CN115210558A - 宝石成分的确定 - Google Patents
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Abstract
一种确定经抛光的宝石的成分的方法，该方法包括：使激发光束从宝石的台面基本上到底尖穿过宝石，激发光束的轴线基本上垂直于台面；并且从与激发光束的轴线倾斜的角度捕获由宝石发射的冷光。
Description
技术领域
本发明涉及一种确定经抛光的宝石成分的方法。特别地，该方法涉及确定经抛光的宝石是否是仿品。
背景技术
宝石(特别是钻石)产业中的主要问题是存在未公开的合成物，包括杂合石和仿品石。仿品基本上是生长到或以其他方式附接到天然切割石上的合成石。例如，如图1a和图1b所示，可以通过添加合成石来增强天然石亭部10(在该情况下为化学气相沉积(CVD)冠部12)以形成复合件或仿品14。除了天然亭部与合成冠部的组合之外，如图1b所示，仿品还可以由天然冠部与合成亭部组成。在图1c中进一步示出了切割宝石的各种元素(台面、冠部、腰部、亭部、底尖(底面，culet))。通常，闪耀的切割宝石的台面至腰部的距离为约石或宝石总深度的25％。
可以用合成层或过生长来执行改变天然石的颜色(例如，通过添加掺杂硼的合成层使无色天然石呈现蓝色)，或者引起价格突破(例如，通过使天然石的重量高达0.5或1克拉)来增强天然石。已经报道了包括过生长740微米厚度的合成CVD的仿品。
识别钻石(其为纯合成物)的能力已主要通过开发深UV成像仪器(诸如DiamondViewTM以及SynthDetectTM)、经由天然钻石标志的知识来解决。然而，对仿品的识别提出了更大的挑战，因为它们可能通过初始筛选，并且因此可能永远不会被更先进的筛选仪器用于参考测试。特别地，虽然花式彩色(例如蓝色)的石或宝石可能被DiamondView参考以用于进一步测试，但是这不太可能发生在无色的石或宝石的情况下。
因此，期望开发对仿品(特别是IIa/IaAB型的钻石)的有效筛选。优选地，这种筛选将检测存在于石或宝石的冠部或亭部上的合成材料，并且适应于松散且镶嵌的石或宝石。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种确定经抛光的宝石的成分的方法。该方法包括：使激发光束从宝石的台面基本上到底尖穿过宝石，激发光束的轴线基本上垂直于台面；并且从与激发光束的轴线倾斜的角度捕获由宝石发射的冷光。
可以以与从宝石的台面延伸至图像捕获平面的光轴倾斜第一角度来将冷光捕获在图像捕获平面中。倾斜角度可以可选地为约60°或50°。
该方法可以包括生成宝石的冷光特性的轴向轮廓。
该方法可以包括确定轴向轮廓是否包括一个或多个不连续处，其中在存在不连续处的情况下，将宝石识别为仿品。
该方法可以包括在相对于光束横向移动宝石时捕获冷光。
激发光束可以包括光片。
激发光束可以具有基本上532nm的波长。可选地，激发光束可以具有基本上405nm的波长。
所发射的冷光可以是荧光。另外地或可选地，所发射的冷光可以是磷光。
宝石可以是钻石。宝石可以镶嵌在珠宝或类似物中。
根据本发明的另一方面，提供了一种确定经抛光的宝石是否是仿品的方法。该方法包括：激发宝石以产生冷光；以倾斜于激发轴线的角度捕获所述冷光；生成宝石的轴向冷光轮廓；并且，在该轮廓包括一个或多个不连续处的情况下，将宝石识别为仿品。
根据本发明的另一方面，提供了一种确定经抛光的宝石的成分的设备。该设备包括：激发源，该激发源被配置成用激发光束经由宝石的台面照射宝石；以及捕获装置，该捕获装置被配置成以与激发光束的轴线倾斜的角度捕获由宝石发射的冷光。
该设备可以包括聚焦系统，该聚焦系统被配置成聚焦由宝石发射的冷光，以在捕获装置处产生图像。
捕获装置的图像捕获平面可以与所述聚焦系统的光轴成第一角度。该第一角度可以与所述光轴和激发光束的轴线之间的第二角度基本上相等且相反。
聚焦系统可以包括一个或多个透镜。
该设备可以包括被配置成聚焦激发光束的透镜。
该设备可以包括被配置成相对于激发光束移动宝石的装置。
该设备可以包括处理器，该处理器联接到捕获装置，并且被配置成生成宝石的冷光特性的轴向轮廓。
图像捕获平面、光轴、聚焦系统和激发光束可以被配置成能够实现沙氏(Scheimpflug)断层扫描。
该设备可以包括处理器，该处理器被配置成将由捕获装置捕获的冷光转换成图像，在图像中搜索不连续处，并且在存在这种不连续处的情况下，确定宝石为仿品。
附图说明
图1a示出了天然切割宝石；
图1b示出了仿品；
图1c示出了切割宝石的方面；
图2是用于确定经抛光的宝石的成分的设备的示意图；
图3示出了待满足的光学条件；
图4a和图4b示出了第一宝石的冷光轮廓；
图5a和图5b示出了第二宝石的冷光轮廓；以及
图6示出了其他宝石的断层扫描。
具体实施方式
本文描述了使用沙氏断层扫描(即，分段对宝石成像)来确定经抛光的宝石的成分的方法。该方法包括使激发光束以从台面基本上向下到达底尖的方式穿过经抛光的宝石，并且以倾斜于激发光束的轴线的角度捕获由宝石发出的冷光。所捕获的冷光可以用于产生宝石的冷光特性的轴向横截面。
激发光束的波长可以被选择成根据不同的宝石点缺陷(例如，N3中心(围绕空位的三个氮原子)和/或NV-中心(邻近空位的一个取代氮原子))产生冷光(即，荧光)。在一个非限制性示例中，激发光束可以具有基本上532纳米(nm)的波长。这种光束可以由绿色激光提供，所述绿色激光可以用于激发预期在宝石内所存在的任何CVD材料中的中心。在另一非限制性示例中，可以使用紫色激光(具有约360nm-480nm的波长，并且优选地小于415nm，例如为405nm)来激发存在于大多数天然钻石中的N3缺陷。可选地或另外地，可以使用双色冷光断层扫描来获得石或宝石的一个或多个图像。
根据沙氏原理，以与光束方向成一定角度(即离轴)来捕获由激发光束产生的任何冷光，其中照射平面和图像平面彼此倾斜。
利用光片的沙氏技术在角膜摄影学和荧光显微镜领域中是已知的。激光片包括仅使用透镜在一个方向上聚焦的光束。沙氏技术的优点可以包括：速度(光子效率方面，因为光仅在焦平面中)；多通道(适用于多光谱成像)；以及成本(CMOS相机技术可以用于获取图像)。
由于对镶嵌的宝石成像是可行的，沙氏技术在这方面具有额外的优点，因为石或宝石被光束或光片从上方开始从台面向下到亭部进行“扫描”。将理解的是，不是直接地收集通过经切割和抛光的宝石(诸如，钻石)的琢面的光，并且当宝石被镶嵌在珠宝(例如，戒指、项链、手表等)中时，在这种情况下，通常无法触及亭部，不可能直接地收集通过经切割和抛光的宝石的琢面的光。
将理解的是，非常短波长的光(低于约225nm)会被钻石强烈地吸收，并且因此将不会穿透石或宝石。因此，需要更长波长的激发，使得光束或光片可以一直穿透石或宝石。
图2中示出了用于执行上述确定经抛光的宝石110的成分的方法的示例性设备100。设备100包括光源120，光源120被配置成(在此实例中)产生光束(例如，10mW、532nm的高斯光束)130，所述光束130能够使用第一透镜140聚焦。设备100还包括捕获装置150(例如，CMOS装置或传感器)，捕获装置150被配置成经由一对物镜160(例如，背对背式10x0.3NA物镜，所述物镜收集来自宝石的光，并且聚焦所述光以在捕获装置150处产生图像)捕获由宝石110产生的冷光的图像。可选地，设备100可以包括链接到捕获装置150的处理器170。可选地或另外地，设备100可以包括双波长照射件。
如图2所示，该对物镜160在捕获装置150处产生宝石110的图像。光轴O与光束轴线B成角度
，而图像平面I与光轴成相似但成相反的角度
，这遵循沙氏原理，其中：
在图2的非限制性示例中，M＝x1，并且
。光束腰(即，其焦点处的光束大小)为约F#16(即，约16μm)。由于60度的角度，z分辨率为54μm，并且宝石的折射率为n＝2.4。在60度的角度下，可以对宝石的从台面向下的深度的约2/3进行成像。对于从台面到达底尖的全深度成像，角度(即
，
)为约50度。
通常，已知的显微镜和相机透镜被设计成紧密地遵循公知的阿贝(Abbe)正弦条件，并且因此产生接近衍射极限的横向2D图像。参考图3，阿贝正弦条件如下：
y0n0sinγ0＝y1n1sinγ1其中，n0与n1指物体与图像浸渍介质(实际上，两者皆为空气)。
然而，为了沿着透镜的光轴产生类似的无像差图像，还需要满足Hershel条件：
z0n0sin(γ0/2)2＝z1n1sin(γ1/2)2
对于要满足的两个条件，放大率要求是nimage/nobject，并且放大率必须满足：
γ0＝γ1
因此，成像的放大率被设置为1(即，M＝x1)，但实际上会经由宝石的折射率(n＝2.4)而缩小。换言之，表观深度以1/n＝1/2.4缩放捕获装置的轮廓。
对于干目标(即，通过空气操作)，放大率(m)＝1，并且m＝y1/y0＝z1/z0＝n0/n1。
上述设备100生成作为宝石110的冷光特性的轴向轮廓的图像，并且表示宝石110的材料成分的函数。以这种方式，可以识别宝石110内的不同材料层。
宝石110与设备100的部件的初始对准可以通过光成像所反射的亮视场以及对石或宝石的后部和前部的位置确定来进行。宝石110台面与光束轴线的垂直对准可以通过将来自宝石110台面的光束回复反射到象限二极管，或者通过使用类似的方法来进行。为了准确地确定任何所检测到的冷光的来源，宝石110的对准可能是必要的。
图4a示出了在约532nm的激发下通过由设备100捕获的石或宝石的冷光线轮廓/单个深度轮廓，其示出了1.3克拉的第一钻石宝石、获取时间为16ms的冷光(荧光)空间分布。该分布指示了宝石的台面(冠部)和亭部的冷光特性的差异或不连续性，即冠部比亭部的冷光(荧光)程度更大。从台面到亭部的冷光特性的这种变化表示，所成像的宝石是仿品，在这种情况下包括标准纯度的CVD台面和天然钻石亭部。
图4b图示了图4a的宝石的从台面到亭部的轴向冷光轮廓。
图5a示出了在532nm的激发下通过由设备100捕获的石或宝石的冷光线轮廓/单个深度轮廓，其示出了第二钻石宝石、获取时间为16ms的冷光(荧光)空间分布。该分布指示了宝石的冠部和亭部的冷光特性的差异或不连续性，即亭部比冠部的冷光(荧光)程度更大。从台面到亭部的冷光特性的这种变化表示，所成像的宝石是仿品，在这种情况下包括标准纯度的CVD合成亭部和HPHT(高压高温)合成冠部。
图5b图示了图5a的宝石的从台面到亭部的轴向冷光轮廓。
宝石110的2D断层扫描(即切片)可以经由光束扫描、通过光片生成、通过相对于光束/光片移动宝石、或其组合来获得。为了实现这一点，可以在上述设备100中包括x、y、z操纵装置(此处未示出)，所述x、y、z操纵装置相对于光束横向移动石或宝石。可选地，该装置可以用于使光束穿过静止的石或宝石。需要使用光束扫描两个维度，而使用光片扫描一个维度。
在图6中示出了具有CVD冠部和天然亭部的其他钻石宝石的断层扫描。与上面的图4a和图5a中所示的冷光轮廓相反，图6的轮廓是经由光束扫描(即，沿着与宝石的台面平行的线横向移动光束)生成。这产生了在激发下所产生的来自石或宝石的“切片”的冷光的图像。使用激光片代替光束的扫描可以实现相同的结果。如图所示，宝石包括在激发下发荧光的CVD(合成)冠部和不发荧光的天然亭部。
因此，图6中所示的断层扫描揭示了宝石的冷光特性的不连续性，其指示宝石包括不同材料的层(换言之，宝石是非均匀的并且由两种或更多种不同的材料形成)。石或宝石的冷光/非冷光区域之间的边界或界面基本上平行于台面。该界面可以在亭部、腰部或冠部中。
可选地，可以通过使宝石110围绕其中心轴线旋转来获得宝石的完整3D图和/或模型，以用于片照射或用于将光束扫描和物镜一起同步的单点照射。一旦已经获得石或宝石的多个2D图像(可选地使用多个图像捕获装置)，可以使用处理器组合这些2D图像以生成石或宝石的3D模型。可选地或另外地，处理器可以对所获得的2D图像执行图像处理，以清理和/或突出图像的区域，和/或将图像形状拟合成宝石的已知形状。
如本文所使用的，荧光是一种被表征为仅当进行激发时产生的冷光。磷光是一种一旦去除激发，会保留但是发生衰减的冷光。
如本文所使用的，天然被定义为来自自然界的仅由通过地质过程产生的钻石成分的石。如本文所定义的，术语“天然”表示石不是合成的，但是不排除石可能已经例如通过加压或热处理而进行处理的可能性，除非特别说明。
如本文所使用的，合成被定义为仅由通过人工或工业过程(诸如化学气相沉积或高压高温工艺)产生的钻石(金刚石)成分的人造材料。
如本文所使用的，处理被定义为例如通过化学或机械手段、通过照射或通过压力或热处理对天然材料(如上所定义的)进行改性，以便改善其颜色或透明度。
Claims (22)
1.一种确定经抛光的宝石的成分的方法，所述方法包括：
使激发光束从所述宝石的台面基本上到底尖穿过所述宝石，所述激发光束的轴线基本上垂直于所述台面；
从与所述激发光束的轴线倾斜的角度捕获由所述宝石发射的冷光。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，以与从所述宝石的台面延伸至图像捕获平面的光轴倾斜的第一角度，将所述冷光捕获在所述图像捕获平面中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括生成所述宝石的冷光特性的轴向轮廓。
4.根据权利要求3所述的方法，包括确定所述轴向轮廓是否包括一个或多个不连续处，其中在存在不连续处的情况下，将所述宝石识别为仿品。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在相对于所述光束横向移动所述宝石时捕获冷光。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述激发光束包括光片。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述激发光束具有基本上532nm的波长。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述激发光束具有基本上405nm的波长。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所发射的冷光为荧光。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述宝石是钻石。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述宝石镶嵌在珠宝或类似物中。
12.一种确定经抛光的宝石是否是仿品的方法，所述方法包括：
激发所述宝石以产生冷光；
以倾斜于激发轴线的角度捕获所述冷光；
生成所述宝石的轴向冷光轮廓；
并且，在所述轮廓包括一个或多个不连续处的情况下，将所述宝石识别为仿品。
13.一种确定经抛光的宝石的成分的设备，所述设备包括：
激发源，所述激发源被配置成用激发光束经由所述宝石的台面照射所述宝石；以及
捕获装置，所述捕获装置被配置成以与所述激发光束的轴线倾斜的角度捕获由所述宝石发射的冷光。
14.根据权利要求13所述的设备，包括聚焦系统，所述聚焦系统被配置成聚焦由所述宝石发射的冷光，以在所述捕获装置处产生图像。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述捕获装置的图像捕获平面与所述聚焦系统的光轴成第一角度。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述第一角度与所述光轴和所述激发光束的轴线之间的第二角度基本上相等且反向。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的设备，其中，所述聚焦系统包括一个或多个透镜。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的设备，包括被配置成聚焦所述激发光束的透镜。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的设备，包括被配置成相对于所述激发光束移动所述宝石的装置。
20.根据权利要求13至19中任一项所述的设备，包括处理器，所述处理器联接到所述捕获装置，并且被配置成生成所述宝石的冷光特性的轴向轮廓。
21.根据权利要求14至20中任一项所述的设备，其中，所述图像捕获平面、光轴、聚焦系统和激发光束被配置成能够实现沙氏断层扫描。
22.根据权利要求13至21中任一项所述的设备，还包括处理器，所述处理器被配置成将由所述捕获装置捕获的冷光转换成图像，在所述图像中搜索不连续处，并且在存在这种不连续处的情况下，确定所述宝石为仿品。
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