CN103090973A - 基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法，包括：将均衡的复合光照射到被测钻石上；使用积分球收集经被测钻石反射的复合光；对积分球收集的光进行分光后，使用CCD探测器进行检测，进而获得被测钻石的反射光谱；对被测钻石的反射光谱进行归一化后，从归一化的反射光谱上选取氮吸收带，然后计算氮吸收带的面积；将氮吸收带的面积与标准阈值文件进行比对，对被测钻石进行颜色分级。本发明通过对采集的被测钻石的反射光谱选取氮吸收带并计算氮吸收带的面积，然后将氮吸收带的面积与标准阈值文件进行比对，从而实现钻石的颜色分级，不仅操作简单、测试快速且准确，而且一致性高，可广泛应用于珠宝鉴定行业中。

Description

基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法

技术领域

本发明涉及珠宝鉴定领域，特别是基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法。

背景技术

钻石的化学成分是碳（C）元素，它的晶体结构是4个碳原子构成的四面体。纯钻石是无色透明的，但绝大多数的天然钻石中都含有微量的杂质元素。据分析，C在钻石中的质量分数可达99.95％，其次要成分有N、B、H等杂质。根据是否明显存在氮，将钻石分为两种类型，将含氮的钻石称为I型钻石，将不含数量明显氮的钻石称为II型钻石。

当钻石刚生成时，晶体内的氮元素是以单原子的离散状态存在。在漫长地质年代的高温高压作用下，钻石晶体内的单个氮原子逐渐聚合在一起形成氮原子的聚合体。氮原子的聚合体可能是2个、3个或4个氮原子的聚合体，也可能更多。具有氮原子聚合体的钻石属于Ia型钻石。Ia型钻石占天然钻石的绝大部分，约占98%。Ia型钻石的颜色与含氮量有关，含氮量极低时，钻石为无色，含氮量越高黄色的饱和度越高。

目前的珠宝鉴定行业中，主要采用美国宝石学院（GIA）以及国际珠宝联合会（CIBJO）等机构制定的分级标准来对钻石的颜色进行分级，对于无色——浅黄色系列（cape系列）钻石，可分为D-Z等23个等级或直接采用“极白、优白、白、浅黄白”等文字来直接描述，而国内鉴定一般分D-N等11个等级，采用字母表示的同时也采用百分制法用数字表示。现在对钻石颜色的鉴定，主要是采用比色石对比方法，将被测钻石在光源下与标定了颜色等级的标准比色石进行对比，通过人眼观察，选择与被测钻石颜色最接近的标准比色石的等级作为被测钻石的等级。但是，采用人眼观察对比的方法，不仅耗费时间长，而且颜色等级的判断因受到光源、背景色调、钻石大小、切工、肉眼对颜色辨识能力等因素影响而降低准确度，同时也无法达到颜色分级的一致性。

发明内容

为了解决上述在钻石颜色分级中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种操作简单、快速、准确且一致性高的基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法，包括：

S1、将均衡的复合光照射到被测钻石上；

S2、使用积分球收集经被测钻石反射的复合光；

S3、对积分球收集的光进行分光后，使用CCD探测器进行检测，进而获得被测钻石的反射光谱；

S4、对被测钻石的反射光谱进行归一化后，从归一化的反射光谱上选取氮吸收带，然后计算氮吸收带的面积；

S5、将氮吸收带的面积与标准阈值文件进行比对，对被测钻石进行颜色分级。

进一步，所述步骤S5中所述标准阈值文件的建立过程如下：

SS1、根据步骤S1至S3获得每个颜色等级的标准比色石的反射光谱并进行归一化后，从归一化的反射光谱上选取氮吸收带；

SS2、采用以下公式计算氮吸收带的面积，进而得到每个颜色等级的标准比色石对应的面积阈值区间，最后根据所有颜色等级的标准比色石对应的面积阈值区间建立标准阈值文件：

$S=\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}100\×(R_{{\mathrm{\λ}}_0}-R_{\mathrm{\λ}})\mathrm{d\λ}$

其中，λ₁，λ₂指氮吸收带两端处的波长，λ₀为归一化基准点，

为归一化后的反射光谱在波长为λ₀处的反射率，

R_λ为归一化后的反射光谱在波长为λ处的反射率，S为氮吸收带的面积。

进一步，所述标准比色石包括标准上限比色石或标准下限比色石。

进一步，所述每个颜色等级的标准比色石对应的面积阈值区间由该等级的标准上限比色石的氮吸收带的面积和该等级的下一等级的标准上限比色石的氮吸收带的面积构成；

或者，

所述每个颜色等级的标准比色石对应的面积阈值区间由该等级的标准下限比色石的氮吸收带的面积和该等级的上一等级的标准下限比色石的氮吸收带的面积构成。

进一步，所述步骤S4，其具体为：

对被测钻石的反射光谱进行归一化后，从归一化的反射光谱上选取氮吸收带，然后采用以下公式计算氮吸收带的面积：

$S=\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}100\×(R_{{\mathrm{\λ}}_0}-R_{\mathrm{\λ}})\mathrm{d\λ}$

其中，λ₁，λ₂指氮吸收带两端处的波长，λ₀为归一化基准点，

为归一化后的反射光谱在波长为λ₀处的反射率，

R_λ为归一化后的反射光谱在波长为λ处的反射率，S为氮吸收带的面积。

进一步，所述步骤S5，其具体为：

将氮吸收带的面积与标准阈值文件进行比对，将该氮吸收带的面积所处的面积阈值区间所对应的标准比色石的颜色等级确定为被测钻石的颜色等级。

进一步，所述步骤S4中所述对被测钻石的反射光谱进行归一化，其具体为：

选定合适的波长作为归一化基准点，对被测钻石的反射光谱进行归一化处理。

本发明的有益效果是：本发明的基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法，将平衡的复合光照射到被测钻石上，然后通过积分球采集经被测钻石反射的光后，进行分光，进而采用CCD探测器进行检测，进而得到被测钻石的反射光谱，将该反射光谱进行归一化后，选取氮吸收带并计算氮吸收带的面积，然后将氮吸收带的面积与标准阈值文件进行比对，从而实现钻石的颜色分级，不仅操作简单、测试快速且准确，而且一致性高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法的流程图；

图2是本发明的基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法的进行光谱采集的一具体实施例的结构框图；

图3是采用本发明的基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法的测试D-N共11个等级的标准比色石得到的反射光谱图；

图4是对图3中的反射光谱图进行归一化后得到的光谱图；

图5是对图4中归一化后的反射光谱图中的H等级的光谱图选取氮吸收带的示意图；

图6是本发明的基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法的对被测钻石的反射光谱进行荧光消除处理的示意图。

具体实施方式

为了便于下文的描述，首先给出以下名词解释：

CCD：Charge-coupled Device，电荷耦合元件，可直接将光学信号转换为模拟电信号。

参照图1，本发明提供了一种基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法，包括：

S1、将均衡的复合光照射到被测钻石上；

S2、使用积分球收集经被测钻石反射的复合光；

S3、对积分球收集的光进行分光后，使用CCD探测器进行检测，进而获得被测钻石的反射光谱；

S4、对被测钻石的反射光谱进行归一化后，从归一化的反射光谱上选取氮吸收带，然后计算氮吸收带的面积；

S5、将氮吸收带的面积与标准阈值文件进行比对，对被测钻石进行颜色分级。

显然的，上述步骤S3中，使用CCD探测器进行检测后，还需进行信号转换等操作后，才获得被测光谱的反射光谱，这里不做详细描述。

参照图2，进行光谱采集的一具体实施例如下：将平衡的复合光通过积分球S的入射口1入射到积分球S内部，复合光在积分球S内直接或经过漫反射后照射到放在样品口2处的被测钻石3上并发生反射，然后通过采样口4将积分球S收集的复合光通过光纤5传输到分光系统6进行分光，之后使用CCD检测器7对收集的光进行检测，最后使用数据处理模块8对检测的值进行数据处理后，获得被测钻石3的反射光谱。

这里，复合光也可以从被测钻石3的上方直接照射到被测钻石3上，然后采用同样的方法收集光线，最后获得被测钻石3的反射光谱。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S5中所述标准阈值文件的建立过程如下：

SS1、根据步骤S1至S3获得每个颜色等级的标准比色石的反射光谱并进行归一化后，从归一化的反射光谱上选取氮吸收带；

SS2、采用以下公式计算氮吸收带的面积，进而得到每个颜色等级的标准比色石对应的面积阈值区间，最后根据所有颜色等级的标准比色石对应的面积阈值区间建立标准阈值文件：

$S=\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}100\×(R_{{\mathrm{\λ}}_0}-R_{\mathrm{\λ}})\mathrm{d\λ}$

其中，λ₁，λ₂指氮吸收带两端处的波长，λ₀为归一化基准点，

为归一化后的反射光谱在波长为λ₀处的反射率，

R_λ为归一化后的反射光谱在波长为λ处的反射率，S为氮吸收带的面积。λ₀是指被测钻石的反射光谱在光强平缓变化的波段内的任一波长。λ₁，λ₂是预先设定的波长值，反射光谱在λ₁与λ₂之间的部分即为氮吸收带。

进一步作为优选的实施方式，所述标准比色石包括标准上限比色石或标准下限比色石。

进一步作为优选的实施方式，所述每个颜色等级的标准比色石对应的面积阈值区间由该等级的标准上限比色石的氮吸收带的面积和该等级的下一等级的标准上限比色石的氮吸收带的面积构成；

或者，

所述每个颜色等级的标准比色石对应的面积阈值区间由该等级的标准下限比色石的氮吸收带的面积和该等级的上一等级的标准下限比色石的氮吸收带的面积构成。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S4，其具体为：

对被测钻石的反射光谱进行归一化后，从归一化的反射光谱上选取氮吸收带，然后采用以下公式计算氮吸收带的面积：

$S=\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}100\×(R_{{\mathrm{\λ}}_0}-R_{\mathrm{\λ}})\mathrm{d\λ}$

其中，λ₁，λ₂指氮吸收带两端处的波长，λ₀为归一化基准点，

为归一化后的反射光谱在波长为λ₀处的反射率，

R_λ为归一化后的反射光谱在波长为λ处的反射率，S为氮吸收带的面积。λ在本申请中指光谱中任一处的波长值，在此公式中特指氮的吸收带中任意一处的波长值。

λ₀是指被测钻石的反射光谱在光强平缓变化的波段内的任一波长，可认为该波长处的光强度为除氮吸收带外的最大光强度，与标准比色石光谱归一化基准点一致。这里，为了维持颜色分级的一致性，一旦选定一个波长值作为归一化基准点，对其它被测钻石的反射光谱进行光谱归一化时也采用此波长值作为归一化基准点。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S5，其具体为：

将氮吸收带的面积与标准阈值文件进行比对，将该氮吸收带的面积所处的面积阈值区间所对应的标准比色石的颜色等级确定为被测钻石的颜色等级。

颜色比较浅或者接近无色的钻石，用人眼对比比色石的方式，很难准确进行颜色分级，本发明根据氮含量的分布，可较准确地进行颜色分级，消除人眼的影响。这里，氮含量值用氮吸收带的面积来表征。故这里根据计算每个等级的标准比色石的反射光谱的氮吸收带的面积，进而得到每个等级的标准比色石的面积阈值区间后建立标准阈值文件，即可迅速地根据本发明采集的被测钻石的反射光谱进行颜色分级。

因为标准比色石都是成套使用的，为一套标准上限比色石或者一套标准下限比色石，因此，面积阈值区间也分使用标准上限比色石跟标准下限比色石两种情况。每个等级的标准上限比色石的氮吸收带的面积值为该等级的面积阈值区间的最小值，相应的，每个等级的标准下限比色石的氮吸收带的面积值为该等级的面积阈值区间的最大值。本发明优先选用标准下限比色石，即每个等级的标准下限比色石的氮吸收带的面积值与该等级的上一等级的标准下限比色石的氮吸收带的面积值分别为该等级的最大值及最小值，从而限定了该等级的面积阈值区间。国内一般为D-N共11个等级，这里，等级由高到低依次为D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N。即D等级为E等级的上一等级，E等级为F等级的上一等级。例如，采用标准下限比色石，E等级的标准下限比色石对应的氮吸收带的面积值为1000，D等级的标准下限比色石对应的氮吸收带的面积值为800，则E等级的面积阈值区间为800-1000，当得到某被测钻石的氮吸收带的面积值为900时，判定该被测钻石的等级为E等级。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S4中所述对被测钻石的反射光谱进行归一化，其具体为：

选定合适的波长作为归一化基准点，对被测钻石的反射光谱进行归一化处理。归一化处理使用的公式为：

$R_{\mathrm{\λ}}=R_{\mathrm{\λ}}^{\′}\×\frac{100\%}{R_{{\mathrm{\λ}}_0}^{\′}}$

其中，合适的波长与前面的λ₀定义相同，是指被测钻石的反射光谱在光强平缓变化的波段内的任一波长，可认为该波长处的光强度为除氮吸收带外的最大光强度（因为无吸收，故反射率为最大值，从而光强度也为最大值）；

为归一化前的反射光谱在波长为λ₀处的反射率，R′_λ是指归一化前的反射光谱在波长为λ处的反射率，R_λ是指归一化后的反射光谱在波长为λ处的反射率，归一化后的反射光谱在波长为λ₀处的反射率为

例如，在图3中，作为归一化基准点的合适的波长可为被测钻石的反射光谱在500nm-700nm波段内的任一个波长值，在对图3的反射光谱进行归一化时，λ₀选定波长为600nm。这里，为了维持颜色分级的一致性，一旦选定一个波长值作为归一化基准点，对其它被测钻石的反射光谱进行光谱修正时也采用此波长值作为归一化基准点。图3为采用本发明的方法测试D-N等级的标准比色石得到的反射光谱图，选取600nm作为归一化基准点进行归一化后得到的反射光谱图如图4所示，图4中的曲线从上往下依次为D-N级的标准比色石的反射光谱图的归一化后的反射光谱图。选取H等级的反射光谱图为例，从归一化后的反射光谱中选取的氮吸收带的面积如图5中阴影部分所示。

部分钻石样品的反射光谱会出现荧光干扰，因此需要进行荧光消除处理，即在所述步骤S3与S4之间，还包括步骤：

S34、对被测钻石的反射光谱进行荧光消除处理：对被测钻石的反射光谱进行处理，分离出荧光信号后，得到消除荧光后的反射光谱。

参照图6，从被测钻石的反射光谱中分离出荧光信号后，得到消除荧光后的反射光谱，可根据荧光消除后的反射光谱计算氮吸收带的面积。

Ia型钻石中，因为氮原子的聚合体可能是2个、3个或4个氮原子的聚合体，也可能更多，2个氮原子的聚合体，其氮的吸收峰在452nm、465nm和478nm处；3个氮原子的聚合体，其氮的吸收峰在415nm处；4个氮原子的聚合体，其氮的吸收峰在300nm处。Ia型钻石的颜色主要受钻石中杂质氮含量的影响，因此，本发明可根据计算反射光谱的氮的吸收峰附近的氮吸收带的面积的方法来进行钻石颜色分级。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法，其特征在于，包括：

S1、将均衡的复合光照射到被测钻石上；

S2、使用积分球收集经被测钻石反射的复合光；

S3、对积分球收集的光进行分光后，使用CCD探测器进行检测，进而获得被测钻石的反射光谱；

S4、对被测钻石的反射光谱进行归一化后，从归一化的反射光谱上选取氮吸收带，然后计算氮吸收带的面积；

S5、将氮吸收带的面积与标准阈值文件进行比对，对被测钻石进行颜色分级。

2.根据权利要求1所述的基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法，其特征在于，所述步骤S5中所述标准阈值文件的建立过程如下：

SS1、根据步骤S1至S3获得每个颜色等级的标准比色石的反射光谱并进行归一化后，从归一化的反射光谱上选取氮吸收带；

SS2、采用以下公式计算氮吸收带的面积，进而得到每个颜色等级的标准比色石对应的面积阈值区间，最后根据所有颜色等级的标准比色石对应的面积阈值区间建立标准阈值文件：

$\text{S=}\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}100\×(R_{{\mathrm{\λ}}_0}-R_{\mathrm{\λ}})\mathrm{d\λ}$

其中，λ₁，λ₂指氮吸收带两端处的波长，λ₀为归一化基准点，

为归一化后的反射光谱在波长为λ₀处的反射率，

R_λ为归一化后的反射光谱在波长为λ处的反射率，S为氮吸收带的面积。

3.根据权利要求2所述的基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法，其特征在于，所述标准比色石包括标准上限比色石或标准下限比色石。

4.根据权利要求3所述的基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法，其特征在于，所述每个颜色等级的标准比色石对应的面积阈值区间由该等级的标准上限比色石的氮吸收带的面积和该等级的下一等级的标准上限比色石的氮吸收带的面积构成；

或者，

所述每个颜色等级的标准比色石对应的面积阈值区间由该等级的标准下限比色石的氮吸收带的面积和该等级的上一等级的标准下限比色石的氮吸收带的面积构成。

5.根据权利要求4所述的基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法，其特征在于，所述步骤S4，其具体为：

对被测钻石的反射光谱进行归一化后，从归一化的反射光谱上选取氮吸收带，然后采用以下公式计算氮吸收带的面积：

$\text{S=}\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}100\×(R_{{\mathrm{\λ}}_0}-R_{\mathrm{\λ}})\mathrm{d\λ}$

其中，λ₁，λ₂指氮吸收带两端处的波长，λ₀为归一化基准点，

为归一化后的反射光谱在波长为λ₀处的反射率，

R_λ为归一化后的反射光谱在波长为λ处的反射率，S为氮吸收带的面积。

6.根据权利要求5所述的基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法，其特征在于，所述步骤S5，其具体为：

将氮吸收带的面积与标准阈值文件进行比对，将该氮吸收带的面积所处的面积阈值区间所对应的标准比色石的颜色等级确定为被测钻石的颜色等级。

7.根据权利要求1所述的基于光谱的Ia型钻石颜色快速分级方法，其特征在于，所述步骤S4中所述对被测钻石的反射光谱进行归一化，其具体为：

选定合适的波长作为归一化基准点，对被测钻石的反射光谱进行归一化处理。

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