CN1902474A - 宝石中缺陷的检测 - Google Patents

Abstract

一种用于检测宝石的系统，该系统包括用于改变宝石温度的能量传输系统，对宝石进行成像并输出宝石的热量图的至少一个成像装置，利用热量图以确定热量图中辐射发生改变的区域的图像处理单元和由辐射发生改变的区域检测宝石中的至少一个缺陷的分析单元。

Description

宝石中缺陷的检测

技术领域

本发明涉及检测宝石品质的领域，尤其涉及对宝石中的内部缺陷或内含物的检测和测绘。

背景技术

天然钻石几乎不可避免地具有缺陷和杂质含量。缺陷或杂质含量越少，宝石的光泽度和透明度就越高，其价值也就越高。在钻石工业中，宝石的价值是通过已知的四C法，即净度(Clarity)、颜色(Color)、切工(Cut)和克拉(Carat)来确定。在这些参数中，净度可能是最难确定的，这是因为其要求对宝石的内部和外部的外观进行评价，而这在过去基本上是主观评定。该评价通常是使用放大10倍的放大镜通过目测进行，优选修正放大镜的色像差和球面像差以确保最佳的可靠性和精确度。决定宝石净度的主要因素之一是存在已知作为内含物的内部缺陷。该内含物可以是气泡或固体物质，最常见的一种固体内含物是非钻石形态的碳。后者会造成颜色范围为几乎无色至黑色的宝石内部的小斑点，在该行业中称为瑕疵(pique)。

内含物对宝石价值的影响取决于许多因素，包括宝石中内含物的数量、性质、尺寸、颜色和位置。因而，例如，靠近宝石中心的内含物比靠近将成为宝石的切割边缘(girdle)的位置的内含物更严重，切割边缘处的视觉影响通常可以通过细致的镶样技术而减弱。同样，较深的内含物比颜色较浅的内含物更严重。由于该内含物对宝石品质，并由此对宝石价值具有显著影响，因此其检测和分级就极为重要。此外，获知未切割宝石中内含物的范围和位置有助于钻石制作者(diamontaire)的决策过程：如何以及从哪里对未加工的宝石进行切割以由此获得最大价值。

除了检测钻石中由异物或由污染区构成的物理内含物之外，检测宝石中结构缺陷的存在也同样重要，所述结构缺陷来自内部结构瑕缺，如裂缝、裂纹、节疤、与宝石的其余部分取向不同的小的内部晶体、或其他的内部物理缺陷。使用现有技术的目测法，该缺陷通常比内含物更难以检测，这是因为它们与宝石其余部分的对比度通常很低，并且难以将它们与原料宝石上的表面损伤相区分。上述方法及其缺点也或多或少地适用于除了钻石之外的其他宝石的检测。

目前采用的主观目测法通常是不可靠的而且很慢。因而非常需要基于客观且可重复测量的技术、可以检测宝石、尤其是钻石中的内含物和缺陷的位置、特征和严重程度的系统和方法，从而克服目前的主观目测法的某些缺点。

发明内容

本发明旨在提供用于检测宝石、尤其是钻石中的缺陷特别是内含物的新的系统和方法，该系统和方法是基于对宝石的光学图像，优选是热红外区内的光学图像的计算机化检测和分析。应当理解常用术语检测不仅包括缺陷的真实存在，而且还包括缺陷的位置、尺寸或范围以及特征，该术语有时被如此使用并因此在本申请中如此声称。通过计算机化，该系统因而能够提供对内含物的严重程度、特征和位置的客观的可重复的测量。术语特征在本申请中通常理解为包括缺陷的尺寸、类型和光吸收性质中的至少一种。

根据第一优选实施方式，优选通过使宝石的温度升至室温以上，并观察由宝石所发出的红外辐射而运转系统，尽管这可以使用其他适宜的成像设备，但优选使用红外照相机。由于内含物可以比宝石的洁净区域发出更多的辐射这一事实，因此能够检测到内含物，并因此可以在宝石的红外图上绘制出来。内含物的范围和严重程度通过内含物区域中所产生的差示辐射(differential radiation)图案来检测。缺陷通常可以通过其向由被加热的宝石所发出的辐射提供的散射而得到检测，尽管也可以采用其他的光学机制使得该缺陷在红外图像中可见。

已知钻石具有良好的透光性，除了在5微米～7微米的区域内具有窄的轻微的吸收段以外，通常有70％以上可以通过光谱的可见区和红外区，至少对于Ia型钻石—最常见的天然钻石是这样。另一方面，宝石中的内含物在本发明中优选用于宝石成像的热IR(红外)波长处具有较高的吸收率。由于宝石每一部分的发射率与吸收率通常具有一一对应的关系，因此内含物也比其周围的洁净宝石具有更高的发射率。因此如果将宝石加热至环境以上的温度，则具有较高发射率的内含物明显比具有极低发射率的洁净宝石辐射得更多，因此在照相机所记录的IR图像中内含物能够被很清晰地区分。该发射率的差异是如此显著以致于即使是很小的内含物，或颜色很浅的内含物，发射效率也常常数倍于其周围的洁净宝石，因而易于辨别。如在照相机所记录的输出图像上所观察到的，加热后宝石的热曲线图因而能够通过适宜的图像处理程序进行分析，以提供宝石中内含物的位置和严重程度的图。

宝石的加热优选通过任何适宜的方法进行，如通过辐射加热、在炉中加热、通过强制对流加热(如使用热风扇)、或通过传导例如在加热板上加热。加热手段优选应当使宝石的温度均匀。为避免加热手段干扰所得到的IR图像，通常在记录IR图像之前停止加热，在冷却宝石的同时成像，或者，如果宝石与环境隔绝良好，几乎处于稳定状态下成像。可选并优选地，加热可以从一个方向进行，而成像从不能直接看到加热源的另一个方向，例如与加热方向正交的方向进行。另外，加热优选在与进行成像的波长不同的波长下，例如通过在成像通路或照明通路上使用滤波器进行。在该情况中，入射的热辐射的反射和散射不会明显干扰成像过程，因而能够在宝石仍被加热的同时连续成像。在紫外线波长下加热宝石通常是有利的，这是因为宝石，尤其是钻石，在紫外区的吸收比在可见区和IR区的更为可观。特别是，所有类型的钻石根据其类型在低于约225nm～250nm处均强烈吸收。

在宝石的周围使用热保护外壳有助于在加热阶段后维持宝石的温度，并在成像时使宝石免受外部辐射源的影响。如果被加热的宝石由冷却的外壳包围则能够得到更好的信号/噪音比，优选仅在宝石被照相机拍照的方向上开口。冷却优选利用安装在外壳壁上的热电冷却元件的手段进行。通过该手段能够简易地获得略低于室温的温度，并显著减小外部IR辐射对所记录的宝石的IR图像的影响。

为了在三维方向上检测缺陷或内含物的位置，必需至少从两个方向，优选是正交方向上对宝石成像。成像优选利用固定有宝石的旋转转台完成，或利用两台相应布置的照相机来完成，或利用光学仪器来完成，优选利用反射镜和快门或能够使一个照相机从所选的正交方向中的任意一个方向对宝石进行交替成像的转换镜。

根据本发明的另一优选实施方式，宝石优选利用辐射源加热，以使具有较高吸收率的内含物与具有很低吸收率的钻石的洁净区相比从光束中吸收更多的能量。内含物的温度因而升至周围钻石温度以上。吸收率的差异如此显著以致即使是很小的内含物，或颜色很浅的内含物，也比包围所述内含物的洁净宝石吸收多许多倍，因而其温度的升高明显高于其紧邻的洁净区。由此在照相机所记录的IR图像中观察到宝石中的该温差(在IR成像领域中称为宝石的“热特征”)。

由于内含物的吸收率和发射率彼此具有很强的紧密对应关系，因此在物理上该现象与上面第一实施方式中所述的现象有关，每一个现象都是根据其自身的物理模型描述的。然而，由于在该第二实施方式中，两种机制在形成内含物的图像时都是有效的，因此本发明的该实施方式与第一实施方式相比能够提供更明显的内含物图像。首先，内含物较高的吸收及其结果所产生的较高温度，有助于形成与宝石的其余部分具有良好对比度的图像。第二，它们超过宝石其余部分的增大的发射率与升高的温度的具有良好对比度的成像效果相结合，能够得到更好的内含物的图像对比度。

然而，钻石还具有另一种在建构并运行本发明的系统的该实施方式时需要考虑的不常见的性质，具体地是与测量的动力学有关。钻石具有非常高的导热性，可能是人们已知的导热性最高的天然材料。在室温下，其热导率超过铜的5倍。由于具有该性质，很难在钻石中保持显著的温度梯度。该不利之处还进一步与钻石相对较低的比热相结合，而该较低的比热有助于钻石中瞬时热扩散时的高热导率。这在实施本发明的该实施方式时产生了许多相关后果。

首先，为了获得最大瞬时作用，在钻石的高热导率“抹平”内含物处的局部温度升高之前，为尽可能快地在内含物处获得尽可能大的局部温差，使输入辐射尽可能的高是有利的。因而优选使用来自脉冲源如闪光管或脉冲激光的大脉冲的输入辐射，而不是连续加热。第二，由于周围的钻石将内含物处产生的热量非常有效地由该处传走，因此对内含物加热的效果非常局域化。由于非常局域化的温差，因此在准确测定内含物的位置方面具有积极作用。然而，有效利用该实施方式的一个障碍是，当加热源被移开时，钻石中来自热点的热传导的微分方程的瞬时解显示温差非常迅速地减小，钻石在很短的时间内达到均匀的温度。这意味着如果照射钻石使其温度升高，然后在辐射结束后进行热成像，则成像必需在停止加热后迅速进行，以避免钻石达到热平衡并抹平任何温差。

与上述第一实施方式相比，该效果对所述方法的动力学也有影响，由此可以进行成像。根据该优选实施方式，宝石优选以红外线源照射，切断红外线源，为了获得关于内含物的位置的三维信息，对经加热的宝石形成两个优选的正交图像。应当在结束辐射加热后尽快地获取这两个图像，并尽可能同时进行。同时地或接近同时地成像是重要的，这是因为内含物处产生的温度梯度会迅速减小。该成像优选通过上述的一种方法使用两个照相机或具有一个照相机的光学装置进行。可选地或优选地，本发明的该实施方式也可以连续加热并同时成像而进行，条件是采取了上述预防措施以保护成像照相机免受直接辐射，但是该稳定态加热方式与通过瞬时加热或间断加热所得到温度梯度相比，易于得到更小的温度梯度。

尽管如上所述根据本发明的该优选实施方式宝石的加热可以通过红外、可见或紫外光源进行，但由于在可见区内，内含物与钻石其余部分之间的吸收差异比在IR或UV中更大，因此使用可见光源是特别有利的。在IR区中，即使是内含物对许多波长范围也是相当透明的，就像钻石的其余部分一样，不过程度不同而已，而在UV中，内含物和钻石均完全不透明。因而，使用可见光源能够比使用IR或UV光源更快速地增大内含物与其背景之间的温差，因而根据该第二实施方式能够提供更好的对比度。

根据上述第一实施方式，在将宝石加热然后成像的同时缓慢冷却，或者甚至在仍然被加热的同时进行成像，成像的动力学不太重要，为获得内含物或缺陷的三维位置所需的宝石的第二正交图像可以通过在转台上旋转宝石，优选旋转90度之后优选用同一照相机来获取。

至少根据上述第一优选实施方式的经加热宝石的IR成像(其成像条件为准稳定态)可以通过两种优选方法中的一种进行。根据第一方法，成像在固定波长下进行，在冷却过程中优选并适宜地使宝石的温度缓慢变化。反复摄取图像，内含物与宝石其余部分的对比度随宝石的具体温度而变化。将这些内含物的图像浓度与作为温度函数的与内含物的发射性质有关的信息(预先存于数据库中)进行比较，从而能够使得内含物的性质和位置被唯一确定。根据第二方法，使宝石保持恒温，并在大量不同波长下，或在不同波段成像，从而使内含物的对比度随成像波长而变化。同样，将波长行为与作为波长函数的与内含物的发射性质有关的内含物强度信息的预先确定的数据相比较，能够使得内含物的性质和位置被唯一测定并绘制。

根据本发明的又一优选实施方式，缺陷或内含物的检测系统通过以具有内含物的而非周围的洁净钻石的频率特性的能量场照射宝石而将共振引入宝石中来运行。能量场可以是电磁场，如高频场或射频(RF)场；或声子场，如超声波场；或在预先选定的波长下调谐为表现出内含物的吸收光谱、或其吸收光谱的特定部分的特征的光束。内含物从场中选择性地吸收能量，并且温度的升高大于周围的洁净钻石的温度升高。然后优选使用IR照像机系统，通过涉及本发明前述实施方式的上述一种检测方法来检测该温度的升高。

尽管本发明的上述实施方式对钻石中的使用进行了大量描述，但应当理解本发明也可以用于检测其他宝石中的内含物和缺陷，除了清楚地表明了特指钻石及其性质的极少数情况之外，本申请中所使用并声称的术语钻石应当理解为也包括其他的宝石。然而，由于其他宝石中内含物的发射率的差异不如在钻石中的大(因为钻石的吸收率很低)，因此对于其他宝石使用该方法通常会造成图像对比度下降。此外，尽管本发明的上述实施方式已经广泛描述用于检测缺陷和/或内含物，但除了在特定的情况中该实施方式仅可以对内含物进行令人满意地操作对本领域的技术人员而言是显而易见的之外，应当理解在本申请中术语缺陷是指宝石中所有瑕缺的通称，并且也是如此声称的。

此外，即使本发明的上述各种实施方式在检测时是用加热宝石，并记录温度高于环境温度时的红外图像而进行描述，所述加热是由室温改变宝石温度的简单方法，但应当理解如果将宝石冷却至环境温度以下，并由此在低于室温的温度下记录宝石不同区域的不同发射或不同温度也同样能够实施本发明。因而可以理解尽管本申请中是以通过加热宝石来获得热差图像来作为参考，但并不意味着限制本发明的特征，冷却宝石以获得热差图像也同样包含在内并且也是可以理解的。例外的是关于仅适用于加热，例如，在实现温度差异的优选方法的描述中的本申请的特征。

因而，根据本发明的优选实施方式可以提供用于检测宝石的系统，该系统包括用于改变宝石温度的能量传输系统、对宝石进行成像并输出宝石的热量图的至少一个成像装置、利用热量图来确定热量图中发射发生改变的区域的图像处理单元、和由发射改变区检测宝石中的至少一个缺陷的分析单元。上述检测可以包括检测至少一个缺陷的位置、特点和大小中的至少一个因素。

根据本发明的其他优选实施方式，在上述系统中，能量传输系统包括能源以使宝石温度的改变包括使宝石温度升高至高于其环境温度，或吸能器以使宝石温度的改变包括使宝石温度降低至低于其环境温度。

此外，在上述任何一个实施方式中，所述至少一个成像装置优选使宝石在红外区成像。并且，所述至少一个成像装置可以是照相机。另外优选的是，发射改变区由该位置的温度发生不同于宝石其余部分的温度的变化所致。

在上述各种实施方式中，根据具体的实施方式，宝石中至少一种缺陷的特征由发射的变化程度或温度的变化程度而确定。

根据本发明的又一优选实施方式，在上述任何一个系统中，所述至少一个成像装置可以是两个成像装置，以使宝石中至少一个缺陷的位置能够以三维方向确定。可选并优选地，宝石可以相对于用于在至少两个方向成像的单个成像装置成角度地排布，以使宝石中至少一个缺陷的位置能够以三维方向确定。这优选利用固定宝石的转台来实现。

在涉及将宝石的温度升高至高于其环境温度的那些实施方式中，能源优选为辐射源、热空气源和传导源中的至少一种。辐射源优选发射红外线能量、可见光能量和紫外线能量中的至少一种。传导源优选是加热板。在涉及将宝石的温度降低至低于其环境温度的那些实施方式中，吸能器优选是热电冷却装置。

根据本发明的又一优选实施方式，上述系统还可以包含布置在辐射源和宝石之间的滤光器，从而用具有比成像频带宽度更窄的波长频带宽度的能量对宝石进行照射。可选地并优选地，滤光器可以布置在宝石与成像装置之间，以在比辐射频带宽度更窄的波长频带宽度下对宝石进行成像。在上述两种实施方式中的任一种中，可以操作滤光器以有效地降低来自辐射源的能量的反射或散射对宝石成像的影响。

根据本发明的又一优选实施方式，上述任何一个系统还优选包含至少一对偏振元件，至少一个元件位于能源与宝石之间，至少另一个元件位于宝石与成像装置之间。

此外，在上述任何一个系统中，宝石优选是钻石。另外，缺陷优选是内含物或内部结构瑕缺。

根据本发明的又一优选实施方式，在上述任何一个系统中，成像装置可以在不同温度和固定波长下连续生成宝石的图像，然后通过与有关作为温度函数的缺陷的发射性质的预定信息相比较，系统就能够确定所检测的缺陷的特征。可选地并优选地，成像装置可以在不同波长和固定温度下连续生成宝石的图像，然后通过与有关作为波长函数的缺陷的发射性质的预定信息相比较，系统就能够确定所检测的缺陷的特征。

根据本发明的又一优选实施方式也可以提供检测宝石的方法，该方法包括下述步骤：利用能量传输系统改变宝石的温度；利用至少一个成像装置对宝石进行成像；由至少一个成像装置中输出宝石的热量图；对热量图进行图像处理以确定热量图中的发射变化区；和分析发射变化区以确定宝石中的至少一个缺陷。上述检测包括检测至少一个缺陷的位置、特性和尺寸中的至少一个因素。

根据本发明的又一优选实施方式，在上述方法中，能量传输系统包含能源以使宝石温度的改变包括使宝石的温度升高至高于其环境温度，或包括吸能器以使宝石温度的改变包括使宝石的温度降低至低于其环境的温度。

此外，在上述任何一个实施方式中，所述至少一个成像装置优选在红外区对宝石进行成像。并且，所述至少一个成像装置可以是照相机。另外优选的是，发射改变区由所述位置的温度发生不同于宝石其余部分的温度的变化所致。

在涉及将宝石的温度升高至高于其环境温度的方法的那些实施方式中，成像步骤优选在终止利用能源将宝石温度升至其环境温度以上的步骤之后进行。终止使宝石升温的步骤优选利用光闸进行，或通过利用至少一个能量脉冲将能量转移至宝石而进行。

可选地并优选地，上述成像步骤优选在利用能量传输系统改变宝石的温度的步骤持续进行的同时进行。

根据本发明的又一优选实施方式，在上述任何一种方法中，所述至少一个成像装置可以是两个成像装置，以使宝石中至少一个缺陷的位置能够以三维方向确定。可选地并优选地，宝石可以相对于用于在至少两个方向成像的单个成像装置成角度地排布，以使宝石中至少一个缺陷的位置能够以三维方向确定。该成角度地排布的步骤优选包括下述步骤：提供用于将宝石固定在其上的转台，并旋转上面固定有宝石的转台以在至少两个方向上对宝石进行成像。

在涉及将宝石的温度升高至高于其环境温度的上述方法的那些实施方式中，能源优选为辐射源、热空气源和传导源中的至少一种。辐射源优选发射红外线能量、可见光能量和紫外线能量中的至少一种。传导源优选是加热板。在涉及将宝石的温度降低至低于其环境温度的那些实施方式中，吸能器优选是热电冷却装置。

根据本发明的又一优选实施方式，上述方法还包含将滤光器布置在辐射源和宝石之间的步骤，从而用具有比成像频带宽度更窄的波长频带宽度的能量对宝石进行照射。可选地并优选地，滤光器也可以布置在宝石与成像装置之间，以在比辐射频带宽度更窄的波长频带宽度下对宝石进行成像。在这两种实施方式中的任一种中，可以操作滤光器以有效地降低来自辐射源的能量的反射或散射对宝石图像的影响。

此外，在上述任何一种方法中，宝石优选是钻石。另外，缺陷优选是内含物或内部结构瑕缺。

根据本发明的再一优选实施方式还可以进一步提供用于分析宝石的计算机化的光学系统，该系统包含将信息输入至输出形状分配器的宝石绘图模块，所述宝石绘图模块由宝石的三维立体模型、确定由宝石获得的至少一个切面的理想形状的输入模块、和来自计算机化的缺陷检测单元的输出信息来获取其输入信息。

在用于宝石分析的该计算机化的光学系统中，宝石的三维立体模型优选包含确定宝石包络线(envelope)的一组坐标、一组三维多边形、和确定宝石中平面的一组形状以及它们相对于已知原点的矢量方向中的至少一个。此外，宝石的三维立体模型优选由下述单元中的至少一个获得：宝石尺寸测量单元、宝石形状测量单元、孔数据输入单元、和槽数据输入单元。计算机化的缺陷检测单元还优选提供用于宝石三维立体模型的宝石的轮廓数据。

在用于分析宝石的上述任何一种计算机化的光学系统中，计算机化的缺陷检测单元优选是热成像缺陷检测系统。

附图说明

由以下的详细描述并结合附图，可以对本发明进行更全面的理解和认识。

图1是根据本发明的第一优选实施方式建构和运行的用于检测并绘制钻石中内含物的系统的示意图；

图2是与图1所示的相似的但使用加热板来加热钻石的用于检测并绘制钻石中内含物的系统的另一优选实施方式的示意图；

图3是与图1所示的相似的但其中采用瞬时测量技术的用于检测并绘制钻石中内含物的系统的另一优选实施方式的示意图；

图4是使用本发明的系统而得到的热量图的形象化示意图，显示了在加热时成像的钻石，并描绘了钻石中内含物的存在；

图5是与图1所示的相似的但其中采用能源来共振激发钻石中的内含物的能级的用于检测并绘制钻石中内含物的系统的另一优选实施方式的示意图；和

图6是根据本发明的另一优选实施方式建构和运行的未经加工的钻石的计算机化的分析系统的总体解决方案的示意性方框图。

具体实施方式

现在参考图1，图1是根据本发明的第一优选实施方式建构和运行的用于检测并绘制钻石中内含物的系统的示意图。该系统包括辐射源10，所述辐射源10优选将所辐射的红外光束照射至被检测的钻石12上。然而，辐射源10可选地和优选地可以是可见光源或紫外(UV)光源。优选将钻石固定在能够使钻石按任何所需方向旋转的可调节的支架14上。红外成像装置，优选红外线照相机16，布置在能够观察被照射的钻石，但不能直接看见来自红外光源10的照射在钻石上的红外辐射的位置。因此红外线照相机的优选位置和瞄准方向与连接照射源和钻石的直线相垂直，并沿着与钻石相交的线定向。可选的第二红外线照相机17优选布置在与第一照相机16成已知角度，优选是90度的位置，以便产生第二组图像，根据该图像能够计算出内含物的三维位置。任何传统使用的热红外线波段都能够用于观察宝石，而无论是3微米～5微米，7微米～13微米，8微米～14微米，或照相机和光学元件可以利用的任何其他适宜范围。照相机优选装有被设计为能够以高放大倍数聚焦在宝石上的物镜。然而，由于高放大倍数的物镜的聚焦深度相对较短，因此通常一次仅能对相对薄的片成像，因而通常需要移动单元27来将宝石及其支架相对于照相机镜头进行移动，以对宝石深度上的另外切片进行成像。可以使用隔热罩22以将热宝石与其相邻的环境隔离，既防止其过于迅速地冷却又保护其免受外部红外线对成像过程的干扰。优选将一种或一种以上热电冷却元件23安装在罩壁上，以将罩壁冷却至室温以下，从而充分减小背景对所记录的红外线图像的干扰。在加热源和成像照相机方向开口的玻璃管或塑料管可以用作简单有效的罩。

如上所述，过滤单元25可以优选用来限制入射加热辐射或成像光束的频带宽度，以便与散射的或反射的入射光的波长相区分，从而能够同时进行加热和成像。可选地并优选地，可以使用偏振光以便更好地将显示缺陷的成像光与任何散射的入射光相区分。在该情况中，部件25可选地、或甚至额外地是分别在被检测的宝石的输入侧和输出侧上的偏振滤光器和分光滤光器。由于一些缺陷与宝石中的应力有关，如该优选实施方式中所述，该应力可以通过在交叉的偏光器之间进行观察而检测到，因此使用偏振光还能有效地提高缺陷的可检测性。可选地并优选地，该偏振元件也可以用于对会影响透过它们的光线的偏振性质的缺陷进行检测和定性。

将由照相机16输出的图像输入至控制单元18中，控制单元18优选包括帧接收器和图像处理模块。显示在监视器20上的输出优选为钻石的红外图像的形式，其具有钻石温度曲线图的色彩分级，可选地也可以将钻石的温度曲线图打印输出或进行数字记录。优选可以使用图像处理程序以便分析宝石的热量图，从而确定可以被识别为内含物的升温区的位置，然后生成所检测的内含物的三维位置，并且还优选提供对内含物的严重程度和/或特点的测量。

现在参考图2，图2是与图1所示的相似的用于检测并绘制钻石12中内含物的系统的另一优选部分的示意图，只是将所检测的钻石固定在加热板24上，或者可选地固定在导热源上，以此来代替图1的实施方式中的辐射源将宝石的温度升至环境温度以上。在图2所示的钻石中，内含物13位于宝石内部的一个角上。

可选地并优选地，也可以使用空气加热器通过强制对流来加热宝石，或可选地并优选地，宝石及其底座也可以位于具有适宜的光学观察口的炉中。

可选地并优选地，在将钻石或其他宝石冷却至室温以下以便对其进行热差成像的那些实施方式中，作为冷却宝石的优选方法，板24优选是热冷却板，例如热电冷却器。

在上述任意的优选实施方式中，通常足以改变宝石的温度使其比环境温度高20℃，或当使用冷却实施方式时比环境温度低20℃，以便产生效果上相当于数度温差的所需的图像对比度从而有助于宝石的检测。对于体积为1cc的宝石，加热10秒钟，简单的热容计算表明4W的输入功率就足以完成上述任务。该能级易于通过简便易行的方法获得。然而，应当理解的是本发明并不限于这些优选的加热级，而是也可以优选利用加热到更高的温度进行操作。根据又一优选的实施方式，可以使用具有抛物面反射器的石英卤素灯将宝石加热至约150℃。使用本发明的优选系统，例如上述的一种实施方式，可以廉价、准确并快速地对钻石中内含物进行检测和绘图。这表示本发明相对于检测该内含物的现有技术的方法有了显著的改进。

现在参考图3，图3是与图1所示的相似的用于检测并绘制钻石中内含物的另一优选系统的示意图，只是其中采用在上述第二实施方式中所述的瞬时测量技术。在该结构中，热源30优选是辐射热源，用来加热宝石12，或更具体地，优选加热宝石中的内含物。可选地并优选地，该热源可以是可见光源或UV源。一旦宝石被充分加热，在获得热量图时，优选将热源30切断，或通过光闸32切断其光输出。可以通过来自控制单元18的指令信号控制该时间点，并且辐射输入一被切断，优选尽快给出进一步的指令以从照相机16和/或17获得红外线图像。可选地并优选地，辐射源也可以是用于提供单一的大能量输入以加热宝石的脉冲源，在该情况中，不需要光闸32，热成像优选在发射了输入能量脉冲后立即进行。根据这些优选实施方式中的任何一个，如前所述，可以使用这些图像来生成钻石中所检测到的任意内含物的三维位置的热量图。

现在参考图4，图4是通过使用根据本发明的上述任一实施方式的系统而得到的经加热的钻石的热量图的形象化示意图。尽管图4的图像中的不同温度范围是由不同形式的阴影表示，但应当理解在实际的系统中，不同的温度将作为不同的显示颜色通过图像处理系统显示在图像监视器上。图4显示了在加热时被成像的钻石，并说明了钻石中存在内含物。在钻石右上侧的内含物由于具有比其紧邻环境更高的特有温度而在图像中被识别。宝石的其余部分通常更冷。钻石左侧延长的暗区是典型的内部缺陷，其明显地散射了本来会在该区域成像的辐射，因而其明显比周围更暗。最后，环绕钻石外围的温度明显更高的区域是人造物品，这是来自钻石面的热辐射的反射造成的。如果在终止加热后成像，则不会显现这些区域。然而，根据本发明的另一优选实施方式，无论从哪个方向来观察宝石，系统都可以利用该升温的轮廓线来产生宝石的轮廓图。可以在下面图6所示的实施方式中使用该轮廓图，在该实施方式中，除了任何缺陷的内部位置之外，还需要输入宝石的总体形状。

现在参考图5，图5是说明与图1所示相似的用于检测并绘制钻石中内含物的另一优选系统的示意图，只是其中采用外部能源以共振激发钻石中的内含物的能级，并使其升温。在该实施方式中，激发源或能源40优选是无论是在光学、高频或RF区域中的电磁场发生器，或是声子发生器，例如超声波发生器。图5中所示的能源是一对励磁线圈，不过应当理解这仅是示意性的表示而并不局限于此。所用的励磁机的形式可以根据所用的激发能的形式来选择。优选需要使发生器靠近宝石，以便有效地感应其中的激发能。红外线成像配置优选与图1所示的相似，在该实施方式中仅显示了照相机16。

在本领域中已经存在用于绘制并分析未加工的钻石以便能够配置钻石而实现宝石的最大可能产率的计算机化的系统。该系统中的一种是DiaExpert系统，由以色列拉马特甘的Sarin Technologies Ltd.，提供。然而，该现有技术系统的判别是基于通过光学测量未加工的宝石的尺寸和比例的三维立体模型的几何分析、由直接目测检测的内部缺陷的存在、和钻石制作者有兴趣获得的不同的形状可能性。三维立体模型优选通过确定该模型的一种定义该模型的已知方法得到，无论是通过确定限定宝石包络线的一组坐标、或是利用一组三维多边形、或是通过使用确定宝石中平面的一组形状以及它们相对于已知原点的矢量方向。这些现有技术系统在配置能够由被分析的未加工钻石产生的形状时考虑了四C中的三个，即切工、颜色和克拉。

根据本发明的另一优选实施方式，关于钻石的第四个C，即净度的信息，可以由本发明的缺陷和内含物的检测绘制系统的上述任一实施方式的输出信息提供，然后可以输入用于绘制和分析未加工钻石的现有技术的计算机化的系统中，由此完成对系统在其配置过程中可以使用的输入的判定。

现在参考图6，图6是根据本发明的另一优选实施方式建构和运行的未经加工的钻石的计算机化的分析系统的总体解决方案的示意性方框图。图6的系统包括由光学测量进行的下列方面的现有技术的输入：总体尺寸测量50，总体形状和比例测量52，未加工钻石中通过目测观察到的孔或槽的位置信息54，以及涉及宝石所需的理想形状的输入56。根据本发明的该优选实施方式，也可以将由本发明的前述实施方式的一个优选的宝石检测系统产生的计算机化的内含物图58形式的额外输入提供给宝石绘制分析模块60，以使配置输出生成器62也能够在作出决定和配置建议之前考虑该内含物的存在、严重程度和位置。该系统因而能够考虑通过计算机化的测量技术获取的关于未加工钻石的更为完整的一组参数，因而能够提供比用于切割钻石的以前的方案更完整的解决方案。

根据本发明的另一优选实施方式，未加工宝石的一个几何参数，即三维包络线的形状，可以如前所述由本发明的计算机化的宝石缺陷检测系统得到，包络线形状可以用作本发明的该实施方式的未加工钻石的计算机化的分析系统的输入之一。

本领域的技术人员应当明白，本发明并不限于前面特别显示和描述的内容。本发明的范围而是包括前述各种特点的组合和从属组合以及在阅读上述说明书后对于本领域技术人员来说显而易见的、并且不属于现有技术的对其进行的各种改变和改进。

Claims (55)

1.一种用于检测宝石的系统，该系统包括：

用于改变所述宝石的温度的能量传输系统；

对所述宝石进行成像并输出所述宝石的热量图的至少一个成像装置；

利用所述热量图以确定所述热量图中辐射发生改变的区域的图像处理单元；和

由所述辐射发生改变的区域检测所述宝石中的至少一个缺陷的分析单元。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述检测包括确定所述至少一个缺陷的位置、特征和大小中的至少一个因素。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述能量传输系统包含能源以使所述宝石的温度的所述改变包括将所述宝石的温度升高至高于其环境温度。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述能量传输系统包含吸能器以使所述宝石的温度的所述改变包括将所述宝石的温度降低至低于其环境温度。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个成像装置在红外区对所述宝石进行成像。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个成像装置是照相机。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述辐射发生改变的区域由所述位置的温度发生不同于所述宝石的其余部分的温度的变化所致。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述宝石中的所述至少一个缺陷的特征由所述发生变化的辐射的水平确定。

9.如权利要求7所述的系统，其中所述宝石中的所述至少一个缺陷的特征由所述发生变化的温度的水平确定。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个成像装置是两个成像装置，从而在三维方向上确定所述宝石中的所述至少一个缺陷的所述位置。

11.如权利要求1所述的系统，其中所述宝石相对于用于在至少两个方向成像的所述成像装置成角度地排布，从而在三维方向上确定所述宝石中的所述至少一个缺陷的所述位置。

12.如权利要求11所述的系统，其中利用其上固定有所述宝石的转台将所述宝石相对于所述成像装置成角度地排布。

13.如权利要求3所述的系统，其中用于升高所述宝石温度的所述能源是辐射源、热空气源和传导源中的至少一种能源。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述辐射源发射红外线能量、可见光能量和紫外线能量中的至少一种能量。

15.如权利要求13所述的系统，其中所述传导源是加热板。

16.如权利要求14所述的系统，所述系统还包含布置在所述辐射源和所述宝石之间的滤光器，从而用具有比成像频带宽度更窄的波长频带宽度的能量对宝石进行照射。

17.如权利要求14所述的系统，所述系统还包含布置在所述宝石和所述成像装置之间的滤光器，以在比所述辐射频带宽度更窄的波长频带宽度下对所述宝石进行成像。

18.如权利要求16所述的系统，其中操作所述滤光器以降低来自所述辐射源的所述能量的反射或散射对所述宝石的所述成像的影响。

19.如权利要求17所述的系统，其中操作所述滤光器以降低来自所述辐射源的所述能量的反射或散射对所述宝石的所述成像的影响。

20.如权利要求4所述的系统，其中用于降低所述宝石的温度的所述吸能器是热电冷却装置。

21.如权利要求1所述的系统，所述系统还包含至少一对偏振元件，至少一个元件位于所述能源与所述宝石之间，至少另一个元件位于所述宝石与所述成像装置之间。

22.如权利要求1所述的系统，其中所述宝石是钻石。

23.如权利要求1所述的系统，其中所述缺陷是内含物。

24.如权利要求1所述的系统，其中所述缺陷是内部结构瑕缺。

25.如权利要求1所述的系统，其中所述成像装置在不同温度和固定波长下连续生成所述宝石的图像，并且通过与有关作为温度函数的缺陷的发射性质的预定信息相比较，确定所检测的缺陷的特征。

26.如权利要求1所述的系统，其中所述成像装置在不同波长和固定温度下连续生成所述宝石的图像，并且通过与有关作为波长函数的缺陷的发射性质的预定信息相比较，确定所检测的缺陷的特征。

27.一种用于检测宝石的方法，该方法包括以下步骤：

利用能量传输系统改变所述宝石的温度；

利用至少一个成像装置对所述宝石进行成像；

由所述至少一个成像装置输出所述宝石的热量图；

对所述热量图进行图像处理以确定所述热量图中的辐射发生变化的区域；和

分析所述宝石中用于检测至少一个缺陷的所述辐射发生变化的区域。

28.如权利要求27所述的方法，其中所述检测包括确定所述至少一个缺陷的位置、特征和大小中的至少一个因素。

29.如权利要求27所述的方法，其中所述能量传输系统包含能源以使改变所述宝石的温度的所述步骤包括将所述宝石的温度升高至高于其环境温度的步骤。

30.如权利要求27所述的方法，其中所述能量传输系统包含吸能器以使改变所述宝石的温度的所述步骤包括将所述宝石的温度降低至低于其环境温度的步骤。

31.如权利要求27所述的方法，其中所述至少一个成像装置在红外区对所述宝石进行成像。

32.如权利要求27所述的方法，其中所述至少一个成像装置是照相机。

33.如权利要求27所述的方法，其中所述辐射发生改变的区域由所述位置的温度发生不同于所述宝石的其余部分的温度的变化所致。

34.如权利要求29所述的方法，其中所述成像步骤在终止利用所述能源将所述宝石的温度升至高于其环境温度的所述步骤之后进行。

35.如权利要求34所述的方法，其中终止所述宝石的所述升温的所述步骤利用光闸进行。

36.如权利要求34所述的方法，其中利用至少一次能量脉冲将所述能量传输至所述宝石。

37.如权利要求27所述的方法，其中在持续进行利用能量传输系统改变所述宝石的温度的所述步骤的同时进行所述成像步骤。

38.如权利要求27所述的方法，其中所述利用至少一个成像装置对所述宝石进行成像的步骤通过两个成像装置进行，从而在三维方向上确定所述宝石中所述至少一个缺陷的所述位置。

39.如权利要求27所述的方法，所述方法还包括使所述宝石相对于在至少两个方向进行所述成像的所述成像装置成角度地排布，从而在三维方向上确定所述宝石中的所述至少一个缺陷的所述位置。

40.如权利要求39所述的方法，其中所述成角度地排布所述宝石的步骤包括以下步骤：

提供用于将所述宝石固定在其上的转台；和

旋转上面固定有所述宝石的所述转台以在至少两个方向上使所述宝石成像，从而在三维方向上确定所述宝石中所述至少一个缺陷的所述位置。

41.如权利要求29所述的方法，其中所述能源是辐射源、热空气源和传导源中的至少一种能源。

42.如权利要求41所述的方法，其中所述传导源是加热板。

43.如权利要求41所述的方法，其中所述辐射源发射红外线能量、可见光能量和紫外线能量中的至少一种能量。

44.如权利要求43所述的方法，所述方法还包括将滤光器布置在所述辐射源和所述宝石之间的步骤，从而用具有比成像频带宽度更窄的波长频带宽度的能量对宝石进行照射。

45.如权利要求43所述的方法，所述方法还包括将滤光器布置在所述宝石和所述成像装置之间的步骤，以在比辐射频带宽度更窄的波长频带宽度下对宝石进行成像。

46.如权利要求44所述的方法，其中操作所述滤光器以降低来自所述辐射源的所述能量的反射或散射对所述宝石的所述成像的影响。

47.如权利要求30所述的方法，其中将所述宝石的温度降低至低于其环境温度的步骤所用的所述吸能器是热电冷却装置。

48.如权利要求27所述的方法，其中所述宝石是钻石。

49.如权利要求27所述的方法，其中所述缺陷是内含物。

50.如权利要求27所述的方法，其中所述缺陷是内部结构瑕缺。

51.一种用于分析宝石的计算机化的光学系统，该系统包含将信息输入至输出形状分配器的宝石绘图模块，所述宝石绘图模块由以下获取其输入信息：

所述宝石的三维立体模型；

确定由所述宝石获得的至少一个切面的理想形状的输入模块；和

来自计算机化的缺陷检测单元的输出信息。

52.如权利要求51所述的用于分析宝石的计算机化的光学系统，其中所述宝石的所述三维立体模型至少包括下述因素之一：

确定所述宝石包络线的一组坐标；

一组三维多边形；和

确定所述宝石中平面的一组形状以及它们相对于已知原点的矢量方向。

53.如权利要求51所述的用于分析宝石的计算机化的光学系统，其中所述宝石的所述三维立体模型由下述至少一个单元获得；

宝石尺寸测量单元；

宝石形状测量单元；

孔数据输入单元；和

槽数据输入单元。

54.如权利要求51所述的用于分析宝石的计算机化的光学系统，其中所述计算机化的缺陷检测单元还提供用于所述宝石的所述三维立体模型的所述宝石的轮廓数据。

55.如权利要求51所述的用于分析宝石的计算机化的光学系统，其中所述计算机化的缺陷检测单元是热成像缺陷检测系统。

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