CN104777134A - 用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜 - Google Patents

Abstract

一种用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜，包括观察镜头1、调节固定座2、底部光源3、侧向光源4、分光镜5、外壳6、测量光源7、汇聚镜头8、棱镜9、宝石夹10、遮光罩及光阑11、探测器12，其中观察镜头采用普通宝石显微镜的全部观察镜头，包括物镜和目镜，本发明折射率测量放置在封闭的外壳中，减小观测过程中环境光对折射率测量的干扰，可以对宝石进行透射观测或反射观测，能够对观测点进行实时折射率测量，载物平台和棱镜的设计避免了观察过程中棱镜和宝石之间摩擦对棱镜或样品造成的损坏，观测光路和折射率测量光路的正交设计和遮光罩及光阑的使用避免了观测光源对折射率测量的干扰。

Description

用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜

技术领域

本发明涉及宝石测量仪器的技术领域，具体说是一种用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜。

背景技术

宝石测量是宝石加工、评估等工作中必不可少的步骤，而宝石折射率更是衡量宝石质地和加工水平的重要指标，现有技术中，对于宝石的观测一般采用专用的宝石显微镜，对于宝石折射率则采用专用的宝石折射率测量仪进行测量，上述两种仪器的分开使用导致观测和折射率测量不同步，很难就宝石表面某一点的目测情况和折射率得到精确的数据。

中国专利，一种宝石折射率测定仪(申请号：200910098701.2，200920120031.5，同时申请发明和实用新型)，提供了一种宝石折射率测定仪，同现有技术一样，这一技术方案为一种封闭的测量仪器，无法和宝石显微镜相配合，也不能在测量的同时观测宝石的表面情况。

中国专利，数码油浸宝石显微镜(申请号：201310389893.9)，中国专利，宝石显微镜(申请号：200920141133.5)，分别提供了一种用于宝石观测的专用显微镜，同现有技术一样，这两件专利所述技术虽然有所改进，但仍不能解决在宝石观测同时测量宝石折射率的问题。

我校于2012年曾就物质折射率测量的问题申请中国专利，聚焦全内反射法测量物质折射率分布(申请号：201210062142.1)，提供了一种测量物质折射率分布的方法，该方法通过实物具体实现后，可以获得测量宝石折射率的设备，该设备可以加装在宝石显微镜上，但其问题在于所测量为宝石表面某条线的折射率分布而非某一点的折射率，难以将测量结果和观测点精确地一一对应。

我校于2014年(Scanning focused refractive index microscopy，Scientific Report.4，5647.2014)提出了一种可测量物质表面折射率显微分布的测量方法，该方法可实现某一点的待测物体表面折射率测量，且可以考虑移植至宝石测量领域，但在移植过程中还存在诸如结构设计、宝石的安放等问题尚待解决。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中无法在观测宝石表面情况的同时测量所观测点的折射率的问题，提供了一种用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜。

本发明所采取的技术方案是：

一种用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜，其特征在于，包括观察镜头、调节固定座、底部光源、侧向光源、分光镜、外壳、测量光源、汇聚镜头、棱镜、宝石夹、遮光罩及光阑、探测器；调节固定座包括支架和调焦机构；其中观察镜头采用普通宝石显微镜的全部观察镜头，包括物镜利目镜，棱镜为等边梯形柱体，除两梯形面外，棱镜其余四面均为矩形且为抛光面，宝石夹为普通宝石显微镜所使用的宝石夹，测量光源、长工作距离物镜、棱镜、遮光罩及光阑、探测器位于测量平面，观察镜头、底部光源、分光镜、棱镜、位于观测平面，测量平面和观测平面相互垂直且均同外壳底面相垂直；由上至下，宝石夹、棱镜、分光镜、底部光源位于同直线上，该直线和外壳底面垂直，各部件分别通过光学杆架固定在外壳上；在测量平面，以棱镜至分光镜为轴，测量光源和长工作距离物镜位于一侧，遮光罩及光阑、探测器位于另一侧，工作距离物镜位于棱镜和测量光源之间，在观测平面，观察镜头位于分光镜反射光所指方向上，各部件通过各自光学杆架固定在外壳上，探测器外接有计算机处理设备。

进一步的，测量光源为波长已知的激光，波长范围为400nm-800nm。

进一步的，汇聚镜头为长工作距离物镜，物镜的工作距离为2cm-5cm。

进一步的，棱镜和宝石样品的接触面之间有匹配液，匹配液的折射率和棱镜的折射率的偏差小于等于0.5％。

进一步的，底部光源固定在外壳底面，照射方向竖直向上，侧向光源通过连接轴固定在外壳外部侧壁，照射方向斜向下且指向宝石样品。

进一步的，所选用探测器为线阵电荷耦合器件，或者是线阵N型金属-氧化物-半导体探测器。

进一步的，外壳面向观察镜头的侧面上有孔，观测目镜的物镜穿过孔；外壳的其余三个侧面密闭；外壳的底座和调节固定座处于同一水平面，且固定在一起；外壳的顶部为载物平台。

进一步的，外壳和遮光罩所采用的材质为不透光材料。

进一步的，外壳和遮光罩所采用的材质为不透光材料。

进一步的，宝石夹位于载物平台上；载物平台上开有方形孔，棱镜通过孔固定在载物平台上。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明所设计的用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜外部有不透光材料制成的外壳，探测器前有光阑和遮光罩，避免了观测过程中杂光导致的干扰，观测光源有多种选择，可选择对宝石进行透射观测或反射观测，同时可在观测宝石样品时进行实时观测点折射率的测量，观测面和测量面的正交设计避免了观测光源对折射率测量的干扰。

附图说明

图1是本发明用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜的内部立体示意图。

图2是本发明用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜的观测平面的剖面图。

图3是本发明用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜的测量平面的剖面图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对技术方案进行具体说明。

如图所示，一种用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜，包括观察镜头1、调节固定座2、底部光源3、侧向光源4、分光镜5、外壳6、测量光源7、汇聚镜头8、棱镜9、宝石夹10、遮光罩及光阑11、探测器12，其中观察镜头采用普通宝石显微镜的全部观察镜头，包括物镜和目镜；调节固定座包括支架和调焦机构；棱镜为等边梯形柱体，除两梯形面外，棱镜其余四面均为矩形且为抛光面，宝石夹为普通宝石显微镜所使用的宝石夹，测量光源、长工作距离物镜、棱镜、遮光罩及光阑、探测器位于测量平面，观察镜头、底部光源、分光镜、棱镜、位于观测平面，测量平面和观测平面相互垂直且均同外壳底面相垂直；由上至下，宝石夹、棱镜、分光镜、底部光源位于同直线上，该直线和外壳底面垂直，各部件分别通过光学杆架固定在外壳上；在测量平面，以棱镜至分光镜为轴，测量光源和长工作距离物镜位于一侧，遮光罩及光阑、探测器位于另一侧，工作距离物镜位于棱镜和测量光源之间，在观测平面，观察镜头位于分光镜反射光所指方向上，各部件通过各自光学杆架固定在外壳上，探测器外接有计算机处理设备。

本实施例中，外壳和遮光罩选用的材质是不透光的黑色有机玻璃。

本实施例中，测量光源为632nm的激光。

本实施例中，汇聚镜头为长工作距离物镜，物镜的型号为WJ-1050(北京派迪威仪器有限公司)，工作距离为20.5mm。

本实施例中，载物平台和棱镜的接触面之间有匹配液，棱镜的型号为ZF13，匹配液的折射率为1.7850±0.005(Gargille，Series：M)。

本实施例中，观测光源有两个，底部光源固定在外壳底面，照射方向竖直向上，侧向光源通过连接轴固定在外壳外部侧壁，照射方向斜向下且指向宝石样品。

本实施例中，所选用探测器为线阵N型金属-氧化物-半导体探测器，Hamamatsu S3903-512Q。

本实施例中，外壳面向观察镜头的侧面上有孔，观测目镜的物镜穿过孔；外壳的其余三个侧面密闭；外壳的底座和调节固定座处于同一水平面，且固定在一起；外壳的顶部为载物平台。

本实施例中，宝石夹位于载物平台上；载物平台上开有方形孔，棱镜通过孔固定在载物平台上，位移台能够水平二维手动调节。

开始工作后，将探测器和计算机处理设备相连接，启动电源，打开观测光源和测量光源，调节各设备的高度和角度，将待测宝石放置在棱镜上并使用宝石夹固定，使用调节固定座上的调节机构进行对焦，通过载物平台手动调节旋钮改变宝石样品的观测位置。测量光源被长工作距离物镜会聚在棱镜-样品界面上，利用观察镜头能够看到聚焦点的位置。

工作中，测量激光从测量光源发出，经过长距离物镜，测量激光汇聚在待测宝石的待测点上，其反射光经过光阑和遮光罩被探测器接收。经过物镜之后的入射光，其入射角在一定范围内变化。通过选取折射率合适的棱镜，能够使样品的临界角在入射角的变化范围之内。根据斯涅尔折射定律(Snell’s Law)：

θ_c＝sin^-1(n_s/n_p)                (1)

θ_c是待测样品的全内反射临界角，n_s和n_p分别是样品和棱镜的折射率。入射角小于临界角的一部分光发生了折射，因此反射光较弱；当入射角大于临界角时，所有的入射光都发生了全反射，这一部分反射光光强和入射光相等。入射光从θ_t＜θ_c到θ_t＝θ_c的过程中，反射率会经过一个突然上升的过程，在探测器上会出现一个十分明显的明暗分界，其分界线的位置就对应着临界角的位置。利用计算机对探测器所采集到的数据进行数据处理，得到当前聚焦点处的折射率。调节载物平台，宝石、宝石夹、棱镜共同移动，以改变聚焦点所探测的位置，从而在观测的同时得到确定观测位置的折射率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而，并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当然会利用揭示的技术内容做出些许更动或修饰，成为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜，其特征在于，包括观察镜头、调节固定座、底部光源、侧向光源、分光镜、外壳、测量光源、汇聚镜头、棱镜、宝石夹、遮光罩及光阑、探测器，其中观察镜头采用普通宝石显微镜的全部观察镜头，包括物镜和目镜；调节固定座包括支架和调焦机构；棱镜为等边梯形柱体，除两梯形面外，棱镜其余四面均为矩形且为抛光面，宝石夹为普通宝石显微镜所使用的宝石夹，测量光源、长工作距离物镜、棱镜、遮光罩及光阑、探测器位于测量平面，观察镜头、底部光源、分光镜、棱镜、位于观测平面，测量平面和观测平面相互垂直且均同外壳底面相垂直；由上至下，宝石夹、棱镜、分光镜、底部光源位于同直线上，该直线和外壳底面垂直，各部件分别通过光学杆架固定在外壳上；在测量平面，以棱镜至分光镜为轴，测量光源和长工作距离物镜位于一侧，遮光罩及光阑、探测器位于另一侧，工作距离物镜位于棱镜和测量光源之间，在观测平面，观察镜头位于分光镜反射光所指方向上，各部件通过各自光学杆架固定在外壳上，探测器外接有计算机处理设备。

2.根据权利要求1所述的用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜，其特征在于：测量光源为波长已知的激光，波长范围为400nm-800nm。

3.根据权利要求1或2所述的用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜，其特征在于：汇聚镜头为长工作距离物镜，物镜的标准工作距离为2cm-5cm。

4.根据权利要求3所述的用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜，其特征在于：棱镜和宝石的接触面之间有匹配液，匹配液的折射率和棱镜的折射率的偏差小于等于0.5％。

5.根据权利要求4所述的用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜，其特征在于：底部光源固定在外壳底面上，照射方向竖直向上，侧向光源通过连接轴固定在外壳外部侧壁，照射方向斜向下且指向宝石样品。

6.根据权利要求1或5所述的用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜，其特征在于：所选用探测器为线阵电荷耦合器件，或者是线阵N型金属-氧化物-半导体探测器。

7.根据权利要求6所述的用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜，其特征在于：外壳面向观察镜头的侧面上有孔，观测目镜的物镜穿过孔；外壳的其余三个侧面密闭；外壳的底座和调节固定座处于同一水平面，且固定在一起；外壳的顶部为载物平台；外壳所采用的材质不透光。

8.根据权利要求7所述的用于宝石表面折射率测量的宝石显微镜，其特征在于：宝石夹位于载物平台上；载物平台上开有方形孔，棱镜通过孔固定在载物平台上。