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Verfahren und Vorrichtung zur ermittlung
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und Größenbestimmung von Einschlüssen in Edelsteinen Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Lrmittlung und Größenbestimmung von
Einschlüssen in Edelsteinen, wobei der jeweils untersuchte Edelstein mit einem engen
gebündelten Lichtbündel, dessen Bündelquerschnitt in der Größenordnung der kleinsten
festzustellenden Einschlüsse liegt, über seine gesamte, senkrecht zum einfallenden
Lichtbündel liegenden Querschnittsebene entlang Abtastbahnen abgetastet wird, deren
gegenseitiger Abstand höchstens gleich dem Bündelquerschnitt ist, und die Intensität
des Lichtbündels, nachdem sie vom untersuchten Edelstein beeinflußt worden ist,
gemessen wird nach Patentanmeldung P 24 44 644.4.
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Mit diesem vorgeschlagenen Verfahren können die im Edelstein befindlichen
Einschlüsse in ihrer Lage z. B. in bezug auf die Tafelebene des Edelsteins festgestellt
werden. Wird diese Tafelebene
beispielsweise in ein X-Y-Koordinaten-System
gelegt, so können also mit diesem Verfahren die jeweiligen X- und Y-Koordinaten
der Einschlüsse bestimmt werden. Dagegen wird mit diesem Verfahren nicht die räumliche
Lage der Einschlüsse erfaßt, ausgedrückt in bezug auf ein übliches dreidimensionales
X, Y, Z-Koordinaten-System bedeutet dies, daß die jeweilige Z-Koordinate mit Hilfe
dieses Verfahrens nicht angegeben wird.
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Gerade diese zusätzliche Angabe ist jedoch für eine eindeutige Charakterisierung
des Edelsteins von Wichtigkeit.
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Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das
eingangs beschriebene Verfahren dahingehend zu ergänzen, daß zusätzlich zu den X-Y-Koordinaten
der Einschlüsse auch deren jeweilige Z-Eoordinate bestimmt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß anschließend an das
Verfahren zur Bestimmung der X-Y-Koordinaten auf den Edelstein treffende, parallelverlaufende
stark gespreizte Lichtstrahlen derart fokussiert werden, daß ihr Brennpunkt in den
zu untersuchenden Edelstein fällt und der Brennpunkt der Strahlen in zur Querschnittsebene
senkrechten Richtung auf den Koordinaten der Querschnittsebene des festgestellten
ßinschlusses verschoben und die Intensität des aus dem Edelstein austretenden Lichtes
gemessen wird.
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Erfindungsgemäß werden also zunächst die X-Y-Koordinaten der Einschlüsse
im Edelstein festgestellt und anschließend innerhalb dieser gemessenen Koordinaten
die räumliche tiefe der Einschlüsse gemessen. Dabei macht sich der Erfindung die
Erkenntnis zunutze, daß es möglich ist, die insbesondere von einem Laserlimittierten
parallelen Strahl<.eines Strahlenbündels mit einem Bündeldurchmesser von 0,3
bis 1 mm zu spreizen bzw.
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aufzuweiten und anschließend zu fokussieren, so daß nur derartige
Einschlüsse eine relevante Lichtintensitätsveränderung herbeiführen, die unmittelbar
in den Brennpunkt fallen. Dabei erfolgt eine umso stärkere Fokussierung je größer
die spreizung ist. Das Maß der Spreizung ist also maßgebend für die Fokussiermöglichkeit.
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Erfindungsgemäß kann es zweckmäßig sein, wenn das Verschieben des
Brennpunktes durch kontinuierliches Hin- und Herbewegen mindestens eines Linsensystems
in zur Querschnittsebene senkrechten Richtung erfolgt. ebenso ist es erfindungsgemäß
möglich, das Verschieben des Brennpunktes durch ein kontinuierliches Hin- und Herbewegen'des
Edelstein in zur Querschnittsebene senkrechten Richtung durchzuführen. Dabei ist
die Amplitude der Hin- und Herbewegung des Edelsteins bzw. der Fokussierlinse ausgehend
von einer Nullage jeweils das Maß für die Lage des Einschlusses in zur querschnittsebene
senkrechten Richtung, sobald der Brennpunkt der Strahlen mit dem Einschluß zusammenfällt
und
so eine Beeinträchtigung der austretenden Lichtintensität registriert wird, und
zwar im Vergleich zur Lichtintensität des austretenden Lichtes so lange der Brennpunkt
der Strahlen nicht in den Bereich eines Einschlusses fällt.
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In Ausgestaltung der Erfindung kann es weiterhin von Vorteil sein,
wenn der jeweils zu untersuchende Edelstein abgetastet wird, während er in einer
Immersionsflüssigkeit vollständig eingetaucht ist und die Intensität des durch den
Edelstein hindurchtretenden Lichtbündels gemessen wird. Dabei ist es von Vorteil,
wenn die Brechzahl dr Immersionsflüssigkeit der Brechzahl des Edelsteine für die
Wellenlänge des einfallenden Lichtbündels soweit als möglich angenähert ist. Im
Fall der Untersuchung von Diamanten ist es zweckmäßig, die Brechzahl der Immersionsflüssigkeit
zwischen 2 und 2,4 zu wählen. Gemäß der Erfindung sollte die Brechzahl der Immereionsflüssigkeit
wenigstens 2,2 betragen. Aufgrund dieses erfindungegemäßen Verfahrens wird erreicht,
daß bei der messung der von dem zu untersuchenden Edelstein beeinflußten Lichtintensität
nicht ständiges Untergrundrauschen registriert wird, sondern das maximale Signal,
da im störungsfreien Fall, d. h., wenn keine Einschlüsse vorliegen, das Licht praktisch
ungehindert durch den Edelstein hindurchtreten kann. Denen im Bereich des Übergangs
von der Immersionsflüssigke it zu den Flächen des Edelstein tritt praktisch keine
Brechung auf und es wird somit eine otalreflexion
unterbunden.
Wenn Einschlüsse festgestellt werden, treten die hierdurch verursachten Signale
als sogenannte einbrüche in dem ständig gemessenen Maximalsignal auf. Es ist somit
ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis erreichbar. Da der zu untersuchende Edelstein
vollständig in die stark brechende Flüssigkeit eingetaucht ist, wobei der Brechungsindex
der Flüssigkeit dem des Edelsteins soweit als möglich angenähert ist, werden die
Reflexionsprobleme beim Übergang des Lichtbündels von der Flüssigkeit in den Edelstein
praktisch vermieden. Das Lichtbündel kann somit ungehindert durch den Edelstein
selbst in dessen Randbereichen hindurch bis zu der die Intensität messenden Einrichtung
hindurchtreten. Nur wenn das Lichtbündel auf einen Einschluß auftrifft, wird es
gestreut und somit die Menge des durchtretenden Lichtes stark verringert.
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rfindungsgemäß ist es weiterhin von Vorteil, wenn der untersuchte
Edelstein mit seiner Tafel rechtwinklig zur Bündelachse ausgerichtet und dem einfallenden
Lichtbündel zugewendet abgetastet wird. weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn
das Lichtbündel ein Laserbündel ist.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient eine Vorrichtung
zur ermittlung und Größenbestimmung von Einschlüssen in Edelsteinen, bestehena aus
einem Behälter, in welchem der jeweils
zu untersuchende Edelstein
in einer vorgewählten Ausrichtung einsetzbar und eine bis über die oberste Spitze
des Edelsteins hinausreichende Immersionsflüssigkeit eingefüllt ist, einer Lichtquelle
mit Linsensystem, die ein Lichtbündel mit einem Bündelquerschnitt in der Größenordnung
der kleinsten festzustellenden Einschlüsse liefert, einer Einstelleinrichtung, mit
der das Lichtbündel unter einem vorgewählten Raumwinkel zu dem in den Behälter eingesetzten
Edelstein ausrichtbar ist und einer Bewegungseinrichtung, die den Edelstein und
das Lichtbündel relativ zueinander entlang einer vorgewählten Abtastbahn bewegt,
wobei erfindungsgemäß die erste Lichtquelle gegen eine zweite austauschbar ist,
die einen gespreizten Lichtstrahlengang mit einem Brennpunkt im Edelstein erzeugt,
und der den Edelstein enthaltende Behälter oder die zweite Lichtquelle in oder gegen
eine zur Querschnittsebene senkrechten Richtung verschiebbar gelagert ist.
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Erfindungsgemäß kann es dabei zweckmäßig sein, wenn die zweite Lichtquelle
aus einem Laser oder einer Leuchtdiode mit nachgeschalteter aus einzelnen Linsen
aufgebauter Spreiz- und Fokussiereinrichtung besteht.
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In Ausgestaltung der Erfindung kann es weiterhin zweckmäßig sein,
daß eine die Intensität des durch den zu untersuchenden Edelstein hindurchgetretenen
Lichtbündels messende, lichtempfindliche
inrichtung auf der dem
Lichtbündel abgewandten Seite des Edelsteins angeordnet ist. Dabei ist es weiterhin
von Vorteil, wenn die lichtempfindliche Einrichtung eine flächenmaßige Ausdehnung
aufweist, die wenigstens gleich der Ausdehnung der zu ihr parallel liegenden größten
Querschnittsebene des zu untersuchenden Edelsteins ist. Durch diese Ausgestaltung
wird erreicht, daß mit Hilfe dieser lichtempfindlichen Einrichtung im Falle, daß
keine Beeinträchtigung der Lichtintensität durch Einschlüsse erfolgt, von dieser
die ganze Lichtintensität des Lichtbündels gemessen wird.
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Anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles
wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipansicht einer
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Hauptanmeldung, Fig. 2 eine
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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ie aus Fig. 1 ersichtlich ist, umfaßt eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens zur Erfassung der Einschlüsse hinsichtlich ihrer X-Y-Koordinaten
eine Lichtquelle 1, beispielsweise einen Laser oder eine Leuchtdiode, ein Linsensystem
2 und einen Behälter 3. Im Behälter 3 ist mit seiner Tafel parallel
zur
vorderen Behälterwand 4 ein Edelstein 5 angeordnet. An der Rückwand 6 des Behälters
3 ist eine lichtempfindliche Sinrichtung 7, beispielsweise aus einzelnen Fotozellen
aufgebaut, vorgesehen. Die flächenmäßige Ausdehnung der lichtempfindlichen einrichtung
7 in der Rückwand ist so gewählt, daß selbst die größten zu untersuchenden Steine
mit ihrer Projektionsfläche auf der Rückwand innerhalb dieser lichtempfindlichen
Einrichtung angeordnet werden können. Innerhalb des Behälters 3 befindet sich eine
Immersionsflüssigkeit 8 mit einem dem Brechungsindex des Edelsteins 5 angepaßten
Brechungsindex. Der Edelstein 5 haftet an der Innenseite der Vorderwand 4 aufgrund
der zwischen den beiden Anlageflächen auftretenden Adhäsion. Das Linsensystem 2
ist dabei derart bemessen, daß der aus ihm austretende und durch den Edelstein verlaufende
Lichtstrahl bzw. das Lichtbündel einen Querschnitt entsprechend der Größenordnung
der kleinsten festzustellenden Einschlüsse besitzt.
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Mit Hilfe eines in der Zeichnung nicht dargestellten Antriebs des
Behälters 3 ist es nun möglich, den Behälter in einer derartigen Abtastbahn zu bewegen,
daß das einfallende Lichtbündel und der jeweils zu untersuchende Edelstein während
des Abtastens relativ zueinander entlang einer streifenförmigen oder einer mäanderförmigen
Bahn verschoben werden, 80 daß der Edelstein entlang parallelen Querschnittsebenen
abgetastet wird.
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Die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung dient zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei auch hier wiederum eine Lichtquelle 1 aus einem
Laser oder einer Leuchtdiode vorhanden ist. Jedoch ist das Linsensystem 10 im Unterschied
zum Linsensystem 2 gemä Fig. 1 derart bemessen, daß die parallelen Strahlen in einer
Aufweitlinse 11 zunächst stark gespreizt und dann in einer Sammellinse 12 fokussiert
werden, so daß sie sich in einem im zu untersuchenden Edelstein 5 liegenden Brennpunkt
schneiden. Die Linsen besitzen eine spezielle Durchlässigkeit und Vergütung für
Laserlicht, so daß etwa 100 ç Durchlässigkeit erreicht wird. Der Behälter 3, der
dem Behälter 3 gemäß Fig. 1 entspricht, ist jedoch hier zusätzlich noch in und gegen
die Strahlenrichtung verschiebbar, so daß der Brennpunkt der Strahlen kontinuierlich
innerhalb des Edelsteins verschoben werden kann. Indem nun der Brennpunkt auf einen
Einschluß im Edelstein fällt, wird eine Schwächung der an der Behälterrückwand austretenden,
auf die lichtempfindliche Einrichtung fallenden Lichtenergie von dieser registriert
und in Form von Intensitätseinbrüchen beispielsweise in einem angeschlossenen, nicht
dargestellten Registergerät aufgezeichnet. Aufgrund der Stellung des Behälters ausgehend
von einer nullage, die mit der Lage des Brennpunktes z. B. in der Tafelebene des
Edelsteins 5 übereinstimmt, kann nun exakt die räumliche Lage des Einschlusses festgestellt
werden, nachdem mit Hilfe der Einrichtung gemäß der Fig. 1, dessen Lage in der X-Y-Ebene
erfaßt worden war. Die nicht
dargestellte Verschiebungseinrichtung
für den Behälter 3 in oder gegen die Strahlungsrichtung kann beispielsweise von
Art einer Mikrometerschraube sein. Dabei kann der Antrieb von Hand oder motorisch
erfolgen. Ebenso kann auch die Fokussierlinse 12 verschiebbar angeordnet werden.
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Ansprüche
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