DE19610393A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Identifizieren und/oder Klassifizieren von Edelsteinen mit einem Spektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Identifizie­ ren und/oder Klassifizieren von Edelsteinen mit einem Spektrometer, wobei das Licht einer Lichtquelle auf einen an einem Meßplatz angeordneten Edelstein gerich­ tet wird und das durch den Edelstein durchgetretene und/oder reflektierte Licht an eine Auswerteeinrich­ tung weitergeleitet wird, in welcher Spektralkurven des Lichts erzeugt werden.

Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Spektrometer, wobei ein Edelstein auf einem mit einer Lichtquelle bestrahlbaren Meßplatz angeordnet und das den Edelste in durchdringende und/oder von dem Edel­ stein reflektierte Licht einer Auswerteeinrichtung zu­ führbar ist, in welcher Spektralkurven des Lichts er­ zeugbar sind.

Aus der Praxis ist es bekannt, zur Klassifizierung von Edelsteinen, also beispielsweise zum Feststellen der Güte des Edelsteines, sowie zum Identifizieren der Edelsteine, d. h. zur Feststellung des Herkunftslandes des Edelsteines, Spektrometer einzusetzen.

So sind beispielsweise Tristimulus-Farbmeß-Geräte be­ kannt, bei denen jeweils die Absorption von einzelnen Bereichen des Lichts, mit welchem der Edelstein be­ strahlt wird, z. B. rot, blau und grün, vermessen wird.

Um eine monochromatische Beleuchtung des zu klassi­ fizierenden oder zu identifizierenden Edelsteines zu realisieren, werden der Lichtquelle geeignete Filter, mittels denen die monochromatische Beleuchtung erzeug­ bar ist, nachgeschaltet. Alternativ können die Filter auch an anderer geeigneter Stelle vorgesehen sein, wo­ bei jeweils aus den gemessenen Transmissionswerten des Lichtes direkt die Tristimulus-Werte für die Farbaus­ wertung berechnet werden.

Aus der Praxis sind außerdem Spektralphotometer be­ kannt, welche den gesamten relevanten Wellenlängen­ bereich des Lichts, mit welchem der Edelstein be­ strahlt wird, abfahren und somit die Spektralkurve eines Körpers, also in diesem Falle des Edelsteins, vermessen.

Aus der gemessenen spektralen Kurve kann dann die Far­ be des Edelsteines berechnet werden.

Der Einsatz von Spektralphotometern zum Identifizieren und/oder Klassifizieren von Edelsteinen bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß das monochromatische Abfah­ ren des relevanten Wellenlängenbereiches sehr aufwen­ dig ist, insbesondere zeitaufwendig, so daß die Iden­ tifizierung und/oder Klassifizierung eines Edelsteins verhältnismäßig lange dauert und somit teuer ist.

Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Spektral­ photometern ist die fehlende Berücksichtigung der Fluoreszenz der Edelsteine, so daß die mittels Spek­ tralphotometern ermittelten Meßwerte nicht ganz exakt sind und von den tatsächlichen Werten abweichen.

Wie bereits erwähnt, ist die Farbberechnung von Edel­ steinen auf der Basis von Spektralkurven möglich.

Hierzu gibt es gängige Farbberechnungsmodelle, welche auf Spektralkurven aufbauen. Die Farbberechnung ergibt Werte für die Farbe eines Edelsteines, die durch drei Größen beschrieben werden: Farbton, Sättigung und Grauwert.

Eine Verschiebung des Spektrums ohne Änderung der Kur­ vencharakteristika ergibt eine deutliche Veränderung des Grauwertes. Eine Veränderung des Kurvenverlaufs zeigt eine deutliche Veränderung der Sättigung und des berechneten Farbtons an.

Besonders die Verschiebung des Spektrums in der Y-Rich­ tung läßt sich bei der Messung von ein und dem­ selben Edelstein häufig beobachten. Derartige Ver­ schiebungen lassen sich durch die komplizierte Ober­ flächengestalt eines Edelsteines und durch die zahl­ reich vorhandenen Facetten erklären.

Es ergibt sich dabei häufig das Problem, daß bei Edel­ steinen die Schlifform, Schliffart und die Proportio­ nen den Strahlengang des Lichtes durch komplizierte Lichtbrechung an den Facetten und an anderen Stellen stark beeinflussen. Dies hat zur Folge, daß es bei komplizierten Intern-Reflexionen nicht genau bekannt ist, welche Schichtdicke des Edelsteins eigentlich vermessen wurde. Zudem kann das Signal bereits beim Eintritt in den Edelstein reflektiert werden, so daß die Eingangsintensität beim Eintritt des Lichtes in den Edelstein ebenfalls nicht bekannt ist.

Die genannten Parameter (Schichtdicke und Eingangsin­ tensität des Lichtes) sind jedoch neben der Absorp­ tionseigenschaft des Materials selbst wichtige Voraus­ setzungen für die Farbberechnung.

Beim Austritt des Lichts aus dem Edelstein können Lichtanteile in alle Richtungen gestreut werden.

Durch geeignete Einrichtungen wird in der Praxis ver­ sucht, diese verlorenen Lichtanteile wieder "einzufan­ gen" und somit bei der Messung zu berücksichtigen.

Verfälschungen der Meßergebnisse durch Reflexionsver­ luste machen sich im Spektrum besonders durch eine Verschiebung der Absorptionskurven entlang der Y-Achse bemerkbar.

Beispielsweise wird die Transmission des Rotlichtes bei gelben Diamanten während der Messung in bekannten Spektralphotometern bei viel zu niedrigen Werten re­ gistriert, als es in Wirklichkeit der Fall ist. Bei der Farbberechnung führt dies zur erhöhten Grauwerten. Diese Verfälschung des Meßergebnisses läßt sich bei farblosen Diamanten mit kleinstem Grauwert deutlich zeigen.

Des weiteren ist es bei bekannten Verfahren zum Iden­ tifizieren und/oder Klassifizieren von Edelsteinen notwendig, gefaßte Edelsteine aus der Fassung zu ent­ nehmen, was den Aufwand zur Durchführung einer Identi­ fizierung und/oder Klassifizierung weiterhin wesent­ lich erhöht.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Identifizieren und/oder Klassifizieren von Edelsteinen vorzusehen, mittels welchem die Edelsteine schnell, einfach und kosten­ günstig identifiziert und/oder klassifiziert werden können und welches exakte Meßergebnisse liefert.

Der Erfindung liegt des weiteren die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens vorzusehen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Mehrkanalspektrometer verwendet wird, wobei der Edelstein mit weißem Licht mit Wellenlängen im Bereich von 250 nm bis 1000 nm über eine festgelegte Integra­ tionszeit bestrahlt wird, wobei das Licht zwischen dem Meßplatz und der Auswerteeinrichtung in einer poly­ chromatischen Detektoreinrichtung in seine Spektralan­ teile zerlegt wird, und daß das Licht von der Licht­ quelle zum Meßplatz und von dem Meßplatz zur Auswerte­ einrichtung mittels Lichtleitern geführt wird.

Durch die Verwendung eines Mehrkanalspektrometers er­ übrigt sich das Abfahren des Edelsteines mit monochro­ matischem Licht, da in einem Meßvorgang Licht mit einem Wellenlängenbereich zwischen 250 nm bis 1000 nm auf den Edelstein gestrahlt wird und das weiße Licht anschließend in der polychromatischen Detektoreinrich­ tung in seine Spektralanteile zerlegt wird, wobei die Werte für die einzelnen Spektralanteile auf geeignete Art und Weise gemessen werden und in der Auswerteein­ richtung aus diesen Meßwerten die Spektralkurven be­ rechnet werden. Mittels der berechneten Spektralkurven kann der vermessene Edelstein dann identifiziert und/oder klassifiziert werden. Mit dem Mehrkanalspektrome­ ter werden also simultan eine Vielzahl von Wellenlän­ genbereichen bzw. Spektralbereichen gleichzeitig ge­ messen.

Somit kann innerhalb kürzester Zeit und kostengünstig ein Edelstein klassifiziert und/oder identifiziert werden.

Gegenüber bekannten Verfahren zum Identifizieren und/oder Klassifizieren des Edelsteines kann sich hierbei ein Geschwindigkeitsvorteil im Bereich von Faktor 100 bis 1000 ergeben. Des weiteren können mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren auch opake Edelsteine klassi­ fiziert und/oder identifiziert werden und es kann auch festgestellt werden, ob ein Edelstein zur Veränderung dessen Farbe mit radioaktiver Strahlung behandelt wur­ de.

Durch das Führen des Lichts von der Lichtquelle zum Meßplatz und von dem Meßplatz zur Auswerteeinrichtung vorzugsweise mittels biegsamen Lichtleitern ist es nicht mehr notwendig, einen gefaßten Edelstein aus seiner Fassung zu entfernen, sondern es kann vielmehr von einem Anwender mit dem Lichtleiter direkt der Edelstein angestrahlt werden, wobei das von dem Edel­ stein reflektierte Licht einem weiteren Lichtleiter zugeführt wird, welcher das Licht der polychromati­ schen Detektoreinrichtung und nachfolgend der Auswer­ teeinrichtung zuführt.

Somit kann auf einfache Art und Weise und sehr schnell wenigstens eine Identifizierung eines gefaßten Edel­ steines vorgenommen werden.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Fluo­ reszenz des Edelsteines aufgrund der Interaktion des Edelsteines mit weißem Licht mitberücksichtigt wird, sind entsprechend exakte Meßergebnisse und somit auch entsprechend genaue Identifizierungen und/oder Klassi­ fizierungen von Edelsteinen erzielbar.

Zur Kalibrierung bzw. zum exakten Erzeugen von Spek­ tralkurven kann vorgesehen sein, daß das den Edelstein bestrahlende Licht solange verstärkt wird, bis wenig­ stens eine der Spektralkurven an einer vorher bestimm­ ten Stelle einen definierten bekannten Wert aufweist.

Diese Verstärkung des Lichts kann beispielsweise durch eine Erhöhung der Belichtungs- bzw. Integrationszeit, d. h. durch eine Verlängerung der Zeitdauer, während welcher der Edelstein mit Licht bestrahlt wird, reali­ siert werden, oder auch durch eine Veränderung des Ab­ standes zwischen einer der polychromatischen Detektor­ einrichtung vorgeschalteten Ankopplungseinrichtung für Lichtleiter und dem Edelstein.

Die Kalibrierung kann beispielsweise so erfolgen, daß bei einer Ausbildung des Edelsteines als Diamant die Lichtstrahlung solange verstärkt wird, bis die Spek­ tralkurve im nahen Infrarot-Bereich einen Wert von 100% erreicht.

Aufgrund der schnellen Durchführung einer Messung ist es hierbei möglich, interaktiv zu messen, d. h. es wird von einem Anwender beispielsweise eine Messung durch­ geführt, die z. B. 0,1 s bis 1 s dauert, wonach die in der Auswerteeinrichtung erzeugten Spektralkurven mit der bekannten Spektralkurve von Diamanten, die im nahen Infrarot-Bereich der Lichtstrahlen einen Wert von 100% aufweist, verglichen werden, wonach entweder die Integrationszeit oder der Abstand des Edelsteins zu der Ankopplungseinrichtung für Lichtleiter von dem Anwender verändert und eine weitere Messung durchge­ führt wird.

Dieses Verändern der Lichtintensität wird solange durchgeführt, bis die gemessene Spektralkurve den vor­ herbestimmten Wert erreicht hat, wobei dann sicherge­ stellt ist, daß auch sämtliche weiteren Spektralkur­ ven, die mit der nachfolgenden Messung ermittelt wer­ den, entsprechend exakt sind.

Wie bereits erwähnt, kann die beschriebene Vorgehens­ weise bei Diamanten angewandt werden. Es liegt jedoch selbstverständlich im Ermessen des Durchschnittsfach­ mannes, auch für andere Edelsteine entsprechende Re­ ferenz-Spektralkurven vorzusehen und die genannten veränderbaren Parameter, also Integrationszeit und/oder Abstand zwischen Edelstein und einer Ankopplungs­ einrichtung für Lichtleiter, entsprechend zu verän­ dern, bis auch für einen anderen Edelstein der gemes­ sene Wert dem Wert einer Referenz-Spektralkurve an ei­ ner geeigneten Stelle entspricht.

Vorzugsweise können der polychromatischen Detektorein­ richtung parallele Lichtstrahlen zugeführt werden.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist das weiße Licht mit einer Wellenlänge von 250 nm bis 1000 nm von der Lichtquelle zu dem Meßplatz und von dem Meßplatz zu der Auswerteeinrichtung durch er­ ste und zweite Lichtwellenleiter leitbar, wobei zwi­ schen dem Meßplatz und der Auswerteeinrichtung eine polychromatische Detektoreinrichtung zum Zerlegen des Lichts in seine Spektralanteile und zum Erfassen der Spektralanteile vorgesehen ist.

Durch diese Anordnung, deren Vorteile bereits be­ schrieben wurden, ist eine einfache, schnelle und kostengünstige sowie genaue Identifikation und/oder Klassifizierung, auch von gefaßten Edelsteinen, mög­ lich.

Die Lichtleiter, die vorzugsweise als biegsame Licht­ leiter ausgeführt sein können, können vorteilhaft Quarz-Quarz-Fasern enthalten, mittels denen Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 250 nm und 1000 nm leitbar ist.

Es liegt jedoch selbstverständlich im Ermessen des Durchschnittsfachmannes, auch andere Lichtleiter vor­ zusehen, mittels welchen Licht in dem genannten Wel­ lenlängenbereich von der Lichtquelle zu dem Meßplatz und von dem Meßplatz zu der Auswerteeinrichtung gelei­ tet werden kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann hierbei vorgesehen sein, daß wenigstens ein Teil der Lichtleiter eine Monofaser und um die Monofaser herum angeordnete Einzelfasern aufweist.

Somit besteht die Möglichkeit, mit ein und dem selben Lichtleiter beispielsweise durch die Einzelfasern, die auch als Faserbündel bezeichnet werden können, geeig­ netes Licht zu dem Meßplatz zu leiten, wonach dann das von dem Edelstein reflektierte Licht von der Monofaser aufgenommen und der polychromatischen Detektoreinrich­ tung zugeführt wird.

Für einen Anwender ist hierdurch die Bedienung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich vereinfacht da direkt an dem Edelstein mit lediglich einem ein­ zigen Lichtleiter gearbeitet werden muß und kein kom­ pliziertes Einstellen bzw. Abstimmen von zwei Licht­ leitern, von denen einer das den Edelstein bestrahlen­ de Licht führt und der andere das von dem Edelstein reflektierte Licht der Auswerteeinrichtung zuführt, notwendig ist.

Des weiteren kann auch vorgesehen sein, daß der Meß­ platz in einem Meßkopf angeordnet ist, wobei der Meß­ kopf eine Trägerplatte für den Edelstein aufweist, die in einer mit einer Reflexionsschicht beschichteten In­ tegrationskugel angeordnet ist, in welche die Licht­ quelle einstrahlt, und wobei in der Trägerplatte ein mit dem ersten Lichtleiter wirkverbundener Diffusor angeordnet ist, durch welchen das Licht dem Edelstein zuführbar ist und in einer auf Abstand zu der Träger­ platte angeordneten Aufnahmeplatte ein weiterer Diffu­ sor vorgesehen ist, der mit der Ankopplungseinrichtung für Lichtleiter verbunden ist und durch den Licht der Auswerteeinrichtung zuführbar ist.

Durch die Anordnung des Meßplatzes in dem Meßkopf sind äußerst genaue Identifizierungen und/oder Klassifizie­ rungen von Edelsteinen möglich, da nahezu der gesamte Anteil des auf den Edelstein eingestrahlten Lichtes aufgrund dessen Anordnung in einer Integrationskugel der Auswerteeinrichtung zuführbar ist. Somit muß das gesamte auf den Edelstein eingestrahlte Licht durch den Edelstein hindurchgehen (Transmission) und wird beim Austritt aus dem Edelstein sowie im Edelstein selbst gebrochen, wobei jedoch von der Integrationsku­ gel sämtliche gestreuten bzw. gebrochenen Lichtstrah­ len indirekt über den weiteren Diffusor und die An­ kopplungseinrichtung für Lichtleiter der polychromati­ schen Detektoreinrichtung und somit auch der Auswerte­ einrichtung zuführbar sind.

In einfacher Weise kann die Trägerplatte für den Edel­ stein in Linearführungen geführt und der Abstand des Edelsteines zu der der polychromatischen Detektorein­ richtung vorgeschalteten Ankopplungseinrichtung für Lichtleiter durch Verschieben der Trägerplatte in den Linearführungen veränderbar sein.

Durch das Verschieben der Trägerplatte in den Linear­ führungen kann das der polychromatischen Detektorein­ richtung zugeführte Licht auf einfache Art und Weise verstärkt bzw. verändert werden.

Der Diffusor und/oder der weitere Diffusor und/oder die Trägerplatte für den Edelstein können hierbei aus­ wechselbar vorgesehen sein, so daß unterschiedliche Diffusoren, die beispielsweise aus Talk-Papier oder Quarz bestehen können, problemlos in die Trägerplatte eingebaut bzw. ausgetauscht werden können oder auch die gesamte Trägerplatte mit fest eingebauten Diffuso­ ren austauschbar vorgesehen ist.

Der Diffusor und/oder der weitere Diffusor selbst kön­ nen mehrschichtig ausgeführt sein, so daß durch die Verwendung mehrerer gleichartiger oder auch mehrerer unterschiedlicher Schichten die Eigenschaften der Dif­ fusoren optimal an den jeweiligen Einsatzzweck bzw. Edelstein anpaßbar sind.

Die Diffusoren sind aus Werkstoffen bzw. Werkstoffkom­ binationen gefertigt, die für Licht in dem relevanten Wellenlängenbereich durchlässig sind.

Insbesondere kann der Diffusor Durchmesser zwischen 3 mm bis 18 mm aufweisen, wodurch ein wenigstens annä­ hernd den selben Durchmesser wie der Edelstein aufwei­ sender Diffusor in die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt werden kann und somit entsprechend exakte Meßwerte erhalten werden können.

Die Reflexionsschicht in der Integrationskugel kann eine UV-taugliche Innenbeschichtung, beispielsweise aus BaSO₄, sein, die auch Lichtstrahlen im UV-Bereich reflektiert.

Durch eine derartige Innenbeschichtung ist sicherge­ stellt, daß sämtliche, von der Lichtquelle ausge­ strahlten, Wellenlängen im Bereich von 250 nm bis 1000 nm in der Integrationskugel reflektiert und letztend­ lich der Auswerteeinrichtung zur Erzeugung exakter Spektralkurven zuführbar sind.

Die Reflexionsschicht kann auch auf der Trägerplatte vorgesehen sein, so daß auf die Trägerplatte reflek­ tierte Lichtstrahlen wieder in die Integrationskugel hineinreflektiert und letztendlich der Auswerteein­ richtung zugeführt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Grundplatte aus einem weichen Werkstoff aufweisen, wobei die Li­ nearführungen auf der Grundplatte angeordnet sind.

Durch das Vorsehen einer Grundplatte aus einem weichen Werkstoff wird vermieden, daß eventuell von der Trä­ gerplatte auf die Grundplatte fallende Edelsteine be­ schädigt oder gar zerstört werden.

Die Grundplatte kann beispielsweise aus Plexiglas oder einem anderen geeigneten Kunststoff gefertigt sein.

Um zu vermeiden, daß durch den Edelstein hindurchge­ tretenes oder von dem Edelstein reflektiertes Licht aus der Integrationskugel nach außen dringt, kann die­ se auf ihrer Außenseite mit Aluminium bedampft sein, so daß die Integrationskugel lichtdicht ist.

Vorzugsweise kann die Ankopplungseinrichtung für Lichtleiter, die als Lichtleiter-Adapter mit einer ins Unendliche abbildenden Optik (LAP-Optik) oder auch als fokusierender Lichtleiter-Adapter ausgebildet sein kann, auf der Außenseite der Integrationskugel und an der dem Diffusor gegenüberliegenden Seite der Integra­ tionskugel angeordnet sein.

Als Lichtquelle kann eine Xenon-Lampe verwendet wer­ den, wobei es selbstverständlich im Ermessen des Durchschnittsfachmanns liegt, auch andere Lichtquellen zu verwenden, welche wenigstens einen Großteil des Wellenlängenbereiches zwischen 250 nm bis 1000 nm ab­ decken.

Die polychromatische Detektoreinrichtung kann in ein­ facher Weise als Dioden-Array-Detektor oder als CCD-De­ tektor (CCD = Charge Coupled Device) ausgebildet sein.

Nachfolgend sind anhand der Zeichnung zwei Ausfüh­ rungsbeispiele der vorliegenden Erfindung prinzipmäßig beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung einen Schnitt ent­ lang der Linie II-II der Fig. 1 durch einen Lichtleiter,

Fig. 3 eine vergrößerte dreidimensionale Ansicht des Meßkopfes der Vorrichtung nach der Fig. 1,

Fig. 4 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 5 in vergrößerter Darstellung den Meßkopf der Vorrichtung nach der Fig. 4, und

Fig. 6 in vergrößerter Darstellung die Trägerplatte des Meßkopfes nach der Fig. 5.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist ein erstes Ausführungs­ beispiel einer Vorrichtung zum Identifizieren und/oder Klassifizieren von Edelsteinen dargestellt.

Die Vorrichtung umfaßt ein Spektrometer, welches eine als Xenon-Lampe ausgebildete Lichtquelle 1 enthält, deren Lichtstrahlen über ein Linsensystem 2 und einen Shutter 3 einem ersten biegsamen Lichtleiter 4 zuführ­ bar sind.

Der Shutter 3, der auch als verschließbare Blende be­ zeichnet werden kann, führt bei langen Integrations­ zeiten, auf die später eingegangen werden soll, eine Dunkelstromkorrektur durch.

Der erste biegsame Lichtleiter 4 besteht aus einer Vielzahl von Einzelfasern 6, die auch als Faserbündel bezeichnet werden können (siehe Fig. 2).

Zwischen dem Shutter 3 und einem Meßkopf 5 der Vor­ richtung ist ein Verbindungsglied 7 angeordnet, in welches sowohl der erste Lichtleiter 4 als auch ein zu einer als Dioden-Array-Detektor 8 ausgebildeten poly­ chromatischen Detektoreinrichtung führender zweiter Lichtleiter 9 münden.

Der zweite Lichtleiter 9 ist hierbei als Monofaser 10 ausgebildet, d. h. das Licht wird lediglich durch eine einzige Faser geleitet.

Zwischen dem Verbindungsglied 7 und dem Meßkopf 5 weist der Lichtleiter die in der Fig. 2 dargestellte Querschnittsform auf, wobei um die Monofaser 10 des zweiten Lichtleiters 9 herum die Einzelfasern 6 bzw. das Faserbündel des von der Lichtquelle 1 kommenden ersten Lichtwellenleiters 4 angeordnet sind.

Der Meßkopf 5 kann auf einen an einem Meßplatz ange­ ordneten Edelstein 11 gerichtet werden, welcher in dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als gefaßter Edelstein 11 ausgebildet ist. Die über den ersten biegsamen Lichtleiter 4 dem Meßkopf 5 zugeführ­ ten Lichtstrahlen werden von dem Edelstein 11 reflek­ tiert und über die Monofaser 10 des zweiten biegsamen Lichtleiters 9 dem Dioden-Array-Detektor 8 zugeführt. Der Dioden-Array-Detektor 8 enthält ein Dioden-Array 12, welches die einzelnen Spektralbereiche des in dem Dioden-Array-Detektor 8 aufgespaltenen weißen Lichtes aufnimmt und an eine Auswerteeinrichtung 13 weiterlei­ tet, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Personal-Computer 14 sowie einen an den Personal-Com­ puter 14 angeschlossenen Drucker 15 enthält. Das Dio­ den-Array 12 kann z. B. 2¹⁰ = 1024 Pixel enthalten, wo­ bei jedes Pixel einen anderen Spektralbereich bzw. Wellenlängenbereich des Lichts erfaßt.

Der Shutter 3 ist von dem Dioden-Array-Detektor 8 über eine Steuerleitung 16 ansteuerbar.

Zum Identifizieren des Edelsteines 11 muß ein Anwender lediglich die Lichtquelle 1 einschalten und den Meß­ kopf 5 auf den zu identifizierenden Edelstein 11 richten.

Das von der Lichtquelle 1 abgestrahlte Licht wird, wie bereits erwähnt, durch den ersten biegsamen Lichtlei­ ter 4 bzw. die Einzelfasern 6 dem in Fig. 3 näher dar­ gestellten Meßkopf 5 zugeführt, wonach das von dem Edelstein 11 reflektierte Licht wieder in den Meßkopf 5 eintritt, und zwar in die Monofaser 10, und somit über den zweiten biegsamen Lichtleiter 9 dem Dioden- Array-Detektor 8 zugeführt wird.

In dem Dioden-Array-Detektor 8 wird das von der Licht­ quelle 1 ausgestrahlte und von dem Edelstein 11 re­ flektierte Licht, das in einem Wellenlängenbereich zwischen 250 nm bis 1000 nm liegt, in seine Spektral­ anteile auf bekannte Art und Weise zerlegt, wobei die einzelnen Spektralanteile von dem Dioden-Array 12 be­ kannter Bauart aufgenommen und die von dem Dioden- Array 12 aufgenommenen Werte dem Personal-Computer 14 zugeführt werden.

In dem Personal-Computer 14 werden mittels einer ge­ eigneten Software die Spektralkurven des von dem Di­ oden-Array 12 aufgenommenen Lichtes erzeugt, wodurch der Edelstein 11 identifiziert werden kann.

Gegebenenfalls können die ermittelten Spektralkurven auch auf dem Drucker 15 ausgedruckt oder anderweitig in dem Personal-Computer 14 abgespeichert werden.

Es ist klar ersichtlich, daß sich durch die Verwendung biegsamer Lichtleiter bei der dargestellten Vorrich­ tung der Vorteil ergibt, daß einzelne Baugruppen, wie Lichtquelle, Meßkopf und Auswerteeinrichtung, separat vorgesehen sein können, was den Aufbau und die Bedie­ nung der Vorrichtung wesentlich erleichtert.

Mit dem beschriebenen Verfahren und der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Vorrichtung können auch opake Edelsteine 11 identifiziert werden.

Ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Identifizieren und/oder Klassifizieren von Edelsteinen ist in Fig. 4 dargestellt.

Für bereits im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 3 ein­ geführte Bauteile sollen nachfolgend dieselben Bezugs­ zeichen verwendet werden.

In dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 wird das von einer Lichtquelle 1 erzeugte Licht, das in einem Wellenlängenbereich zwischen 250 nm und 1000 nm und vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich zwischen 360 nm bis 780 nm liegt, durch ein Linsensystem 2 und ei­ nen Shutter 3 geführt und nachfolgend über einen er­ sten biegsamen Lichtleiter 4 einem Meßkopf 5, in wel­ chem sich der Meßplatz des Edelsteines befindet, zuge­ leitet.

Nachdem das Licht in dem Meßkopf 5 durch den Edelstein 11 hindurchgeleitet wurde, wird es über einen zweiten biegsamen Lichtleiter 9 einem Dioden-Array-Detektor 8 zugeführt, in welchem das Licht in seine Spektralan­ teile zerlegt wird, wonach diese Spektralanteile von einem Dioden-Array 12 aufgenommen und an die Auswerte­ einrichtung 13, die wie im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben ausgebildet sein kann, weitergeleitet werden.

Fig. 5 zeigt in vergrößerter Darstellung den Meßkopf 5 der Fig. 4.

Der Meßkopf 5 weist hierbei eine Trägerplatte 17 auf, die in vertikaler Richtung (siehe Doppelpfeil 18), verschiebbar in Linearführungen 19 gelagert ist.

Die Linearführungen 19 sind auf einer aus Plexiglas gefertigten Grundplatte 20 befestigt.

Des weiteren ist an den Linearführungen 19 über der Trägerplatte 17 und auf Abstand zu dieser eine Aufnah­ meplatte 21 ortsfest angeordnet, wobei in der Aufnah­ meplatte 21 eine als LAP-Optik (Lichtleiter-Adapter mit einer ins Unendliche abbildenden Optik) 22 ausge­ bildete Ankopplungseinrichtung für Lichtleiter vorge­ sehen ist. Von der LAP-Optik 22 ausführt der zweite biegsame Lichtleiter 9 zu dem in der Fig. 5 nicht dar­ gestellten Dioden-Array-Detektor 8.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel können beide Lichtleiter 4, 9 als Monofasern ausgebildet sein.

In der Trägerplatte 17 ist ein Diffusor 23 angeordnet, auf welchen der Edelstein 11 aufgelegt ist, wie in der Fig. 6 dargestellt.

Der Durchmesser des Diffusors 23 entspricht hierbei wenigstens annähernd dem Durchmesser des Edelsteines 11 und kann z. B. zwischen 3 mm bis 18 mm betragen.

Das über den ersten Lichtleiter 4 dem Diffusor 23 zu­ geführte Licht wird in diesem gestreut und geht durch den Edelstein 11 hindurch (Transmission des Lichts), wobei das Licht mehrfach gebrochen werden kann.

Das aus dem Edelstein 11 austretende Licht fällt in eine fest mit der Aufnahmeplatte 21 verbundene und so­ mit ortsfeste Integrationskugel 24, welche auf ihrer Innenseite mit Bariumsulfat (BaSO₄) beschichtet ist.

Auch die der Integrationskugel 24 zugewandte Seite der Trägerplatte 17 ist mit BaSO₄ beschichtet.

Außenseitig ist die Integrationskugel 24 mit Aluminium 25 bedampft, wodurch die Integrationskugel 24 licht­ dicht ist und somit kein Licht von außen in die Integ­ rationskugel 24 eindringen und auch kein Licht aus der Integrationskugel 24 nach außen dringen kann.

Das von der Integrationskugel 24 reflektierte Licht wird durch einen weiteren Diffusor 26, der der LAP-Op­ tik 22 vorgeschaltet ist und über den zweiten Licht­ leiter 9 dem Dioden-Array-Detektor 8 zugeführt, so daß in dem Dioden-Array-Detektor 8 "parallele" Lichtstrah­ len ankommen.

Der weitere Diffusor 26 ist dem Diffusor 23 gegenüber­ liegend und auf der Außenseite der Integrationskugel 24 angeordnet.

Zur Klassifizierung und/oder Identifizierung des Edel­ steines 11 wird von einem Anwender bei dem Ausfüh­ rungsbeispiel nach den Fig. 4 bis 6 zuerst die Licht­ quelle 1, die, wie bereits erwähnt, als Xenon-Licht­ quelle ausgeführt sein kann, eingeschaltet, wonach Licht über den ersten Lichtleiter 4 zu dem Edelstein 11 geführt wird, durch den Edelstein 11 hindurchtritt und direkt oder indirekt, beispielsweise nach Refle­ xion in der Integrationskugel 24, über den weiteren Diffusor 26 und die LAP-Optik 22 sowie den Dioden-Ar­ ray-Detektor 8 der Auswerteeinrichtung 13 zugeführt wird.

In der Auswerteeinrichtung 13 werden die Spektralkur­ ven des empfangenen Lichtes erzeugt und gegebenenfalls ausgewertet, d. h. der vermessene Edelstein 11 kann identifiziert und/oder klassifiziert werden.

Hierzu ist es jedoch notwendig, die beschriebene Vor­ richtung zuerst zu kalibrieren, was durch eine Ver­ stärkung des von der Lichtquelle 1 ausgestrahlten Lichtstrahles solange erfolgt, bis, falls der Edel­ stein 11 ein Diamant ist, die Spektralkurve des nahen Infrarot-Bereiches des über den zweiten Lichtleiter 9 der Auswerteeinrichtung 13 zugeführten Lichtes bei 100% liegt.

Diese Verstärkung des Lichtstrahles kann dadurch er­ reicht werden, daß eine ausreichend lange Belichtungs­ zeit (0,1 s bis 1 s) am Dioden-Array-Detektor einge­ stellt wird, so daß entsprechend mehr Licht von der Lichtquelle 1 zu dem Edelstein 11 und somit auch zu dem Dioden-Array 12 gelangt, d. h. die Integrationszeit wird erhöht. Um Fehlerstromkorrekturen bei langen In­ tegrationszeiten durchführen zu können, ist der Licht­ quelle 1 der Shutter 3 nachgeschaltet.

Eine weitere Möglichkeit zur Verstärkung bzw. Verän­ derung des Lichtstrahles besteht darin, die Träger­ platte 17 in Richtung des Doppelpfeils 18 vertikal nach oben oder unten zu verschieben, wobei z. B. bei einer Bewegung der Trägerplatte 17 vertikal nach unten die Trägerplatte 17 von der ortsfesten Integrations­ kugel 24 entfernt wird und sich hierdurch die Lichtin­ tensität ebenfalls beeinflussen läßt.

Von einem Anwender können daher verschiedene Messungen kurz hintereinander mit unterschiedlichen Intensitäten des Lichtstrahles durchgeführt werden, wobei jeweils überprüft wird, ob die Spektralkurve für einen be­ stimmten Wellenlängenbereich des empfangenen Lichtes einem vorher bestimmten Wert entspricht.

Ist dies nicht der Fall, so wird von dem Anwender ent­ weder die Belichtungszeit bzw. Integrationszeit wie vorstehend beschrieben oder der Abstand des Edelstei­ nes 11 von der LAP-Optik 22 bzw. dem Dioden-Array-De­ tektor 8 verändert, und zwar solange, bis die Spek­ tralkurve in dem gewünschten Spektralbereich den vor­ herbestimmten Wert aufweist, d. h. es sind interaktive Messungen möglich.

Vorzugsweise wird ein Anwender die Integrationszeit verändern, da hierzu keine Veränderungen der Position des Edelsteines notwendig sind und das Verändern der Integrationszeit auf einfache Weise erfolgen kann.

Anschließend kann die eigentliche Messung zur Identi­ fizierung und/oder Klassifizierung des Edelsteines durchgeführt werden.

Mittels der beschriebenen Vorrichtungen können Edel­ steine sehr schnell identifiziert und/oder klassifi­ ziert werden, ohne daß das Meßergebnis von der Form bzw. dem Schliff des Edelsteines abhängig ist.

Claims (24)

1. Verfahren zum Identifizieren und/oder Klassifizie­ ren von Edelsteinen mit einem Spektrometer, wobei das Licht einer Lichtquelle auf einen an einem Meßplatz angeordneten Edelstein gerichtet wird und das durch den Edelstein durchgetretene und/oder reflektierte Licht an eine Auswerteeinrichtung weitergeleitet wird, in welcher Spektralkurven des Lichts erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mehrkanalspektrometer verwendet wird, wobei der Edelstein (11) mit weißem Licht mit Wellenlän­ gen im Bereich von 250 nm bis 1000 nm über eine festgelegte Integrationszeit bestrahlt wird, wobei das Licht zwischen dem Meßplatz und der Auswerte­ einrichtung (13) in einer polychromatischen Detek­ toreinrichtung (8) in seine Spektralanteile zer­ legt wird, und daß das Licht von der Lichtquelle (1) zum Meßplatz und von dem Meßplatz zur Auswer­ teeinrichtung (13) mittels Lichtleitern (4, 9) ge­ führt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß biegsame Lichtleiter (4, 9) verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Edelstein (11) bestrahlende Licht solange verstärkt wird, bis wenigstens eine der Spektral­ kurven an einer vorher bestimmten Stelle einen de­ finierten bekannten Wert aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung des Lichts durch eine Erhöhung der Integrationszeit erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung des Lichts durch eine Veränderung des Abstandes zwischen einer der polychromatischen Detektoreinrichtung (8) vorgeschalteten Ankopp­ lungseinrichtung (22) für Lichtleiter und dem Edelstein (11) erreicht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ausbildung des Edelsteines (11) als Dia­ mant die Lichtstrahlung solange verstärkt wird, bis die Spektralkurve im nahen infrarotbereich ei­ nen Wert von 100% erreicht.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6 mit einem Spektrometer, wo­ bei ein Edelstein auf einem mit einer Lichtquelle bestrahlbaren Meßplatz angeordnet und das den Edelstein durchdringende und/oder von dem Edel­ stein reflektierte Licht einer Auswerteeinrichtung zuführbar ist, in welcher Spektralkurven des Lichts erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß weißes Licht mit einer Wellenlänge von 250 nm bis 1000 nm verwendbar ist und das Licht von der Lichtquelle (1) zu dem Meßplatz und von dem Meß­ platz zu der Auswerteeinrichtung (13) durch erste und zweite Lichtwellenleiter (4, 9) leitbar ist, wobei zwischen dem Meßplatz und der Auswerteein­ richtung (13) eine polychromatische Detektorein­ richtung (8) zum Zerlegen des Lichts in seine Spektralanteile und zum Erfassen der Spektralan­ teile vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (4, 9) Quarz-Quarz-Fasern enthal­ ten.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Lichtleiter (9) eine Mono­ faser (10) und um die Monofaser (10) herum ange­ ordnete Einzelfasern (6) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßplatz in einem Meßkopf (5) vorgesehen ist, wobei der Meßkopf (5) eine Trägerplatte (17) für den Edelstein (11) aufweist, die in einer mit ei­ ner Reflexionsschicht beschichteten Integrations­ kugel (24) angeordnet ist, in welche die Licht­ quelle (1) einstrahlt, und wobei in der Träger­ platte (17) ein mit dem ersten Lichtleiter (4) wirkverbundener Diffusor (23) angeordnet ist, durch welchen das Licht dem Edelstein (11) zuführ­ bar ist und in einer auf Abstand zu der Träger­ platte (17) angeordneten Aufnahmeplatte (21) ein weiterer Diffusor (26) vorgesehen ist, der mit der Ankopplungseinrichtung (22) für Lichtleiter ver­ bunden ist und durch den Licht der Auswerteein­ richtung (13) zuführbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (17) für den Edelstein (11) n Linearführungen (19) geführt und der Abstand des Edelsteines (11) zu der der polychromatischen De­ tektoreinrichtung (8) vorgeschalteten Ankopplungs­ einrichtung (22) für Lichtleiter durch Verschieben der Trägerplatte (17) in den Linearführungen (19) veränderbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (23) und/oder der weitere Diffusor (26) und/oder die Trägerplatte (17) für den Edel­ stein (11) auswechselbar vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (23) und/oder der weitere Diffusor (26) aus Talk-Papier besteht.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (23) und/oder der weitere Diffusor (26) aus Quarz besteht.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (23) und/oder der weitere Diffusor (26) mehrschichtig ausgeführt ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (23) in Abhängigkeit von der Größe des Edelsteines (11) einen Durchmesser zwischen 3 mm bis 18 mm aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschicht in der Integrationskugel (24) eine UV-taugliche Innenbeschichtung ist, die auch Lichtstrahlen im UV-Bereich reflektiert.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschicht in der Integrationskugel (24) aus BaSO₄ besteht.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, gekennzeichnet durch eine Grundplatte (20) aus einem weichen Werkstoff, wobei die Linearführungen (19) auf der Grundplatte (20) angeordnet sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationskugel (24) auf ihrer Außenseite mit Aluminium (25) bedampft ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplungseinrichtung (22) für Lichtleiter auf der Außenseite der Integrationskugel (24) und an der dem Diffusor (23) gegenüberliegenden Seite der Integrationskugel (24) angeordnet ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) eine Xenon-Lampe ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die polychromatische Detektoreinrichtung als Dio­ den-Array-Detektor (12) oder als CCD-Detektor aus­ gebildet ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplungseinrichtung für Lichtleiter als Lichtleiter-Adapter mit einer ins Unendliche ab­ bildenden Optik (LAP-Optik 22) oder als foku­ sierender Lichtleiter-Adapter ausgebildet ist.