CN104007115B - 一种利用太赫兹时域光谱技术检测珠宝结构的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用太赫兹时域光谱技术检测珠宝结构的系统及方法。所述方法包括：利用太赫兹时域光谱系统对氮气进行测试，获得太赫兹波时域波形作为参考信号；将待测珠宝样品放置在样品槽中，通过移动三维样品台的位置，带动样品槽移动，改变光斑在待测珠宝样品上的位置，当太赫兹波垂直入射在待测珠宝样品的中心位置时，得到太赫兹波时域波形，作为待测珠宝样品的测试信号；对参考信号和测试信号进行傅立叶变换，生成参考信号和测试信号的太赫兹频域信息；根据参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，生成待测珠宝样品的吸收率和折射率；将待测珠宝样品的吸收率和折射率与标准珠宝信息做比对，生成待测珠宝样品的成分和结构信息。

Description

一种利用太赫兹时域光谱技术检测珠宝结构的方法及系统

技术领域

本发明涉及珠宝成分与结构的检测领域，尤其涉及一种基于太赫兹时域光谱技术检测珠宝成分与结构的方法及系统。

背景技术

测试技术作为有效的鉴定珠宝的手段与方式之一，能够准确地分辨出合成珠宝与天然珠宝，并分析珠宝的成分、结构以及特点等性质。同时在进行珠宝的交易中能够为消费者提供较好的质量保障，有效树立商家的良好形象与信誉；避免不法分子的以次充好或者以假乱真现象给消费者造成的损失；可有效抵制国际非法珠宝贸易，促进国内珠宝行业的稳定发展。同时现代测试技术的运用能够有效提高对珠宝鉴定的准确性及可靠性；为较好地解决珠宝检测时遇到的难题或疑点现象；全面分析珠宝的内在成分、光学性质以及结构特点，有利于做好珠宝鉴定与分析评价等工作。

当前对珠宝鉴定工作的要求越来越高，而随着珠宝人造技术的飞速发展，珠宝鉴定工作的难度也越来越大。珠宝鉴定通常有以下五种检测方法：1、肉眼观察鉴定法(颜色、形态、光泽、解理等)；2、物理性质测试鉴定法(相对密度、折射率、硬度)；3、以晶体光学性质为依据的偏光显微镜鉴定法；4、化学成分分析法(化学简分析、化学全分析、电子探针成分分析等)；5、晶体结构分析法(X射线衍射分析、红外光谱分析、电子探针、拉曼光谱仪器、宝石分光镜、紫外分光光度计等)。在方法1、2、3的检测过程中，其分析结果需要严重依赖检测者的经验，主观因素干扰过大，不利于形成客观衡量珠宝真伪的标准；方法4的缺点是速度慢，而且经常会损坏被测样品，由于珠宝的特殊性，不能随意刻划、破坏、侵蚀，所以化学分析方法的应用受到了很大的局限。在目前的珠宝鉴定中，更多地使用方法5中的现代大型仪器进行鉴定，但目前方法5中所普遍使用的珠宝鉴定设备均存在着设备价格昂贵、分析成本偏高、分析速度偏慢等缺点，且X射线属于有损检测，而红外光谱只对分子的强振动敏感，监测不到分子的弱振动。此外对珠宝的测试应确保珠宝的无损，尽量不改变珠宝的外观与形状；对珠宝的准确、客观测试对于维护消费者的合法权益、维护天然珠宝的商业价值具有重要的意义。

可以看出，现有的检测方法显然已经不能完全适应当前珠宝检测行业的发展趋势。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明目的在于提供一种利用太赫兹时域光谱技术对珠宝进行快速、无损的检测系统及检测方法。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种利用太赫兹时域光谱技术检测珠宝结构的系统，其特征在于，所述系统包括：太赫兹时域光谱装置、光斑调整与显示装置以及样品检测装置；所述太赫兹时域光谱装置照射珠宝样品，生成所述珠宝样品的太赫兹时域光谱信号，所述样品检测装置用于根据所述太赫兹时域光谱信号对所述珠宝样品进行检测，所述光斑调整与显示装置用于放置所述珠宝样品，并调整光斑投射在所述珠宝样品上的位置；其中，所述光斑调整与显示装置包括三维样品台、样品槽、光斑摄像系统以及图像显示器；所述样品槽放置在所述三维样品台上，用于放置所述珠宝样品，通过移动所述三维样品台带动所述珠宝样品上下、前后、左右移动，以改变光斑在所述珠宝样品上的位置；所述光斑摄像系统摄取所述光斑的图像后，生成光斑信号传送至所述图像显示器上进行显示；观察所述图像显示器上的光斑，并根据所述光斑调整所述三维样品台，使得太赫兹波垂直入射在所述珠宝样品的中心位置。

进一步地，所述样品槽可根据所述珠宝样品的大小进行调节。

进一步地，所述样品槽的材质为CR泡棉。

进一步地，所述光斑摄像系统包括光斑摄像头、图像传感器以及数字信号处理芯片；所述光斑摄像头摄取所述光斑图像后生成光学图像投射到所述图像传感器上，所述图像传感器将所述光学图像转换为电信号并传送至所述数字信号处理芯片，所述数字信号处理芯片对所述电信号进行处理，生成所述光斑信号传送至所述图像显示器上进行显示。

进一步地，所述太赫兹时域光谱装置为透射式太赫兹光路。

为了达到上述目的，本发明实施例还提供一种珠宝检测的方法，所述方法包括：利用所述太赫兹时域光谱系统对氮气进行测试，获得太赫兹波时域波形作为参考信号；将待测珠宝样品放置在所述样品槽中，通过移动三维样品台的位置，带动所述样品槽移动，改变所述光斑在所述待测珠宝样品上的位置，当所述太赫兹波垂直入射在所述待测珠宝样品的中心位置时，得到太赫兹波时域波形，作为所述待测珠宝样品的测试信号；对所述参考信号和测试信号进行傅立叶变换，生成所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息；根据所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，生成所述待测珠宝样品的吸收率和折射率；将所述待测珠宝样品的吸收率和折射率与标准珠宝信息做比对，生成所述待测珠宝样品的成分和结构信息。

进一步地，根据所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，生成所述待测珠宝样品的吸收率和折射率，包括：基于菲涅尔公式的数据处理模型，得到所述待测珠宝样品的吸收率α(ω)和折射率n(ω)：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2}{d}\ln \frac{4n\left(\mathrm{\ω}\right)}{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ω}\right){[n\left(\mathrm{\ω}\right)+1]}^2};$

其中，d为所述待测珠宝样品的厚度，为所述参考信号和测试信号的比值、c为真空光速，ω为频率，ρ(ω)为参考信号和测试信号的比值的模。

本发明实施例的基于太赫兹时域光谱技术检测珠宝成分与结构的方法及系统，不仅具有安全性好、穿透力强、光谱灵敏度高的特点，并且检测方法对珠宝无损伤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的利用太赫兹时域光谱技术检测珠宝结构的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的利用太赫兹时域光谱技术检测珠宝结构的系统中的光斑调整与显示装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的利用太赫兹时域光谱技术检测珠宝结构的系统中的光斑摄像系统的结构示意图；

图4为本发明实施例的利用太赫兹时域光谱技术检测珠宝结构的系统中的样品槽的结构示意图；

图5为利用图1所示的利用太赫兹时域光谱技术检测珠宝结构的系统进行珠宝检测的方法流程图；

图6为一具体实施例中的两种样品的吸收系数图；

图7为一具体实施例中的两种样品的折射率图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

太赫兹波与其它波段的电磁波相比，具有安全性好，穿透力强，光谱灵敏度高等诸多特点。太赫兹波段包含了丰富的光谱信息，大量的分子的转动和振动(包括集体振动)的跃迁都发生在太赫兹波段，可以根据分子在太赫兹波段的特有光谱信息识别出不同的分子。并且太赫兹波的典型脉宽在亚皮秒量级，可以实现亚皮秒、飞秒时间分辨率的研究，而且通过相关测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。因此，太赫兹技术作为一种新兴的检测珠宝结构与成分的手段，通过分析光谱的变化和相应的数据处理结果与标准样品信息做比较来检测珠宝样品，不仅具有安全性好、穿透力强、光谱灵敏度高特点，并且测量方法对珠宝无损伤。

图1为本发明实施例的利用太赫兹时域光谱技术检测珠宝结构的系统的结构示意图。如图所示，本实施例的检测系统包括：太赫兹时域光谱装置1、光斑调整与显示装置2以及样品检测装置3；所述太赫兹时域光谱装置1照射珠宝样品，生成所述珠宝样品的太赫兹时域光谱信号，所述样品检测装置3用于根据所述太赫兹时域光谱信号对所述珠宝样品进行检测，所述光斑调整与显示装置2用于放置所述珠宝样品，并调整光斑投射在所述珠宝样品上的位置。

在本实施例中，如图2所示，所述光斑调整与显示装置2包括三维样品台21、样品槽22、光斑摄像系统23以及图像显示器24。所述样品槽22放置在所述三维样品台21上，用于放置所述珠宝样品，通过移动所述三维样品台21带动所述珠宝样品上下、前后、左右移动，以改变光斑在所述珠宝样品上的位置；所述光斑摄像系统23摄取所述光斑的图像后，生成光斑信号传送至所述图像显示器24上进行显示。其中，三维样品台21可上下、前后、左右移动，便于寻找理想的光斑。

在本实施例中，如图3所示，所述光斑摄像系统23包括光斑摄像头231、图像传感器232以及数字信号处理芯片233；所述光斑摄像头231摄取所述光斑图像后生成光学图像投射到所述图像传感器232上，所述图像传感器232将所述光学图像转换为电信号并传送至所述数字信号处理芯片233，所述数字信号处理芯片233对所述电信号进行处理，生成所述光斑信号传送至所述图像显示器24上进行显示。光斑摄像头231可采用微型摄像头，可以把光斑通过成像系统在图像显示器24中清晰的看见，光斑的可视化效果增强，实时成像更加便于观测光斑在待测物体的具体位置与大小，方便调节光斑的位置。

在本实施例中，通过观察所述图像显示器24上的光斑，并根据所述光斑调整所述三维样品台21，使得太赫兹波垂直入射在所述珠宝样品的中心位置。因为珠宝是一种贵重物品，被用来做装饰品时，其形状通常为不规则的，而在使用太赫兹时域光谱技术无损检测时要使太赫兹波与被检测珠宝的平面相互垂直，即垂直入射在珠宝中心位置时，此时为最佳位置，才能确保检测的准确性。此时，光斑通过光斑摄像头231生成的光学图像投射到图像传感器表面上，经过模数转换和数字信号处理芯片加工处理，将影像信息(主要是指太赫兹波照射在待测珠宝表面所成的光斑图像)通过USB接口传输到电脑中处理，通过显示器就可以看到光斑的位置与大小，可视化效果增强。当发现光斑在待测珠宝的位置不是最佳位置(垂直入射珠宝中心位置)时，重复上述操作，直至找到理想的光斑。最后利用透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)对待测珠宝样品进行测试，得到珠宝样品THz时域光谱，经数据处理后，得到测试样品的光学参数，以检测待测珠宝的结构与成分。

在本实施例中，样品槽22的制作尺寸与盛放待测珠宝样品的大小有关。它的存在，使太赫兹波直接穿过待测珠宝，在没有基底的情况下(即在空气中无衬底的自支撑样品，激光垂直入射到样品上后直接出射)就没有基底对太赫兹波的多次反射，提高了检测的精度。如图4所示，其中图4(a)、图4(b)、图4(c)分别为样品槽22的左视图、主视图和俯视图。本发明实施例的样品槽22解决了待测珠宝形状不规则、不易固定且难于检测的难题，并且该样品槽可以根据待测珠宝样品的大小相应的调整槽穴的大小，十分方便。除此之外，样品槽的存在，能够使太赫兹波直接穿过待测珠宝，没有基底的多次反射，提高了检测的精度。并且，在本发明中，样品槽的材质为CR泡棉，其具有很好的弹性，容易粘结，使样品槽易于制作，可满足更多的设计灵活性要求。

在本实施例中，所述太赫兹时域光谱装置为透射式太赫兹光路。

图5为利用图1所示的利用太赫兹时域光谱技术检测珠宝结构的系统进行珠宝检测的方法流程图。如图所示，本实施例的进行珠宝检测的方法包括：

步骤S101，利用所述太赫兹时域光谱系统对氮气进行测试，获得太赫兹波时域波形作为参考信号；步骤S102，将待测珠宝样品放置在所述样品槽中，通过移动三维样品台的位置，带动所述样品槽移动，改变所述光斑在所述待测珠宝样品上的位置，当所述太赫兹波垂直入射在所述待测珠宝样品的中心位置时，得到太赫兹波时域波形，作为所述待测珠宝样品的测试信号；步骤S103，对所述参考信号和测试信号进行傅立叶变换，生成所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息；步骤S104，根据所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，生成所述待测珠宝样品的吸收率和折射率；步骤S105，将所述待测珠宝样品的吸收率和折射率与标准珠宝信息做比对，生成所述待测珠宝样品的成分和结构信息。

在本实施例的步骤S104中，根据所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，生成所述待测珠宝样品的吸收率和折射率，包括：

基于菲涅尔公式的数据处理模型，得到所述待测珠宝样品的吸收率α(ω)和折射率n(ω)：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2}{d}\ln \frac{4n\left(\mathrm{\ω}\right)}{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ω}\right){[n\left(\mathrm{\ω}\right)+1]}^2};$

其中，d为所述待测珠宝样品的厚度，为所述参考信号和测试信号的比值、c为真空光速，ω为频率，ρ(ω)为参考信号和测试信号的比值的模。

在本实施例的步骤S105中，通过所述太赫兹时域波形提取待测珠宝样品在太赫兹波段的吸收率、折射率等物理参数，与标准样品信息做比较，这样就可以方便的检测待测珠宝成分与结构。在本实施例中，标准样品是指真的珠宝，并不是人造或者其他材质(例如玻璃)仿制的珠宝。例如，玉石是珠宝的一种，市场上经常用石英石、乳化玻璃、彩色玻璃来冒充假玉石，而这些物质的吸收特性和折射率与玉石有很大的差别。通过分析待测玉石与原有标准玉石在太赫兹波段(一般为0.2THz～2.5THz)的吸收系数、折射率曲线的差别，来推断这种差别与不同种类玉石的成分组成、杂质的种类和含量有直接关系，同时也可以推断与玉石结晶程度、粒度变化、晶格振动等微观结构的不同有关。

以下通过具体实施例来说明如何根据待测样品在太赫兹波段的吸收率(吸收系数)、折射率等物理参数，来检测待测样品的成分与结构。

例如，样品1为在小店铺买的便宜的赝品玉石，初步鉴定为彩色玻璃；样品2为比较贵重的白玉石。

利用本发明的太赫兹时域光谱技术检测珠宝结构的方法，分别得到两种样品的吸收系数图和折射率图，将其整合到一张图中以作对比，图6为两种样品的吸收系数图，图7为两种样品的折射率图。

1.由吸收系数图可以看出在0.4～1.4THz波段内，样品1没有明显的特征吸收峰，样品2在0.65THz有较为明显的特征吸收峰，样品1和样品2吸收系数的差别是由样品的成分组成不同和微观结构的不同特征造成的。

2.由折射率图可以看出在0.8～1.0THz波段内，样品1的折射率为1.5左右，样品2的折射率为2.5左右。两个样品之间折射率的差别初步分析可能是由样品中组分的含量、杂质的种类不同造成的。

并且，查询标准彩色玻璃的折射率，其一般位于1.5左右，因此可以鉴别出样品1不是白玉石，而是彩色玻璃，实验结果初步说明用THz波段的吸收系数和折射率来鉴别真假珠宝是可行的。

通过上述实施例的基于太赫兹时域光谱技术检测珠宝成分与结构的系统及方法，通过分析光谱的变化以及通过将相应的数据处理结果与标准样品信息做比较，来检测珠宝样品，不仅具有安全性好、穿透力强、光谱灵敏度高的特点，并且检测方法对珠宝无损伤。并且，设置与珠宝样品匹配的样品槽用于盛放珠宝样品，能够使太赫兹波直接穿过待测珠宝，没有基底的多次反射，提高了检测的精度。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种利用太赫兹时域光谱技术检测珠宝结构的系统，其特征在于，所述系统包括：太赫兹时域光谱装置、光斑调整与显示装置以及样品检测装置；所述太赫兹时域光谱装置照射珠宝样品，生成所述珠宝样品的太赫兹时域光谱信号，所述样品检测装置用于根据所述太赫兹时域光谱信号对所述珠宝样品进行检测，所述光斑调整与显示装置用于放置所述珠宝样品，并调整光斑投射在所述珠宝样品上的位置；其中，

所述光斑调整与显示装置包括三维样品台、样品槽、光斑摄像系统以及图像显示器；

所述样品槽放置在所述三维样品台上，用于放置所述珠宝样品，通过移动所述三维样品台带动所述珠宝样品上下、前后、左右移动，以改变光斑在所述珠宝样品上的位置；所述光斑摄像系统摄取所述光斑的图像后，生成光斑信号传送至所述图像显示器上进行显示；

观察所述图像显示器上的光斑，并根据所述光斑调整所述三维样品台，使得太赫兹波垂直入射在所述珠宝样品的中心位置；

所述样品槽可根据所述珠宝样品的大小进行调节；

所述样品槽的材质为CR泡棉；

所述光斑摄像系统包括光斑摄像头、图像传感器以及数字信号处理芯片；

所述光斑摄像头摄取所述光斑图像后生成光学图像投射到所述图像传感器上，所述图像传感器将所述光学图像转换为电信号并传送至所述数字信号处理芯片，所述数字信号处理芯片对所述电信号进行处理，生成所述光斑信号传送至所述图像显示器上进行显示。

2.根据权利要求1所述的利用太赫兹时域光谱技术检测珠宝结构的系统，其特征在于，所述太赫兹时域光谱装置为透射式太赫兹光路。