichert sind.
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Beim Sicherungsverfahren wird aus dem digitalen Bild eine eindeutig wiedererkennbare Zeichenkette (Zuordnungswert) generiert. Dies geschieht zum Beispiel mit Hilfe von Raster-/Pixelmatrizen, Abständen, Positionen, Farb-/Schwarz-/Fluoreszenzwerten und/oder (Teil-)Formen über Vektoren und/oder Matrizen. Verschlüsselt wird das Ergebnis mit einem sicheren Verschlüsselungsverfahren, zum Beispiel dem Hash-Verfahren SHA-2. Dieses Ergebnis wird mit einer Ende-zu-Ende Verschlüsselung an einen Server gesendet und dort mit Zuordnung zum markierten Objekt gespeichert (z.B.: In einer Datenbank).
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Zuordnungswert aus dem Partikelcode in einer Weise errechnet, bei der die Ausrichtung des Partikelcodes keine Rolle spielt. D.h. Hilfsmittel wie Positionsmarker werden nicht benötigt, da der Zuordnungswert keine Positionierung in oben/unten benötigt (D.h. die Erfassung des Zuordnungswertes aus dem Partikelcode ist ausrichtungsunabhängig). Zum Beispiel wird hierzu der sichtbare Rand des Partikelcodes als Oval in eine zuvor definierte kreisförmige Norm gebracht. Anschließend kann der Partikelcode entlang der Achse der zwei am weitesten voneinander entfernten Partikel vertikal auf einer Nord-Süd-Achse ausgerichtet werden. Dabei kann der Teil mit einer höheren Partikeldichte die Westseite bilden. Sollten beide Seiten die gleiche Partikeldichte besitzen, kann der Teil mit dem Partikel welcher dem achsenbildenden Partikel im Norden am nächsten ist die Westseite bilden.
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Beim Prüfverfahren wird das digitale Bild, auf die gleiche Weise wie beim Sicherungsverfahren, in einen entsprechenden Schlüssel gewandelt. Dieser wird beim entsprechenden Server mit Ende-zu-Ende Verschlüsselung abgefragt. Der Server vergleicht die Prüfwerte der Schlüssel und liefert das gewünschte Ergebnis. Das Ergebnis beruht auf der im Sicherungsverfahren gespeicherten Referenz. Das Ergebnis kann je nach Anforderung und Anfrage variieren und z.B.: ein einfacher Wert (Boolean, Integer, String, etc.), eine Wertesammlung (Array/Objekt), eine Datei (pdf, mp3, mp4, etc.), ein Datenstrom oder Kombinationen daraus sein.
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In einer weiteren Ausführung kann mit der eigentlichen Abfrage und der damit verbundenen direkten Antwort auch eine weitere Verarbeitung ausgelöst werden. Zum Beispiel können Validierungsprozesse oder Prozesse bei denen Sicherheitsrückfragen notwendig sind vom Server initiiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform können aus einem Bild mehrere Schlüssel generiert werden, diese sind einzeln vergleichbar und können an Komplexität variieren.
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In einer Ausführungsform kann der Zuordnungswert durch ein Mobiltelefon (z.B. iPhone6) und einer Vorsatzoptik mit 200facher Vergrößerung ausgelesen und erstellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Partikelcode auf eine Verpackung eines Produktes (z.B. einer Blisterpackung Tabletten) aufgebracht (nicht auf die Umverpackung aus Pappe). Die Stelle ist gekennzeichnet und kann vom Benutzer verwendet werden um den Partikelcode mit z.B. einer Vorsatzoptik für das Mobiltelefon mit Hilfe einer Applikation auszulesen. Die Applikation erzeugt dann einen Zuordnungswert der dann zum Datenabgleich mit dem Server über das Mobiltelefon verwendet wird (z.B. über das Internet). Die Authentizität der Packung Tabletten kann damit in kürzester Zeit überprüft und bestätigt werden.