CN112041667B - 确定宝石、矿物或其样本中的异物和/或杂质的位置的方法和系统 - Google Patents

确定宝石、矿物或其样本中的异物和/或杂质的位置的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种确定宝石、矿物或其样本中的异物和/或杂质的位置的方法和系统，该方法包括以下步骤：对宝石、矿物或其样本进行表面映射，以确定与该宝石、矿物或其样本的表面的至少一部分相关的表面几何形状；使用沿着光束路径指向表面的光束对宝石、矿物或其样本进行表面下映射，其中光束是由光源使用光学断层成像过程生成的；确定在光束路径与所确定的表面几何形状之间的交点处的表面处的表面法线；确定该表面法线和光束路径之间的相对定位；以及基于该表面下映射步骤和所确定的相对定位来确定该宝石、矿物或其样本中的异物和/或杂质的位置。

Description

确定宝石、矿物或其样本中的异物和/或杂质的位置的方法和 系统
技术领域
本发明总体上涉及一种用于确定宝石、矿物或其样本中的异物和/或杂质的位置的方法和系统。
背景技术
宝石(例如钻石，红宝石等)、矿物或它们的样本通常被分析以检测不想要的异物和/或杂质，以便使它们能够被最佳地切割以实现最佳价值产出。例如，为了在避免异物和/或杂质的同时进行更有效的切割。如下文所述，已经评估了用于钻石杂质映射的技术，包括X射线微计算机断层成像(XCT)，光学相干断层成像(OCT)或光学投影断层成像(OPT)。
在XCT的情况下，已经通过从多角度投影图像计算对象上的衰减分布来执行成像和3维重建。由于X射线能够以不同程度穿透固体材料而不会发生折射，因此XCT可以对钻石内部形态进行几何上精确且非侵入性的分析。但是，X射线衰减测量不能为所有类型的异物提供良好的对比度，并且通常认为XCT无法识别所有杂质类型并无法以可行的成本和时间充分分辨裂纹。
所使用的另一种技术是光学投影断层成像(OPT)。对于OPT，成像原理类似于XCT，但是在光学波长范围(大约400-800nm)中使用光代替X射线来产生投影图像。与大多数其他投影断层成像技术一样，据报道，OPT具有较高的可分辨性，这得益于(相对)较短的工作波长。由于将光波长用于成像，因此与XCT系统相比，该技术能够以降低的系统成本检测大多数杂质类型，包括石墨。然而，在光波长下操作具有在样本和光学光之间的相互作用中引入复杂性的有害影响。在用于(粗糙)钻石成像的标准OPT应用中，需要将样本浸入折射率匹配的材料中，以减少散射并使进入样本的光束路径大致呈直线，从而使样本上光吸收的3维分布可以使用标准反投影算法进行计算。对于钻石成像，由于钻石的高折射率，匹配的材料通常是液态硒，这是一种需要多其进行特殊处理的有毒材料。此外，这些材料可能会污染样本。这些复杂性限制了需要折射率匹配以实现内部的精确映射的技术的实用性。
相比之下，光学相干断层成像(OCT)通过使用低相干干涉测量法测量整个样本的反射和反向散射轮廓来执行3D成像。此技术可以实现分辨率约为10μm的图像和高灵敏度。尽管在矿物学研究中已经报告了一些使用OCT检查玉石和玻璃的工作，但是在这些应用中，OCT通常仅限于表面形态。与许多其他3维成像技术相比，OCT的主要区别在于，OCT使用共焦反射法而不是解决反问题，并且它在近红外波长范围(通常为800至1500nm)中运行，这使得其对碳杂质敏感。当应用适当的折射率和表面折射校正(如本文所述)时，可以进一步执行OCT而无需折射率匹配材料。
总体而言，尽管这些技术(XCT，OCT和OPT)可能具有某些有利特征，但是由于上述的有限的可检测性或者需要特殊程序和或样本处理的实际问题的缺点，它们单独地都不能理想地适合于检测和准确映射宝石中的异物。
另一方面，对集成技术(例如X射线和荧光)的研究产生了融合图像，这些融合图像显示出超越单一技术的局限性而改善成像结果的巨大潜力。这种类型的多模式成像既可以通过硬件实时实现，也可以通过后期处理融合来自单独系统的图像而实现。尽管乍看之下后处理方法似乎更灵活，更实惠，但这种算法的实际实现通常涉及迭代方法来估计对齐参数，且因此需要大量的计算能力。此外，这样的算法并不总是稳定的，并且取决于输入数据情况，可能不能获得可靠的结果。
发明内容
本发明的目的是基本上克服或至少改善现有布置的一个或多个缺点。
公开了通过提供一种用于检测宝石、矿物或其样本中的异物的位置的改进的方法和系统来寻求解决上述问题的布置。
根据本公开的第一方面，提供了一种用于确定宝石、矿物或其样本中的异物和/或杂质的位置的方法，该方法包括以下步骤：对宝石、矿物或其样本进行表面映射，以确定与宝石、矿物或其样本的至少一部分表面相关的表面几何形状；使用沿着光束路径指向所述表面的光束对宝石、矿物或其样本进行表面下映射，其中光束是由光源使用光学断层成像过程生成的；在光束路径与所确定的表面几何形状之间的交点处的表面处确定表面法线；确定表面法线和光束路径之间的相对定位；以及基于所述表面下映射步骤和所确定的相对定位来确定宝石、矿物或其样本中的异物和/或杂质的位置。
根据本公开的第二方面，提供了一种用于确定宝石、矿物或其样本中的异物和/或杂质的位置的系统，该系统包括：表面映射装置，其布置成对宝石、矿物或其样本进行表面映射，以确定与宝石、矿物或其样本的至少一部分表面相关的表面几何形状；表面下映射装置，其被布置为使用沿着光束路径指向所述表面的光束对宝石、矿物或其样本进行表面下映射，其中光束是由光源使用光学断层成像过程生成的；计算系统，其布置为确定在光束路径与所确定的表面几何形状之间的交点处的表面处的表面法线；确定表面法线和光束路径之间的相对定位；以及基于表面下映射步骤和所确定的相对定位，确定宝石、矿物或其样本中的异物和/或杂质的位置。
还公开了其他方面。
附图说明
现在将参考附图和附录描述本发明的至少一个实施例，其中：
图1A示出了根据本公开的被布置为确定宝石中的异物的位置的系统的图像；
图1B示出了图1A中的系统的示意图的平面图；
图2A和图2B示出了根据本公开的照射到宝石的光束路径的表示；
图3A至图3C示出了根据本公开的过程流程图。
图4A和图4B形成了计算机系统的示意性框图，该计算机系统构成被布置为确定异物的位置的系统的一部分，并且其被布置为执行关于图3A至3C所描述的过程和本文描述的其他过程。
具体实施方式
当提到在任何一个或多个附图中的具有相同附图标记的步骤和/或特征时，出于该说明的目的，这些步骤和/或特征具有相同的功能(一个或多个)或操作(一个或多个)，除非出现相反的意图。
将理解的是，本文中所述的关于异物的方法和系统的参照也适用于关于杂质的相同方法或系统，反之亦然。
在本申请的上下文中，“异物”旨在表示自然或人为的不规则性，并且包括但不限于：空隙，裂缝，矿物杂质，自然形成物，生长模式等。本发明的实施例意图检测肉眼可见的以及在例如10倍(这是检测瑕疵以对钻石分级的典型放大倍率)的放大倍率下可见所有这样的异物，但可能包括在其他放大倍数下可见的异物以及其他宝石、矿物或其样本。
本文参考宝石，例如钻石等，描述了示例。然而，将理解的是，本文描述的方法，过程或系统可以应用于任何透明或半透明的宝石、矿物或其样本。例如，半透明的宝石、矿物或其样本可以具有磨砂涂层。术语“样本”可以指宝石或矿物的全部或一部分，也可以指预先切割或切割后的宝石或矿物。
现在提供使用OCT的光学断层成像过程的简要描述。
OCT基于低相干或白光干涉测量法。出于说明目的，仅讨论了该技术的一种实现方式，称为时域光学相干断层成像(TD-OCT)。将理解的是，在其他变体使用相同的基本原理但是具有不同的实现方式的情况下，也可以使用该其他变体。例如，可以使用频域光学相干断层成像(FD-OCT)，其进一步分为频谱域和扫频源OCT。
使用分束器，将时域OCT系统中的光分成两个臂---样本臂和参考臂。参考臂包含可移动的反射镜，该反射镜以可变的随时间变化的臂长将光朝向分束器反射回来。要分析的对象放置在样本臂中。从样本内部散射的光也向分束器传播回来，并与来自参考臂的光发生干涉。
由于光源的相干长度短，仅当参考臂和样本臂的臂长在光源的相干长度内匹配时才观察到干涉图案，通常在微米的数量级。通过在参考臂的长度变化的同时记录干涉图案，人们可以从样本中获取与深度有关的反向散射振幅信息。该数据可用于通过使用例如检流镜扫描仪在两个维度上在样本表面上横向地扫描光束来重建样本的完整三维映射。结合来自所有单独扫描的深度信息，人们可以重建横截面图像(在一个横向维度上扫描)和完整体积(结合在另一横向维度中不同位置处获得的多个横截面图像)。
根据下面更详细描述的各种实施例，表面映射装置被布置为映射宝石以确定与宝石的表面的至少一部分相关联的表面几何形状。例如，整个宝石表面的表面几何形状可以通过XCT机器或OCT机器获得。作为另一示例，可以获得宝石表面的一部分的表面几何形状。
作为光学断层成像过程的一部分，设置了表面下映射装置，以使用朝向宝石表面的光束扫描宝石，以便检测异物的坐标位置。将理解的是，异物对于肉眼来说可以是可见的，或者对于肉眼来说可能是不可见的，无论是否在显微镜下可见。然而，该异物至少应当对用于检测该异物的设备(例如光学感测设备)可见或可被其检测。
根据一个示例，所使用的过程是光学断层成像过程，其中，布置了表面下映射装置以使用朝向宝石表面的光束来扫描宝石，以便检测可视异物的坐标位置。术语“可视”旨在表示就用于扫描宝石的光束的频率而言是可视的。在本文描述的实施例中可以使用各种光频率。用于表面下扫描的光学技术有多种，并且这些技术可以采用从可见光到红外光的宽范围的光学频率。在本发明的实施例中，可以使用可见范围内的光来确保检测到人眼可见的异物。但是，将理解的是，以使得它们能够通过表面下扫描技术(例如，在OCT的情况下为散射，或者在OPT的情况下为吸收)检测到的方式影响可见光通过的异物可能会类似地影响近红外波长，在光学相干断层成像系统中更常用近红外波长，且因此这些波长也可以用作检测人眼可见的异物的替代。光束沿着宝石外部的光束路径从光源指向宝石表面。可视异物(或杂质)的坐标位置可用于生成宝石中的可视异物(或杂质)位置的完整映射。例如，可以使用OCT或OPT机器映射宝石的表面以下。
在该示例中的表面映射和表面下映射是非破坏性的过程，因为被扫描的宝石在映射步骤(一个或多个)期间没有被破坏，不需要诸如标记的物理干扰，抛光样本的部分来形成窗口，表面处理或折射率匹配。
宝石可以位于平台上，或者可以被夹在合适的装置中，或者使用用于保持宝石的任何其他合适的方式被保持在合适的位置。
计算装置(下面详细解释)连接到不同的装置和多件设备，以控制它们的操作并捕获所生成的数据。该计算设备使用在表面映射阶段由第一装置捕获的数据来生成表面几何形状。例如，可以通过XCT机器捕获宝石在不同位置的多个二维图像(例如射线照片)。可以将这些二维图像组合在一起以生成三维表面几何形状。
在一个示例中，计算装置可以使用所说表面几何形状来确定宝石表面处在与表面下映射阶段期间生成的光束的光束路径相交的每个点(交点)处的表面法线。也就是说，对于宝石上的光束撞击宝石表面所处的每个点，都会计算表面法线。
将理解，作为确定表面法线的备选方式，可以确定在光束路径与所确定的表面几何形状之间的交点处的表面处的表面几何形状的相对取向。即，并不专门要求该系统使用表面法线，而是可以使用任何其他合适的相对取向测量结果并根据需要调整计算。
计算装置可以使用计算出的表面法线(或其他相对取向)和已知光束路径来确定表面法线和已知光束路径之间的相对定位。即，确定入射角，该入射角提供光束路径与表面法线(或其他相对取向)的偏离值。在表面是粗糙表面的情况下，可以确定要映射的表面区域的平均入射角，或者如果表面映射捕获了粗糙度的某些特征，则可以确定多个表面法线，从而产生多个入射角。
计算装置然后生成可视异物的三维坐标，然后可基于在表面下映射步骤期间获得的坐标数据和确定的表面法线(或其他相对取向)与已知光束路径之间的相对定位，使用该三维坐标来生成宝石中的可视异物的位置的三维映射。可以使用许多不同的技术来执行三维坐标(以及随后的映射)的生成，如下面详细描述的。
图1A示出了被布置来执行检测宝石中的可视异物的过程的系统的图像。
根据该示例，系统具有平台101，在其上可以放置宝石102。在此示例中，平台旋转。定位X射线计算断层成像(XCT)机器(表面映射装置)103来拍摄宝石的X射线图像，以便对宝石进行映射并确定宝石的表面几何形状。光学相干断层成像(OCT)机器(表面下映射装置)105定位为映射宝石的表面以下。
在通过表面映射装置进行的表面映射期间，使用X射线产生多个二维图像，并且使用这些多个图像来产生宝石的表面几何形状的三维映射。
OCT机器105被布置成在竖直方向(z轴)上上下移动。它还被布置为在z轴上旋转(或绕z轴旋转)。平台布置成相对于OCT机器旋转。在此示例中，通过将宝石放置在平台上，可以调整宝石在平台上相对于由OCT机器生成的光束的相对位置。
该平台和表面映射装置被设置和控制以产生螺旋扫描运动，其中宝石和X射线束路径的相对位置被螺旋地扫描。即，当平台在z轴上向上或向下移动的同时，该平台在z轴上旋转，以产生螺旋相对运动。
将理解，如本领域技术人员将理解的那样，可以适当地使用非螺旋的备选扫描运动。例如，非螺旋轨迹的示例是(a)圆形，(b)多圆，(c)多匝螺旋，(d)双螺旋，(e)不规则轨迹，例如单个距离处的源位置的2D空间上的点的非晶格状分布。还将理解的是，可以使用连续扫描以及停-启扫描方式来捕获图像。
为了计算宝石的表面几何形状，可以应用以下过程。
硬件通过坐标系(x，y，z)定义，其中旋转轴由单位矢量(0,0,1)定义。宝石可以在旋转轴上位于源和检测器之间。
用于获得表面几何形状的数据采集包括使宝石逐步移动通过相对于X射线束的不同位置，从而在每个位置都有一段运动时间，随后是静止时间。该路径通常是螺旋形的，因此源在相邻位置之间旋转并略微升高。可能有数千个位置。
对于每个位置，当宝石静止时，获得图像，例如，射线照片-即从源点通过样本到大的成像探测器上的X射线圆锥束投影。每个射线照片的曝光时间是预定的。每个射线照片是大的(例如9MP)2D灰度图像。
为了从一组射线照片中重建三维体素灰度图像(3D映射)，可以使用任何合适的重建方法，例如滤波反投影(FBP)或迭代重建方法。
可以对灰度图像进行分割以识别宝石的表面包络(即，表面几何形状)。
对于表面下映射步骤，可以使用以下过程，其中通过使用分束器将OCT源和检测器包含在单个头部中。
可以使用XCT龙门来定位或保持宝石。
此外，OCT头部运动可包括沿x轴和z轴的平移以及沿y方向(称为角度phi)的旋转轴。这允许用于映射的许多扫描选项，其中之一是围绕任意旋转轴在xz平面中旋转(即y是旋转轴)。
通过映所述射宝石，由于用来执行表面下映射的多个视图，因此可以捕获特定异物的多个坐标。在该异物的整个三维映射生成之前，可以对该特定异物的三维坐标进行校正。
当对宝石进行表面映射或表面下映射时，可以使用宝石与映射装置之间的任何适当的相对定位(例如，除了螺旋运动之外)。
根据一个示例，对于数据采集，定义了一种OCT扫描轨迹，该轨迹将包括源和OCT扫描头部的逐步运动。一种选项是选择OCT旋转轴与XCT旋转轴相交(或几乎相交)，且然后通过改变theta(θ)和phi空间进行扫描-即覆盖可能的角度范围。可以选择OCT轨迹以使用与XCT轨迹相同的时序和一组θ角，以允许同时的数据采集。而且，根据另一个示例，可以在OCT扫描体积足够小或OCT足够快的情况下应用连续运动。例如，在从一侧进行线扫描的同时宝石可绕其z轴旋转。
根据一个示例，在样本的每个位置处，OCT头部以傅里叶域或时域对深而窄的“铅笔”OCT扫描体积进行标准采集。选择每个OCT扫描体积的大小来与其相邻的OCT扫描体积交迭。根据另一个示例，可以使用较少数量的更宽的扫描。
使用标准OCT技术重建来自每个视角的数据，从而产生三维体积。
来自多个视角的数据可以使用表面几何形状过程在逐射线的基础上进行组合。
图1B示出了图1A的示意图的平面图。
图1B示出了图1A中所示系统的平面图。X射线源109从X射线源点103向检测器107发射X射线。在该示例中，台101的旋转和z轴控制器111是XCT系统的一部分，可以理解的是，它们也可能是单独的系统。OCT头部(源和检测器)113的运动由运动台115控制。
作为任何合适的光学断层成像过程的一部分，光束可以由光源产生。例如，表面下映射步骤可以利用光学相干断层成像和光学投影断层成像过程和/或机器中的一个或多个。
图2A示出了如何产生可视异物的三维坐标的一个图形示例。示出了向宝石303发射光束的光束源301的图示，其中示出了光束路径305A在宝石的表面几何形状307上的点x处撞击宝石。可以看出，光束路径由光束在其中传播的不同介质(例如空气和宝石)的折射特性而被调节。此外，光束还基于光束入射到表面几何形状的入射角而转向，其中与表面法线309的角度越大，光束的调节或折射越大。在该示例中，光束路径与表面法线之间的差(相对定位)表示为α。
在不对折射进行任何校正的情况下，通过使用光学断层成像测量反向散射，OCT映射设备测量沿宝石内的光束路径305B的光束的反向散射，并确定可视异物311A的位置。在宝石表面上的所有表面点N上进行完整的表面下映射，其中x＝1N。在映射完成后，将生成初始的三维坐标，这些坐标显示了可视异物的感知的位置，而无需对折射进行任何校正。也就是说，例如，感知到的位置是其中表面下映射已进行测量的每个点的位置(对于OCT的情况而言，测量是反射强度；高反射强度可能表示存在可视异物)。这些坐标可以用于生成初始三维映射。
使用在每个点x的相对位置，可以由计算装置修改初始坐标以针对折射进行调整。因此，该修改确定可视异物311B的准确位置，并且计算装置更新或修改初始坐标以生成更新的坐标，然后可以将其用于产生更新的映射。
因此，通常，宝石中的可视异物的初始三维坐标是基于宝石的初始表面下映射生成的，并且基于所确定的相对定位来修改初始三维坐标，以产生可视异物的修改后的三维坐标。
可以通过确定光束路径与表面法线之间的入射角来修改初始坐标。基于入射角和与光束路径和宝石相关联的一个或多个折射参数来修改使用初始三维坐标的可视异物的初始位置。例如，折射参数可以是光束路径上的一种或多种介质的折射率。
图2B示出了可以如何生成可视异物的三维坐标的另一图示示例。光源301的光束相对于宝石位于初始位置401。使用确定的入射角(α)，调节光束和宝石之间的相对位置，使得光源可以将光束导向宝石的表面几何形状，以使光束垂直于宝石的表面。即，光源可以移动到扫描位置403，或者光束可以被重定向或调节。将理解的是，宝石也可以移动，或者宝石和光束两者都可以移动或调节。另外，将理解的是，可以在不移动光源的情况下调节光束。
例如，在宝石位于平台上的情况下，在宝石的表面下映射期间，一旦确定了宝石表面上的点x的表面法线和光束路径之间的相对定位，平台和光源就可以相对于彼此移动，以使光束路径基本上与光束路径和表面相交处的表面法线对齐成一直线。对于粗糙的表面，所述对齐可能不是非常精确，且因此光束路径可能在交点处与表面法线基本对齐或基本成一条直线，以至少改善在交点处光束相对于表面的对齐，因此它们至少彼此接近(或比以前更接近)成90度。例如，取决于用户的要求，89度或88度(或更小)可能就足够了。例如，所述对齐可以基于定义的表面区域上的平均对齐值，因此其中对齐是近似的。因此，该系统在交点附近在光束路径和表面法线之间实现了更好的整体对齐。作为另一示例，在发现表面法线在被映射的表面区域上不够平坦的情况下，可以在光束的尺寸上对表面法线进行平均。
此外，系统可以通过缩放(scale)异物距宝石表面的距离来调整三维坐标。检测到的异物与宝石表面的距离可以通过将异物与表面的距离除以宝石的折射率来缩放。
因此，根据图2A和图2B所描绘的两个过程，可以以自适应方式生成可视异物的位置的改进的三维坐标，其中在表面下映射阶段期间调整表面下映射装置和宝石的相对位置以检测且然后首先计算可视异物的正确位置；或者以非自适应方式生成可视异物的位置的改进的三维坐标，其中生成标识可视异物的感知的初始位置的初始坐标，并调整或修改这些坐标以产生可用于生成三维映射的最终坐标。
图3A示出了用于生成三维坐标的示例过程。该过程开始于步骤S501。在步骤S503，确定宝石的表面几何形状。在步骤S505，使用光学断层成像过程来映射宝石的表面下。在步骤S507，在光束路径与表面几何形状相交的点处确定表面法线。在步骤S509，确定表面法线和光束路径之间的相对定位。在步骤S511，基于映射步骤S505和在步骤S509中确定的相对定位，生成宝石中的一个或多个可视异物的三维坐标。该过程在步骤S513结束。
图3B示出了用于生成三维坐标的示例过程。该过程开始于步骤S601。在步骤S603，确定点x处的宝石的表面几何形状。在步骤S605，确定点x处的表面法线。在步骤S607，确定在点x处的表面法线和光束路径之间的相对定位。在步骤S609，调整宝石相对于光束的定位，以使光束路径与光束路径和所述表面相交处的表面法线对齐(或基本成一直线)。在步骤S611，使用光学断层成像过程对穿过点x的射线路径上的宝石的表面下的点进行映射。对宝石表面上的所有点重复步骤S603至S611。在步骤S613，基于上述步骤，生成宝石中的一个或多个可视异物的三维坐标。该过程在步骤S615结束。
图3C示出了用于生成经修改的三维坐标的示例过程。该过程开始于步骤S701。在步骤S703，生成初始三维坐标。在步骤S705，确定在点x处的表面法线和光束路径之间的相对定位。在步骤S707，基于所确定的相对定位，使用在点x处照射所述表面的光束，针对可视异物的位置，修改该初始三维坐标。对宝石表面上的所有点重复步骤S705和S707。该过程在步骤S709处结束。
在对三维坐标进行上述校正之后，如果需要，可以产生映射。现在提供如何生成这种映射的示例。
步骤1：与校正的表面下扫描坐标相关的是反射率值，该反射率值取决于该位置处可视异物的存在。为了计算要生成的映射，我们对每个坐标位置(x，y，z)存储两个值：总和(Sum)以及计数，这两个值均初始化为零。
步骤2：对于来自表面下扫描的每条射线的每个点P，执行步骤3-6。
步骤3：使用P的座标来确定P在3D映射中的位置，并标记为(x，y，z)。
步骤4：在该3D映射中找到(x，y，z)的8个最近的网格点-如果(x，y，z)在相同的坐标中，则这8个点是((int(x)，int(y)，int(z))和(int(x)+1，int(y)+1，int(z)+1)的8个组合。即，这8个网格点构成了点(x，y，z)位于其中的立方体的顶点。
步骤5：基于这些点到(x，y，z)的距离为这些点中的每个点分配权重-较近的点权重较高，且权重之和(Sum)为1.0。
步骤6：对于8个网格点中的每一个，按权重增加该位置处的计数值，且按权重*值来增加该位置处的和值(sum value)，其中值是P处的OCT反射率值。此步骤有效地在每个点周围进行了加权平均，以使得结果平滑。
步骤7：(迭代之后)：对于3D映射中的所有网格点X，将map(X)设置为：如果Count(X)＝＝0，则map(X)为0，否则为Sum(X)/Count(X)。
这就基于散射强度值(在使用OCT的情况下)或与所使用的光学断层成像过程相关联的其他值来产生了映射。因此，可视异物的检测基于通过光学断层成像过程在空间中特定点(宝石内部)处测得的散射信号(例如散射强度)。
在一个示例中，用于确定表面几何形状的表面映射步骤和用于检测一个或多个可视异物的表面下映射步骤可以作为单个映射步骤同时执行。也就是说，如果将光学断层成像过程(例如OCT)用于表面和表面下映射两者，则在该过程期间获得的数据可用于表面映射和表面下映射步骤两者。对于在确定表面几何形状期间的同时的映射/表面下映射，可以确定与宝石的表面的一部分相关联的局部表面几何形状。
在一个示例中，可以在表面下映射步骤之前执行表面映射步骤。宝石表面几何形状的完整映射可以在宝石的完整表面下映射开始之前进行。或者，可以在完成宝石的部分表面下映射之前执行宝石的部分表面映射，并且可以重复部分表面映射和表面下映射，直到整个宝石被表面映射和表面下映射为止。
在一个示例中，在表面映射步骤之前、该步骤期间和/或之后收集的XCT数据可包括表面下映射数据，该表面下映射数据可用于增强可视异物三维坐标，该可视异物三维坐标用于生成三维映射。即，本文描述的系统或方法可以被布置为在表面下映射步骤之前或之后执行表面映射步骤。
在一个示例中，来自在额外的表面下映射步骤中收集的数据的额外的可视异物信息可以用于补充三维坐标的确定。
在表面映射步骤期间，可以使用X射线计算断层成像和光学相干断层成像中的一种或多种来确定表面几何形状。
通用平台既可用于表面映射步骤，又可用于表面下映射步骤。
除了X射线计算断层成像和OCT以外的技术或过程可以用于执行表面映射步骤，诸如，例如，激光扫描技术和结构化照明技术。
光束路径和表面法线之间的入射角可以使用任何适当的手段来计算。例如，可以使用对光束路径与宝石表面相交处的点x附近的边界点的平面拟合来计算表面法线。作为另一示例，在将最佳拟合(D)平面确定为Ax+By+Cz＝D的情况下，所述法线是矢量(A，B，C)。或者，可以使用基于直接网格的方法。还可以采用其他备选方案。
斯涅尔(Snell)折射定律可用于计算在光束进入宝石时光束路径的折射，以及计算在光束已进入宝石后沿光束路径的每个点的位置。
可以使用OCT散射强度值来生成标识一个或多个可视异物的三维映射，例如，通过将这些值插值到在表面映射阶段产生的宝石的三维图像中。
光束与宝石的表面相交处的交点可以使用任何合适的计算几何来计算，例如，将宝石表面表示为三角网格，并通过计算光束与包含每个三角形的无限平面的交点以及然后检查该交点是否位于该三角形内，来针对网格中的每个三角形确定束是否与所述三角形相交。
可以通过在表面下映射阶段期间最大化可视异物检测交迭来改善生成的图像。即，例如，可以使用进入宝石内部的每个位置的多个视图(坐标生成)来提高对异物的位置确定的准确性。因此，可以基于从不同视角或在不同表面交点处获得的表面下映射结果的一致性来改进和调整所确定的(例如)可视异物的位置。例如，该一致性映射过程还可使用XCT数据或来自其他来源的数据，以提高对异物的位置确定的准确性。
图4A和4B描绘了通用计算机系统1300，对该通用计算机系统可以实践所描述的各种布置和/或可以实现和控制所描述的方法。
如在图4A中可见，计算机系统1300包括：计算机模块1301；输入装置，例如键盘1302，鼠标指针装置1303，触摸屏1326，相机1327，和麦克风1380；包括打印机1315、显示装置1314和扬声器1317的输出装置。计算机模块1301可以使用外部调制器-解调器(Modem)收发器装置1316，以通过连接1321与通信网络1320进行往来通信。通信网络1320可以是广域网(WAN)，例如因特网，蜂窝电信网络或专用WAN。在连接1321是电话线的情况下，调制解调器1316可以是传统的“拨号”调制解调器。或者，在连接1321是大容量(例如，电缆)连接的情况下，调制解调器1316可以是宽带调制解调器。无线调制解调器也可以用于到通信网络1320的无线连接。
计算机模块1301通常包括至少一个处理器单元1305和内存单元1306。例如，内存单元1306可以具有半导体随机存取内存(RAM)和半导体只读内存(ROM)。计算机模块1301还包括多个输入/输出(I/O)接口，包括：耦合到视频显示器1314、扬声器1317和麦克风1380的音频-视频接口1307；耦合到键盘1302、鼠标1303，扫描仪1326，相机1327以及可选地操纵杆或其他人机接口装置(未示出)的I/O接口1313；以及用于外部调制解调器1316和打印机1315的接口1308。在一些实施方式中，调制解调器1316可以被结合在计算机模块1301内，例如被结合在接口1308内。计算机模块1301还具有局域网络接口1311，其允许经由连接1323将计算机系统1300耦合到称为局域网(LAN)的局域网通信网络1322。如图4A中所示，局域通信网络1322还可以经由连接1324耦合到广域网1320，该连接通常将包括所谓的“防火墙”装置或具有类似功能的装置。局域网络接口1311可以包括以太网电路卡，无线布置或IEEE802.11无线布置；然而，可以为接口1311应用许多其他类型的接口。
I/O接口1308和1313可以提供串行和并行连接中的一个或两个，前者通常根据通用串行总线(USB)标准来实现，并且具有对应的USB连接器(未示出)。提供了存储装置1309，其通常包括硬盘驱动器(HDD)1310。也可以使用其他存储装置，例如软盘驱动器和磁带驱动器(未示出)。通常提供光盘驱动器1312以用作数据的非易失性源。例如，诸如光盘(例如，CD-ROM，DVD，Blu ray Disc(蓝光光盘)TM)，USB-RAM，便携式外部硬盘驱动器和软盘之类的便携式存储装置可以用作系统1300的适当数据源。
计算机模块1301的组件1305至1313通常经由互连总线1304并且以相关领域技术人员已知的导致计算机系统1300的常规操作模式的方式进行通信。例如，处理器1305使用连接1318耦合到系统总线1304。类似地，内存1306和光盘驱动器1312通过连接1319耦合到系统总线1304。可以在其上实践所描述的布置的计算机的示例包括IBM-PC及其兼容产品，Apple MacTM或类似的计算机系统。
可以使用计算机系统1300来实现检测可视异物的方法，其中，可以作为可在计算机系统1300内执行的一个或多个软件应用程序1333来实现本文所述的图3A-3C所示的过程。特别地，检测可视异物的方法的步骤由在计算机系统1300内执行的软件1333中的指令1331(见图4B)实现。软件指令1331可以形成为一个或多个代码模块，每个代码模块用于执行一个或多个特定任务。该软件还可以分为两个单独的部分，其中第一部分和相应的代码模块执行可视异物检测方法，且第二部分和相应的代码模块管理第一部分和用户之间的用户接口。
例如，软件可以存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质包括以下描述的存储装置。该软件从计算机可读介质加载到计算机系统1300中，且然后由计算机系统1300执行。具有记录在计算机可读介质上的这种软件或计算机程序的计算机可读介质是计算机程序产品。计算机系统1300中计算机程序产品的使用优选地实现了用来检测可视异物的有利设备。
软件1333通常存储在HDD1310或内存1306中。该软件从计算机可读介质加载到计算机系统1300中，并由计算机系统1300执行。因此，例如，软件1333可以存储在由光盘驱动器1312读取的光学可读盘存储介质(例如，CD-ROM)1325上。其上记录有这种软件或计算机程序的计算机可读介质是计算机程序产品。计算机系统1300中计算机程序产品的使用优选地实现了用于检测可视异物的设备。
在某些情况下，可以将应用程序1333提供给用户，该应用程序在一个或多个CD-ROM1325上进行编码，并经由相应的驱动器1312读取，或者备选地可以由用户从网络1320或1322读取。更进一步，软件还可以从其他计算机可读介质加载到计算机系统1300中。计算机可读存储介质是指将记录的指令和/或数据提供给计算机系统1300以执行和/或处理的任何非暂时性有形存储介质。这种存储介质的示例包括软盘，磁带，CD-ROM，DVD，Blu-rayTM盘，硬盘驱动器，ROM或集成电路，USB存储器，磁光盘或计算机可读卡，例如PCMCIA卡等，无论这些装置是在计算机模块1301的内部还是外部。也可能参与将软件、应用程序、指令和/或数据提供到计算机模块1301的暂时性或非有形的计算机可读传输介质的示例包括无线电或红外线传输信道，以及到另一台计算机或联网装置的网络连接，以及因特网或内联网，包括电子邮件传输和记录在网站上的信息等。
应用程序1333的第二部分和上述相应的代码模块可以被执行以实现一个或多个要在显示器1314上呈现或以其他方式表示的图形用户接口(GUI)。通过典型地对键盘1302和鼠标1303的操纵，计算机系统1300和应用程序的用户可以以功能上可适应的方式操纵该接口，以向与GUI(一个或多个)相关联的应用程序提供控制命令和/或输入。也可以实现其他形式的功能可适应性用户接口，例如利用经由扬声器1317输出的语音提示和经由麦克风1380输入的用户语音命令的音频接口。
图4B是处理器1305和“内存”1334的详细示意框图。内存1334表示可以被图4A中的计算机模块1301访问的所有内存模块(包括HDD1309和半导体内存1306)的逻辑集合。
当计算机模块1301最初被加电时，执行加电自检(POST)程序1350。POST程序1350通常存储在图4A的半导体内存1306的ROM1349中。诸如存储软件的ROM 1349的硬件装置有时被称为固件。POST程序1350检查计算机模块1301内的硬件，以确保正常运行，并通常检查处理器1305，内存1334(1309、1306)和基本输入输出系统软件(BIOS)模块1351—这些模块通常也存储在ROM 1349中，用于正确操作。一旦POST程序1350已经成功运行，BIOS 1351就激活图4A的硬盘驱动器1310。硬盘驱动器1310的激活使得驻留在硬盘驱动器1310上的引导加载程序1352经由处理器1305来执行。这将操作系统1353加载到RAM内存1306中，操作系统1353在此开始操作。操作系统1353是可由处理器1305执行的系统级应用程序，以实现各种高级功能，包括处理器管理，内存管理，装置管理，存储管理，软件应用程序接口和通用用户接口。
操作系统1353管理内存1334(1309、1306)，以确保在计算机模块1301上运行的每个进程或应用程序都具有足够的内存可在其中执行而不会与分配给另一个进程的内存冲突。此外，必须适当地使用图4A的系统1300中可用的不同类型的内存，以便每个进程可以有效地运行。因此，聚集内存1334并非旨在示出如何分配内存的特定段(除非另有说明)，而是旨在提供计算机系统1300可访问的内存以及如何使用该内存的总览。
如图4B所示，该处理器1305包括许多功能模块，包括控制单元1339，算术逻辑单元(ALU)1340以及局部或内部内存1348，有时称为高速缓冲内存。高速缓冲内存1348通常在寄存器部分中包括多个存储寄存器1344-1346。一个或多个内部总线1341在功能上互连这些功能模块。处理器1305通常还具有一个或多个接口1342，用于使用连接1318经由系统总线1304与外部设备进行通信。内存1334使用连接1319耦合至总线1304。
应用程序1333包括指令1331的序列，其可以包括条件分支和循环指令。程序1333还可包括在程序1333的执行中使用的数据1332。指令1331和数据1332分别存储在内存位置1328、1329、1330和1335、1336、1337中。取决于指令1331和内存位置1328-1330的相对大小，可以将特定指令存储在单个内存位置中，如在内存位置1330中所示的指令所描绘的。或者，可以将指令分段为多个部分，其中的每一个都存储在单独的内存位置中，如内存位置1328和1329中所示的指令段所描绘。
通常，向处理器1305提供在其中执行的一组指令。处理器1305等待随后的输入，处理器1305通过执行另一组指令来对该随后的输入作出反应。可以从多个源中的一个或多个中提供各个输入，包括由输入装置1302、1303中的一个或多个生成的数据，在网络1320、1302中的一个上从外部源接收的数据，从存储装置1306、1309中的一个获取的数据，或从插入相应读取器1312中的存储介质1325中获取的数据，其都在图4A中描绘出。在某些情况下，一组所述指令的执行可能会导致数据输出。执行还可以涉及将数据或变量存储到内存1334中。
所公开的可视异物检测布置使用输入变量1354，其被存储在内存1334中在相应的内存位置1355、1356、1357中。该可视异物检测布置产生输出变量1361，其被存储在内存1334中在相应的内存位置1362、1363、1364中。中间变量1358可以存储在内存位置1359、1360、1366和1367中。
参照图4B的处理器1305，寄存器1344、1345、1346，算术逻辑单元(ALU)1340和控制单元1339共同工作，以对于组成程序1333的指令集中的每个指令，执行微操作序列，该微操作序列是执行“获取、解码和执行”循环所需的。每个获取、解码和执行循环包括：
获取操作，其从内存位置1328、1329、1330获取或读取指令1331；解码操作，其中控制单元1339确定已经获取了哪个指令；和
执行操作，其中控制单元1339和/或ALU1340执行该指令。
此后，可以执行针对下一条指令的进一步获取、解码和执行循环。类似地，可以执行存储循环，控制单元1339通过该存储循环将值存储或写入到内存位置1332。
在图3A-3C的过程中的每个步骤或子过程与程序1333的一个或多个段相关联，并且由处理器1305中的寄存器部分1344、1345、1347，ALU1340和控制单元1339来执行，它们一起工作以针对程序1333的所提到的段的指令集中的每个指令，来执行获取、解码和执行循环。
检测可视异物的方法可以备选地在专用硬件中实现，例如执行检测可视异物的功能或子功能的一个或多个集成电路。这样的专用硬件可以包括图形处理器，数字信号处理器或一个或多个微处理器和相关联的内存。
工业适用性
所描述的布置总体上适用于处理宝石、矿物或其样本的工业以及光学数据处理工业。
前述内容仅描述了本发明的一些实施例，并且在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以对其进行修改和/或改变，这些实施例是说明性的而非限制性的。
在本说明书的上下文中，词语“包括”是指“主要包括但不一定单独包含”或“具有”或“包含有”，而不是“仅由......组成”。“包括”一词的变体，例如“包括了”和“包括有”具有相应地不同的含义。

Claims (18)

1.一种确定宝石、矿物或其样本中的异物和/或杂质的位置的方法，所述方法包括以下步骤：
对宝石、矿物或其样本进行表面映射，以确定与所述宝石、矿物或其样本的至少一部分表面相关联的表面几何形状；
使用沿着光束路径指向所述表面的光束对所述宝石、矿物或其样本进行表面下映射，其中所述光束是由光源使用光学断层成像过程生成的；
在所述光束路径与所确定的表面几何形状之间的交点处确定所述表面处的表面法线；
确定所述表面法线和所述光束路径之间的相对定位；
基于所述表面下映射步骤和确定的相对定位，确定所述宝石、矿物或其样本中的异物和/或杂质的位置；
其中，基于所确定的相对定位，在对所述宝石、矿物或其样本的所述表面下映射期间，使所述宝石、矿物或其样本和所述光束相对于彼此移动，以使得在该光束路径与所述表面相交处所述光束路径与所述表面法线成一直线。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述异物和/或杂质的位置的步骤包括以下步骤：基于对所述宝石、矿物或其样本的初始表面下映射，生成所述宝石、矿物或其样本中的所述异物和/或杂质的三维坐标的初始集合；和
基于所确定的相对定位来修改初始三维坐标，以产生异物和/或杂质的修改的三维坐标。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，修改步骤包括：确定所述光束路径与所述表面法线之间的入射角；以及基于所述入射角和与所述光束路径和所述宝石、矿物或其样本相关的一个或多个折射参数来修改所述初始三维坐标。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述表面映射步骤和表面下映射步骤作为单个映射步骤同时执行。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述表面映射步骤在所述表面下映射步骤之前或之后执行。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面映射步骤包括使用X射线计算断层成像、光学相干断层成像、激光扫描和结构化照明中的一种或多种来确定所述表面几何形状。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述表面下映射步骤包括使用光学相干断层成像和光学投影断层成像中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤：基于从所述宝石、矿物或其样本的表面上的不同视角或在不同表面交点处获得的表面下映射结果之间的一致性，来改进所述异物和/或杂质的所确定的位置。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，确定位置的步骤包括以下步骤：确定所述异物和/或杂质的位置的三维坐标，并且基于所确定的三维坐标来生成三维映射。
10.一种用于确定宝石、矿物或其样本中的异物和/或杂质的位置的系统，所述系统包括：
表面映射装置，其布置成用于对宝石、矿物或其样本进行表面映射，以确定与所述宝石、矿物或其样本的至少一部分表面相关的表面几何形状；
表面下映射装置，其被布置为使用沿着光束路径指向所述表面的光束对所述宝石、矿物或其样本进行表面下映射，其中所述光束是由光源使用光学断层成像过程生成的；和
计算系统，其被布置为确定在所述光束路径与所确定的表面几何形状之间的交点处的表面处的表面法线；
确定所述表面法线和所述光束路径之间的相对定位；和
基于所述表面下映射步骤和所确定的相对定位，确定所述宝石、矿物或其样本中的异物和/或杂质的位置；
其中，基于所确定的相对定位，在对所述宝石、矿物或其样本的表面下映射期间，所述宝石、矿物或其样本和所述光束相对于彼此移动，以使所述光束路径与该光束路径相交于所述表面处的表面法线成一直线。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述系统被布置为基于对所述宝石、矿物或其样本的初始表面下映射，通过生成所述宝石、矿物或其样本中的所述异物和/或杂质的三维坐标的初始集合来确定所述异物和/或杂质的位置；和
基于所确定的相对定位来修改初始三维坐标，以产生所述异物和/或杂质的修改的三维坐标。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述系统被布置为通过确定所述光束路径和所述表面法线之间的入射角，并基于所述入射角和与所述光束路径和所述宝石、矿物或其样本相关的一个或多个折射参数来修改所述初始三维坐标，来对所述初始三维坐标进行修改。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述系统被布置为作为单个映射步骤同时执行所述表面映射步骤和表面下映射步骤。
14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述系统被布置为在所述表面下映射步骤之前或之后执行所述表面映射步骤。
15.根据权利要求10所述的系统，其中所述表面映射装置被布置为使用X射线计算断层成像、光学相干断层成像、激光扫描和结构化照明中的一种或多种来确定所述表面几何形状。
16.根据权利要求10所述的系统，其中，所述表面下映射装置被布置为使用光学相干断层成像和光学投影断层成像中的一个或多个来对所述表面下进行映射。
17.根据权利要求10所述的系统，其中，所述计算系统被布置为基于从不同视角或在所述宝石、矿物或其样本的表面上的不同表面交点处获得的表面下映射结果之间的一致性，来改进所述异物和/或杂质的确定位置。
18.根据权利要求10所述的系统，其中，所述计算系统被布置为通过确定所述异物和/或杂质的位置的三维坐标，以及基于所确定的三维坐标生成三维映射，来确定所述异物和/或杂质的位置。
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