DE19506192A1

DE19506192A1 - Edelstein-Absorbtionsspektralphotometer

Info

Publication number: DE19506192A1
Application number: DE19506192A
Authority: DE
Inventors: Christian Gassner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-02-23
Filing date: 1995-02-23
Publication date: 1995-07-20
Also published as: DE29517144U1

Description

Die Erfindung betrifft ein Edelstein-Absorptionsspektralphotometer, zur Erzeugung, Aufzeichnung und Identifizierung der Absorptionsspektren, insbesondere von Edel steinen.

Ein Absorptionsspektrum erhält man, wenn man zunächst ein kontinuierliches Spek trum erzeugt und in den Strahlengang einen Stoff bringt, der gewisse Wellenlän gen absorbiert, so daß im ursprünglich kontinuierlichen Spektrum Lücken auftreten. Diese Absorptionsspektren sind charakteristisch, so daß man sie zum Nachweis und zur Identifizierung der absorbierenden Stoffe benutzen kann. Bei der Beleuch tung eines Steines im durchfallenden oder im reflektierten Licht treten also dunkle Linien (Absorptionslinien) im Spektrum auf, die für gewisse Elemente und damit für bestimmte Edelsteine kennzeichnend sind. Da sich bei einigen echten Edelsteinen im sichtbaren Spektralbereich keine bzw. dieselben Absorptionslinien und Absorp tionsbanden wie bei einem synthetisch hergestellten Stein zeigen, wurden die Untersuchungsmethoden auf das infrarote und vor allem das ultraviolette Spektral gebiet erweitert, damit eine wesentlich größere Sicherheit bei der Identifizierung eines Edelsteines erreicht wird. Die Absorptionsspektren aller echten und syntheti schen Edelsteine sind bekannt und werden bei Bestimmung von Echtheit und Fund ort allgemein angewandt und anerkannt.

Visuelle Untersuchungsmethoden mit herkömmlichen Edelsteinspektroskopen erfor dern bei der Bestimmung und Zuordnung von Edelsteinen in Bezug auf Echtheit gemmologische Fachkenntnisse, gemmologische Fachliteratur und vor allem Erfah rung um Fehldiagnosen auszuschließen. Es können nur ungefaßte Steine unter sucht werden und die Zuordnung des visuellen Spektrums unterliegt den Fehlern der menschlichen Beobachtungsgabe. Ein zusätzliches Problem bei herkömmlichen Prismen-Spektroskopen ist das Maß der Dispersion. Prismen aus verschiedenem Material haben nämlich verschiedene Brechzahlen, verschieden lange Spektren und die Lage der Absorptionslinien im Spektrum ist unterschiedlich, was somit den direkten Vergleich mit anderen Messungen erschwert. Für Edelsteinuntersuchun gen werden auch Anlagen zur Mikrospektralphotometrie der Edelstein-Kathodolumi neszenz eingesetzt. Diese erfordern einen relativ großen apparativen Aufwand und sind daher für den Uhren & Schmuck Einzelhandel eher ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Identifizierung von Edelsteinen mit Hilfe der Absorptionsspektroskopie einfach und schnell auch ungeschultem Perso nal zu ermöglichen und unabhängig davon dem gemmologischen Fachmann ein li neares hochaufgelöstes Absorptionsspektrum für weitere Verwendungen zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine geeignete Licht quelle ein kontinuierliches Spektrum erzeugt und dieses mit Hilfe einer Lichtwellen leiteroptik auf den Edelstein geleitet wird. Das aus dem Edelstein reflektierte Ab sorptionsspektrum wird mit Hilfe derselben Lichtwellenleiteroptik wieder aufge nommen und von einem geeigneten Monochromator spektral zerlegt, so daß die durchgelassene Wellenlänge proportional zur Zeit t anwächst und von einem Strah lungsempfänger mit nachgeschaltetem Verstärker aufgezeichnet werden kann. Die gespeicherte Messung wird mittels elektronischer Datenverarbeitung ausgewertet und das Ergebnis an einem Ausgabegerät zur Verfügung gestellt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß geschlif fene Edelsteine, unabhängig von ihrer Form, ihrer Größe und ihrer Fassung zuver lässig innerhalb kürzester Zeit auch von einem gemmologischen Laien sicher identifiziert werden können. Mit dieser Erfindung braucht sich der Juwelier etwa bei Reparaturen und Edelsteinbestimmungen, nicht mehr auf Prüfverfahren zu ver lassen, die sehr zeitaufwendig und kostspielig sind. Die Erfindung ist daher präde stiniert für die Schmuck- und Edelstein-Branche.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 9 angegeben. Die Anwendung der CCD-Technik in Verbindung mit moderner Computer-Bildverar beitung ermöglicht neue Perspektiven in der Edelsteinspektroskopie.

Ausführungsbeispiele der Erfindung Abb. 1

zeigt den schematischen Aufbau eines Edelstein-Absorptionsspektralphotometer bei dem ein Transmissionsgitter mit Hilfe eines geeigneten Getriebes gedreht wird.

Zu Abb. 1:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Kontinuumsstrahler als Licht quelle 1, einer Optik 2, einer Prüfsonde 3 mit der Optik 5, einer Optik 8, einem Gittermonochromator (9-13), einem Strahlungsempfänger 14 und einer Datenauf bereitung 15. Die Prüfsonde 3 besteht aus einem Glasfaserbündel 4 das an dem einem Ende in Faserbündel A und B und an dem anderen Ende in Faserbündel C mit der Optik 5 aufgeteilt ist. Die Größe des zu bestimmenden Steines 6 ist nach unten durch den Durchmesser des verwendeten Glasfaserbündels 4 begrenzt. Die Optik 5 soll so gewählt werden, daß möglichst die gesamte Strahlung den Stein 6 be leuchtet und möglichst die gesamte Reflexionsstrahlung wieder in die Glasfaser optik 3 zurück gelangen. Der Gittermonochromator besteht aus einem Eintrittsspalt 9, einer Optik 10, einem Transmissionsgitter 11, einer Optik 12 und einem Aus trittsspalt 13. Das spektrale Auflösungsvermögen eines Gittermonochromators hängt von seinem Gitter 11, der verwendeten Beugungsordnung und der Spaltbreite ab. Ein zum Beispiel repliziertes holographisches Transmissionsgitter für die erste Ordnung "geblazed", hat 207 Rillen je mm, einen Durchmesser von 26 mm und so mit insgesamt 5382 Rillen. Das Auflösungsvermögen dieses Gitters beträgt daher λ/Δλ=5382. Erforderlich zur Trennung der beiden Natrium-D-Linien (λ1= 589,593 nm und λ2=588,996 nm) beispielsweise, ist eine Auflösung von λ/Δλ=987. Das genannte Gitter kann also mehr als fünf mal feinere Wellenlängendifferenzen auflö sen und ist ausreichend für eine eindeutige Identifizierung des Edelsteines 6. Der nutzbare Wellenlängenbereich für dieses Beispiel ist Δλ = λ = 589 nm (ca. 295 bis 883 nm). Als Strahlungsempfänger 14 kommt ein geeignetes optoelektronisches Bauelement (z. Bsp.: eine für den Blau-Bereich sensibilisierte Photodiode oder ein Photomultipler.) mit nachgeschaltetem Verstärker zum Einsatz und als Datenaufbe reitung 15 ein Mikro-Computersystem.

Das Spektrum des Kontinuumstrahlers 1 wird mit Hilfe der Optik 2 in das Faserbün del A der Prüfsonde 3 geleitet. Die Prüfsonde 3 berührt während des Meßvorgan ges den Edelstein 6 mit der Optik 5 und beleuchtet diesen dadurch. Um störende Lichteinflüsse der Umgebung zu unterdrücken ist an der Messpitze eine Streulicht abschirmung 7 angebracht. Das aus dem Edelstein 6 reflektierte Spektrum wird über die Optik 5 wieder in die Prüfsonde 3 an das Faserbündel B geleitet. Das aus dem Faserbündel B austretende Licht wird mit Hilfe der Optik 8 in den Eintrittsspalt 9 des Gittermonochromators geleitet. Das durch den Eintrittsspalt 9 eintretende Licht wird mit Hilfe der Optik 10 als paralleles Lichtbündel auf das Transmissionsgitter 11 geworfen. Das abgebeugte Lichtbündel wird durch die Optik 12 auf den Austritts spalt 13 fokussiert. Welche Wellenlänge durchgelassen wird hängt von der Winkel stellung des Gitters 11 ab. Das Transmissionsgitter 11 wird daher mit einem geeig neten Getriebe langsam gedreht, so daß die durchgelassene Wellenlänge proportio nal zur Zeit t anwächst. Ein hinter dem Austrittsspalt 13 angeordneter Strahlungs empfänger 14 mit nachgeschaltetem Verstärker zeichnet das Absorptionsspektrum 16 auf. Das gespeicherte Absorptionsspektrum 16 wird mit Hilfe einer geeigneten elektronischen Datenverarbeitung 15 ausgewertet und das Ergebnis an ein Ausga begerät geleitet.

Abb. 2

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Gittermonochromators bei dem der Strahlungsempfänger mit Hilfe eines geeigneten Getriebes bewegt wird.

Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau eines Gittermonochromators mit einem CCD-Bildwandler als Strahlungsempfänger.

Fig. 3 zeigt das typische Absorptionsspektrum eines Diamanten vom Cape Typ.

Zu Abb. 2:
Fig. 1: Das durch den Eintrittsspalt 9 eintretende Licht wird mit Hilfe der Optik 10 als paralleles Lichtbündel auf das Transmissionsgitter 11 geworfen. Das abgebeu gte Lichtbündel wird durch die Optik 12 auf den Austrittsspalt 13 fokussiert. Welche Wellenlänge auf den Strahlungsempfänger trifft wird hängt von der Stellung des Austrittsspaltes 13 ab. Der Austrittsspalt 13 mit dem Strahlungsempfänger 14 wird daher mit einem geeigneten Getriebe langsam bewegt, so daß die durchgelas sene Wellenlänge proportional zur Zeit t anwächst. Ein nachgeschalteter Verstärker zeichnet das Absorptionsspektrum auf. Das gespeicherte Absorptionsspektrum wird mit Hilfe einer geeigneten elektronischen Datenverarbeitung 15 ausgewertet und das Ergebnis zu einem Ausgabegerät geleitet.

Fig. 2: Das durch den Eintrittsspalt 9 eintretende Licht wird mit Hilfe der Optik 10 als paralleles Lichtbündel auf das Transmissionsgitter 11 geworfen. Das abgebeu gte Lichtbündel wird durch die Optik 12 auf den zweidimensionalen Strahlungsemp fänger 14 fokussiert. Der Strahlungsempfänger 14 ist dabei in CCD-Bildwandler- Technik aufgebaut und speichert das Messergebnis. Das gespeicherte Absorptions spektrum wird mit Hilfe einer geeigneten elektronischen Datenverarbeitung 15 aus dem CCD-Chip ausgelesen und ausgewertet. Das Ergebnis wird an ein Ausgabe gerät geleitet. Der Große Vorzug der CCD-Technik liegt in der hohen Empfindlich keit und der gleichzeitigen Erfassung des gesamten Absorptionsspektrums. Das Auflösungsvermögen des CCD-Chips hängt von seiner aktiven Fläche und seiner Pixelgröße ab. Bei diesem Aufbau gelingt es ein Absorptionsspektrum aufzuzeich nen ohne Bewegung mechanischer Komponenten.

Fig. 3 zeigt das Absorptionsspektrum eines Brillanten mit reiner Cape Absorption bei ca. 0,1 nm Auflösung. Kennzeichnend für diese farblosen bis gelblichen Diaman ten ("Cape") sind eine scharfe Absorptionslinie bei 415,5 nm und schwächere Linien bei 390 nm, 401,5 nm, 423 nm, 435 nm, 451 nm, 465 nm und 478,5 nm.

Claims

1. Edelstein-Absorptionsspektralphotometer zur Erzeugung, Aufzeichnung und Identi fizierung der Absorptionsspektren, insbesondere von Edelsteinen, gekennzeichnet dadurch, daß ein kontinuierliches Spektrum über einen Lichtwellenleiter auf den Edelstein abgegeben und das aus dem Edelstein reflektierte Absorptionsspektrum wieder aufgenommen wird, von einem Monochromator spektral zerlegt und auf einen Strahlungsempfänger geleitet wird, um von einer geeigneten nachgeschal teten Elektronik aufgezeichnet bzw. ausgewertet zu werden.

2. Edelstein-Absorptionsspektralphotometer wie Anspruch 1, gekennzeichnet da durch, daß der Lichtwellenleiter aus einer Glasfaseroptik besteht, an dessen Enden ein oder mehrere Linsen angebracht sind.

3. Edelstein-Absorptionsspektralphotometer wie Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Lichtwellenleiter oder eine der Linsen den Edelstein während der Messung berührt.

4. Edelstein-Absorptionsspektralphotometer wie Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Wellenlänge des verwendeten Lichtes zwischen Ultraviolett und Infrarot je einschließlich beträgt und aus ein oder mehreren Lichtquellen besteht.

5. Edelstein-Absorptionsspektralphotometer wie Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Monochromator aus Linsen und/oder Spiegeln mit einem oder mehreren Reflexionsgittern besteht.

6. Edelstein-Absorptionsspektralphotometer wie Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Monochromator aus Linsen und/oder Spiegeln mit einem oder mehreren Transmissionsgittern besteht.

7. Edelstein-Absorptionsspektralphotometer wie Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß das Gitter mit Hilfe eines geeigneten Getriebes gedreht wird und der Strahlungsempfänger fest sitzt.

8. Edelstein-Absorptionsspektralphotometer wie Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Strahlungsempfänger mit einem geeigneten Getriebe bewegt wird und das Gitter fest sitzt.

9. Edelstein-Absorptionsspektralphotometer wie Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß das Gitter und der Strahlungsempfänger fest sitzen und das der zweidimensionale Strahlungsempfänger aus einem oder mehreren CCD-Bildwand lern besteht.

10. Edelstein-Absorptionsspektralphotometer wie Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß sich dem Strahlungsempfänger eine geeignete Elektronische Daten aufbereitung anschließt, die den Meßvorgang speichert, mit einer bestehenden Gemmologischen-Spektrendatenbank vergleicht und das Ergebnis an einem Ausga begerät zur Verfügung stellt.