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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vermessung der Oberfläche eines geschliffe- nen Schmucksteines, wobei zunächst die Lage zumindest der meisten ebenen Facettenflächen des Steins im Raum, insbesondere durch Drehung des Steins vor einer Lichtquelle und Unter- suchung des vom Stein geworfenen Schattens, bestimmt wird.
Bekannte derartige Verfahren erlauben eine sehr gute Bestimmung der die Oberfläche eines
Edelsteines, insbesondere eines Diamanten, berührenden ebenen Flächen. Wäre der Stein tat- sächlich ein ideales Vieleck aus ebenen Flächen, welche sich in den Eckpunkten exakt treffen, und welche von völlig scharfen geradlinigen Kanten begrenzt sind, so wäre damit die Oberflächengeo- metne beispielsweise eines geschliffenen Diamanten bereits definiert. Reale Schmucksteine wei- chen aber zumindest insoweit von der idealen Konfiguration ab, als sie leicht abgerundete Kanten aufweisen. Der Abstand solcher Kanten von jener Geraden, in welcher sich die der Kante benach- barten Ebenen treffen, lässt sich allenfalls noch im Durchlicht bestimmen.
Darüber, wo die Rundung der Kante beginnt, und darüber, wie genau mehrere Facetten in einem Punkt zusammenlaufen, gibt die Durchlichtmethode jedoch nur unvollkommen Auskunft.
Eine Verbesserung der Bestimmung der Oberflächengeometrie, insbesondere von Diamanten, wäre aus mehreren Gründen wünschenswert. Zunächst würde sie es erlauben, Steine höherer
Qualität, insbesondere mit grösserer Symmetrie, herzustellen. Weiters wäre es dann möglich, den geschliffenen Diamanten hinsichtlich der Präzision siner Oberflächengestalt zu graduieren. Eine genauere Kenntnis der Oberflächengestalt des Diamanten wäre auch erforderlich, um bestehende
Computerprogramme, welche aus dieser Gestalt die Brillanz eines Steines errechnen, optimal zur
Wirkung zu bringen.
Die Erfindung verbessert das eingangs definierte Verfahren zur Vermessung der Oberfläche eines geschliffenen Schmucksteines, indem anschliessend an die Bestimmung der Lage der ebe- nen Facettenflächen im Raum diese im Auflicht betrachtet werden. Dieser Vorschlag ist insofern nicht trivial, als die polierten Facetten des Schmucksteines ja über keine diffus reflektierende
Oberfläche verfügen und die auf der Triangulationsmethode beruhenden Laserscanverfahren für die Betrachtung der Oberflachen im Auflicht praktisch ausscheiden. Die Beobachtung der spie- gelnden Flachen eines facettierten Schmucksteines wird auch dadurch erschwert, dass nicht nur eine grosse Zahl eng beisammen liegender Facetten das eingestrahlte Licht zurückwerfen, sondern es auch zu inneren Reflexionen des eingestrahlten Lichtes kommt.
Verwendet man zur Vermei- dung dieses Nachteils eine Beleuchtung mit streng parallel zur Facettennormalen einfallenden Strahlen, so erscheint durch die grosse Trennschärfe der kollimierten Beleuchtung nur der normal zur Richtung des Lichtes verlaufende Facettenbereich in einer Kamera mit telezentrischem Objek- tiv hell.
An sich gehören telezentrische Objektive mit achsparallel eingespiegelter Beleuchtung zum Stand der Technik. Es war jedoch nicht naheliegend, solche Geräte zur systematischen Vermes- sung der Oberfläche von geschliffenen Diamanten zu verwenden. Befindet sich die Kamera näm- lich nicht von vorneherein in der korrekten Orientierung zu den zahlreichen Facetten des Steines, so empfängt sie schon bei Abweichungen in der Grössenordnung von 1 kein verwertbares Signal mehr. Auch wenn es die Durchlichtmethode an sich erlaubt, die Kamera exakt auf die einzelnen Facetten zu orientieren, war es doch überraschend, dass sich durch die zusätzliche Betrachtung im Auflicht soviel weitere Information über die Kontur der einzelnen Facetten gewinnen lässt, dass sich der zusätzliche Aufwand lohnt.
Durch die Verwendung eines telezentrischen Objektivs ist es ausserdem möglich, die absoluten Abmessungen der Facetten genau festzustellen.
Einzelheiten der Erfindung werden anschliessend anhand der Zeichnung erläutert, in welcher
Fig. 1 die Beobachtung der Facetten im Auflicht und
Fig. 2 die Beobachtung im Durchlicht darstellt.
Wesentlicher Teil der in der Fig. 1 dargestellten Einrichtung ist eine Kamera 3, welche in der Bildebene in Richtung des Pfeiles 7 verschwenkbar angeordnet ist. Die Kamera ist jeweils normal auf eine der nicht dargestellten Facetten des Schmucksteins 2 zu richten, welcher auf einem Dreh- teller 1 in üblicher Weise (Wachs, Vakuum) befestigt ist. Jede Facette des Steines 2 kann durch Drehung des Tellers 1 in Richtung des Pfeiles 8 und durch Drehung der Kamera 3 in Richtung des Pfeiles 7 normal zur Kamera 3 ausgerichtet werden. Grundsätzlich erfolgt die Beleuchtung des Schmucksteins 2 durch achsparallel in die Kamera 3 eingespiegeltes Licht und die Beobachtung der Facette durch ein telezentrisches Objektiv. Das resultierende Bild 5 ergibt zunächst eine
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Darstellung der Facette in natürlicher Grösse, welche anschliessend vergrössert wird.
Es ist das Wesen der telezentrischen Optik mit eingespiegelter telezentrischer Beleuchtung, dass Beleuchtungsachse und Objektivachse streng parallel verlaufen. Unter anderem wird dazu die hochgenaue Frontlinse des Objektivs auch für die Generierung des Beleuchtungsstrahlenganges verwendet. Im gegenständlichen Fall richtet man die Kamera im Auflicht normal auf die zu begutachtende spiegelnde Facette. Daher werden die aus der Optik austretenden Strahlen mit einem Facetteneinfallswinkel von 0 von dieser zurückgelenkt und der Abbildung unterworfen.
Das Beleuchtungslichtbündel sollte leicht diffus sein, was in der Praxis ohnehin gegeben ist
Steht die Kamera zufolge eines minimalen Positionsfehlers nicht genau 90 zur relevanten Facette, sondern weicht um einen Winkel w davon ab, so ist beleuchtungsseitig eine Diffusität von 2*w zu gewährleisten. Der durch leichte Schräglage entstehende Projektionsfehler ist zufolge seiner
Cosinus-Natur meist zu vernachlässigen.
Telezentrische Objektive haben wie entozentrische eine optimale Fokusebene. Das liegt an ihrer anallaktischen Blende mit endlichem Durchmesser, sodass man es anstelle von Lichtstrahlen mit Lichtbündeln zu tun hat. Telezentrische Objektive verfügen jedoch über einen grösseren Schär- fentiefenbereich als vergleichbare entozentrische.
Mittlerweise sind am Markt hochgenaue, beidseitig telezentrische Objektive verfügbar. Solche sind Objekt- und bildseitig telezentrisch. Das Kantenbild bleibt bei Defokusierung symmetrisch, sodass subpixelgenaue Vermessung der Kantenorte möglich ist. Der aus dem Bild ermittelte Kante- nort entspricht somit auch weitgehend dem geometrischen Kantenort.
Im Durchlicht bringt die telezentrische Anordnung für die Erfindung innerhalb ihres Telezentrie- bereiches einen konstanten Abbildungsmassstab, sodass die Objektkontur trotz Variation ihrer
Gegenstandsweite exakt abgebildet wird.
Falls die zu vermessenden Bereiche des Prüflings alle im Telezentriebereich der Optik liegen, so kann auf die Verstellung der Kamera entlang ihrer Achse verzichtet werden.
Grundsätzlich könnte die dargestellte Kamera für die Auflichtmessung durch ein bildgebendes
Interferometer ersetzt werden. Wesentlich für das Verfahren ist ja die Betrachtung der einzelnen Facetten in Richtung der Flächenormalen ohne Störung durch von anderen Facetten oder von innerer Reflexion erzeugtes Licht.
Damit eine derartige Betrachtung eines Schmucksteins, welcher nur einige mm im Durch- messer aufweist und beispielsweise 70 Facetten hat, möglich ist, muss die Lage dieser Facetten genauestens bekannt sein. Bei einem sehr regelmässigen Stein kann sich diese aus der bekannten Geometrie des Steins ergeben. In der Praxis ist die systematische Einstellung der Kamera 3 auf die verschiedenen Facetten eines Schmucksteins 2 vom Arbeitsaufwand her nur gerechtfertigt, wenn die Lage der Facetten durch jene Einrichtung bestimmt wird, in welcher die Vermessung der Facetten erfolgt. Zu diesem Zweck kann die Kamera 3 in die Lage nach Fig. 2 verschwenkt werden und den Stein im Licht des parallelen Strahlenbündels betrachten, welches von der Lichtquelle 6 kommt.
Bei Verwendung eines Retroreflektors könnte an sich das in die Kamera 3 eingespiegelte Licht auch zur Bestimmung der Orientierung der Facetten des Schmucksteins 2 im Durchlichtver- fahren nach Fig. 2 verwendet werden. Präzisere Ergebnisse erhält man, wenn man eine gesonder- te Lichtquelle 6 verwendet.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens liegt darin, dass geringe Abwei- chungen der Facetten von der Idealform, beispielsweise Polierfehler und Kratzer, im Bild 5 realis- tisch erscheinen. Für die Identifizierung einzelner Steine (fingerprinting) ist man daher nicht mehr, wie üblich, auf objekttypische Reflexionsmuster angewiesen, welche unanschaulich sind und daher nur mit Mühe mit dem Vergleichspartner in Beziehung gesetzt werden können.
Im Anschluss an das erfindungsgemässe Verfahren lassen sich auch noch Einschlüsse im Inne- ren des Objektes feststellen, indem man die Beobachtungsachse im Auflicht gerade soweit ver- stellt, dass eine Facette nicht mehr reflektiert. Dann sieht man über diese Facette fast ohne Licht- brechung in das Objekt. Durch eine zusätzliche Dunkelfeldbeleuchtung oder eine grössere Beleuch- tungsapertur ist eine Störung im Innern zu konstatieren. Falls man das in jeder Facette durchführt, bringt das hinreichende Informationen über das Vorhandensein eines Einschlusses im Inneren. Die Gefahr, das Ergebnis durch Mehrfachreflexionen zu verfälschen, ist damit gering.