JP2008531143A - ダイアモンドのような宝石用原石の体積内にレーザマーキングするための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

ダイアモンドのような宝石用原石の容積内に証印をレーザマーキングするための方法及び装置が提供され、該証印は、複数の顕微鏡的ドット形マークから構成され、その増大は、宝石用原石の容積内の自然発生的な内部欠陥又は不純物を強く合焦させたレーザパルス列に暴露することにより開始することができる。認証データは、証印を形成するドット形マークの相対的空間構成から宝石用原石にコード化される。宝石用原石内に他の場合には不可視の欠陥が存在することを利用して、完全な宝石用原石材料の容積内に刻印するのに必要な閾値エネルギーよりも実質的に低いエネルギーを有するレーザパルスで証印を刻印することができる。その結果、マーキング工程は、宝石用原石の表面に損傷を遥かに受けにくく、マーキングは、幅広い種類のフェムト秒レーザシステムを用いて行うことができる。宝石用原石の表面下のある深さで刻み込んだドット形マークは、その個々の大きさを数マイクロメートルに限定すると共に、僅か数個のマークから構成された証印を考案することにより、肉眼又はルーペで検出不可能とすることができる。その結果、マーキングは、宝石用原石の外観及び価値を損なうことがない。レーザマーキングの手順は、天然宝石用原石に存在する欠陥が不規則に空間的に分布すること、並びにこれらの強く局在する性質を考慮する。証印の存在は、全ての宝石店が入手可能な専用の光学読取装置を用いて検出することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般に、宝石用原石をレーザマーキングするための方法及びシステムに関し、更に詳細には、宝石用原石の容積内に存在する局所的な内部欠陥を制御レーザパルス列に暴露することにより生成される複数の顕微鏡的なドット形マークから構成される認証コードを刻み込むための方法及びシステムに関する。

宝石用原石のマーキング
盗難、紛失、又は沢山の中に混入した宝石用原石に一意的に定められた識別マークすなわち証印を予め刻印しておくことにより、回収した後正当な所有者に戻った場合にその鑑別が極めて容易になる。その結果、高価で貴重な宝石用原石の物品の殆どには保険がかけられているので、保険会社は、この宝石用原石にマーキングすることを強く推奨している。同様に、ダイアモンドのような宝石用原石の採掘地又は産出国を単に表す証印を刻印することは、正当なダイアモンド産業にいわゆる「紛争地ダイアモンド」の流入を防ぐ効率的な方法になる。

明確な鑑別、分類、追跡、又は回収の容易さなどを目的とした種々の性質の物品に対するマーキングはしっかりと確立されている。マーキングされる証印は、ロゴ、芸術的イメージ、ホールマーク、又は一連の英数字から作られたシリアルナンバーなど、人間に解読可能なコードの形式をとることができる。種々のタイプのシンボルによりデザインされた、共通１−Ｄバーコード又はドット様マークの２−Ｄアレイなどの機械可読コードを刻印することもできる。宝石用原石の幾つかの際立った特徴により、そのマーキングが困難になることはよく知られている。例えば、証印は、一般に種々の方向を向いた更に小さな多数のファセットを含む極めて小さな物品の表面上に刻み込む必要がある。加えて、石を台に装着すると、マーキングするのに宝石用原石の外側表面の限られた部分しか接近可能ではない。これらの問題に加え、ダイアモンドのような宝石用原石は、硬度が極めて高いが、突発的な機械的応力又は過剰な局部加熱を受けたときにフラクチャを生じやすい材料で作られている。更に重要なことには、カット及び研磨された宝石用原石上に永久的な証印を刻印しても、その外観、品質、及び金銭的価値を何ら損なうものであってはならない。

宝石用原石表面上への証印のレーザマーキング
宝石用原石の永久マーキング用に開発された種々の技術のうち、レーザマーキングが当該宝石用原石業界で長い間知られている。レーザマーキングに好ましい方法は、適切な特徴を備えたレーザビームを利用することによるものであり、このビームを宝石用原石の研磨した表面部分に配向する。平均パワー又はエネルギー／パルス、合焦条件、波長、及びレーザ暴露の持続時間などのビームの主要な特徴の幾つかは、表面材料の浅い層を切除するように選択される。宝石用原石のレーザマーキング用に種々のタイプのレーザシステムが提案され用いられている。例えば、米国特許第５，１４９，９３８号、第５，４１０，１２５号、及び第５，５７３，６８４号（全てＷｉｎｓｔｏｎらに付与）、米国特許第６，１８７，２１３号（Ｓｍｉｔｈに付与）、米国特許第６，４８３，０７３号、第６，５９３，５４３号、第６，７４７，２４２号、及び第６，７８８，７１４号（全てＢｅｎｄｅｒｌｙに付与）は、紫外線レーザ放射、すなわち、波長が約４００ｎｍ（ｎｍ：ナノメートル、１ｎｍ＝１０−９ｍ）よりも短いレーザ放射を照射することができるエキシマレーザの利用を開示している。刻み込まれるスポットの直径及び刻み込んだラインセグメントの幅はビームの波長に対応するので、より短い波長のレーザビームが好ましい。殆どの自然ダイアモンドは、Ｉａ型であることに留意されたい。これらの紫外線吸収端は波長約２９１ｎｍで生じるため、４００ｎｍ〜約７００ｎｍにわたる可視領域の波長に対しては実質的に透過性がある。それでも固体レーザシステムは、特に主要出力ビームが通常可視領域の５００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲では周波数逓倍されて最終出力波長が得られる場合には、宝石用原石をマーキングするためのレーザ源として魅力的であることが分かっている。宝石用原石の表面での刻み込みにＮｄ：ＹＡＧレーザ源を用いることは、Ｇｒｅｓｓｅｒらに付与された米国特許第４，３９２，４７６号、Ｅｈｒｅｎｗａｌｄらに付与された第４，４６７，１７２号、Ｒｏｓｅｎｗａｓｓｅｒらに付与された第５，７５３，８８７号、及びＣｈｒｉｓｔｅｎｓｅｎらに付与された第６，７１３，７１５号で開示されており、Ｎｄ：ＹＬＦレーザを用いることは、米国特許第５，９３２，１１９号、第６，２１１，４８４号、第６，４７６，３５１号、及び第６，６８４，６６３号（全てＫａｐｌａｎらに付与）で教示されている。加工物の表面に衝突する時に相当に大きな断面積を有するレーザビームは、望ましいパターンの形状を正確に再現することができる機械加工された切抜きであるマスクを用いることにより、複雑な形状を備えた切除パターンを生成することができる。或いは、複雑なパターンを有する証印は、加工物の表面の極めて小さなスポットに強く合焦したレーザビームでエッチングすることができる。この目的で、加工物は、予めプログラムした変位量で電動ＸＹＺ並進ステージ上に装着することができる。別の方法は、ビーム操向装置を用いて、固定保持された加工物の限定的な表面積にわたってレーザビームを制御された方式でスキャンすることである。強く合焦させても、レーザ源からの利用可能な平均パワー又はエネルギー／パルスは、極めて硬質でほぼ透明の材料で構成されたダイアモンドのような高価な宝石用原石の表面切除閾値に到達するには不十分である可能性がある。この場合、レーザビームに暴露する前に、色素又はインクコーティングのような光吸収材料を加工物の表面に堆積させることができる。光吸収コーティングの堆積に対する代替手段は、Ｃｈｒｉｓｔｅｎｓｅｎらに付与された米国特許第６，７１３，７１５号に教示されるように、持続時間約１ｎｓ未満（ｎｓ：ナノ秒、ｎｓ＝１０−９秒）のレーザパルスを照射して殆どの材料の蒸発の閾値エネルギーを低下させることができるパルスレーザ源を用いることである。

上記で記載の特許で開示されているような種々の一般的方法を用いて刻み込まれる証印は、マークが、一般に宝石用原石のガードルの表面部分に刻み込まれるので、宝石用原石の外観もグレードも損なうことがない。詳細には、レーザ切除工程の間にグラファイトの表層が成長するので、ダイアモンドに刻み込まれたマークは多少暗色化を示すことが多い。多くの状況において、グラファイトの存在はあまり関心がもたれておらず、実際には、これは、低倍率のルーペを用いて読もうとしたときに証印が見え易くするのを助けることができる。必要であれば、グラファイトの層は表面処理で除去することができる。このような処理の実施例は、Ｅｈｒｅｎｗａｌｄらに付与された米国特許第４，４６７，１７２号に記載されており、これは、塩酸と組み合わせて７００°Ｃの熱を加えることから成る。エッチングした表面積にグラファイトの層が存在することによって証印の外観が高度にコントラストされることに加え、あらゆる証印は、単にこれを拡大することにより検出及び認識を容易にすることができる。寸法が相当大きな容易に見える証印を刻印する利点は、幾つかの特定の状況では効率的な盗難抑止手段としての役目を果たすことができることである。

不都合なことには、宝石用原石の表面に直接刻印された可視証印は、ガードルの刻み込まれた表面部分を単に再研磨することによるか、又は他のタイプの表面処理を用いることによって容易に偽造することができ、この作業の後で場合によっては新規の不法な証印がマーキングされる。宝石用原石の表面に刻み込まれた証印を無効化するための表面処理は、例えば、あるとすればエッチングパターンのグラファイトのあらゆる痕跡を除去し、次いで、エッチング領域に当技術分野で公知の一種のフラクチャ充填製品で充填することである。ガードルの表面部分のマーキングは、宝石用原石の外観及びグレードを損うことはないが、台に装着される前の裸の宝石用原石にマーキングを行う場合には、ガードルに刻印された証印が隠れる可能性がある。多くの台は、ガードルの表面全体が見えないようにするグリップを有する。

しかしながら、状況によっては、識別マーキングは、無許可の検出を防ぐためにできる限り隠れていることが望ましい場合がある。この目的を達成する明らかな方法は、全体の寸法が極めて小さな証印を刻印することである。上述のように、従来の光学系で合焦されるレーザビームで刻印することができる特徴部の最小サイズは、本質的には光の波長によって制限されており、いわゆる光回折限界に到達する。不都合なことには、約１９０ｎｍよりも短い波長で照射し、産業環境で用いるように構成された強力な信頼性のある低価格のレーザ源は依然として存在しない。

宝石用原石の表面にレーザマーキングするための既存の方法の大きな進歩は、近視野光学系として知られる特別な技術を用いることで実現された。米国特許第６，６２４，３８５号、米国特許出願番号第１０／６０７，１８４号及び米国特許出願番号第１０／６０７，１８５号（全てＰａｔｔｏｎらに付与）では、エキシマレーザ及び周波数逓倍Ｎｄ：ＹＡＧレーザなどの種々のレーザ源で宝石用原石をマーキングするために近視野光学系の利用を開示している。この技術は、光回折限界により許容される寸法を遥かに下回る寸法の特徴部で構成された「微小証印」を刻印できるようにする。近視野光学系は、先細の光ファイバを通して、或いは、更に好ましくは、平坦な出力表面が宝石用原石の表面部分と密接に接触するように設定された固体液浸レンズを用いてレーザ光を照射することにより実施することができる。

宝石用原石の表面上へのレーザマーキングに関する既知の欠点に加え、極めて小さな寸法の微小証印をマーキングすることにより、適切な時間遅延内で宝石用原石を配置することが困難になる可能性がある。一般的には、探索キーを設ける必要があり、或いは、テーブルの幾何学的中心のような石の明白な目印に対して正確な位置に微小証印を刻印する必要がある。更に、捉えにくい微小証印の読取りは、一般に、複雑で高価な装置を用いることにより行われる。最後に、偽造者は、盗難した宝石用原石の外部表面全体を容易に再研磨して、あらゆる知覚不可能な微小証印の痕跡を消失させる可能性がある。

透明材料の容積内への証印のレーザマーキング
全体の大きさ及び複雑さに関係なく、証印は、宝石用原石の表面の遥か下に刻み込むと共に、マーキング工程により変化しない外部表面を残すことによって、偽造するのが不可能でなはないにしても極めて困難にすることができる。従って、証印と外部表面との間に位置する材料の層は、厚い保護障壁として働くので、このようにしてマーキングされた物品に大きく且つ不可逆的な損傷を与えることなく、証印に変更を加えることが極めて困難になる。通常の宝石用原石とはその特性、寸法、及び用途が根本的に異なる被検物をマーキングするために、レーザビームで表面下マーキングするための方法が開発された。例えば、Ｃｌｅｍｅｎｔらに付与された米国特許第５，２０６，４９６号は、ガラス及びプラスチックのような透明材料の本体の不透明さが増大した領域の表面下レーザマーキングを開示している。この技術は、例えば、限定された数の許可小売店に流通される高価な香水を収容する役目を果たす容器にマーキングするのに提案されてきた。材料の容積にマーキングすると、証印の破壊を目的としたあらゆる表面処理（再研磨を含む）に耐えることができるだけでなく、偽造者による複製が極めて困難であるという利点をもたらす。ダイアモンドの表面下のレーザマーキングは、Ｅｈｒｅｎｗａｌｄらに付与された米国特許第４，４６７，１７２号に要約して教示されているが、形状、寸法、及び表面下に閉じ込められたマークの深さを制御することについては詳細には示されていない。

種々の透明材料のバルクにおけるレーザビームを用いたマークの刻印（「微細構造」とも呼ばれる）は、恒久的な光学データ記憶用途において高密度の点状マークの２次元アレイ及び３次元アレイの書き込みに極めて有望な概念である。また、この概念は、溶融石英のような光学材料のバルクに光を誘導する機能を果たす光導波路を構築するのにも魅力的である。上に述べた両方のタイプの用途では、材料のバルク又はその外表面にどのような望ましくない光学的損傷を与えることなく、透明材料の容積に正確な寸法及び形状の微細構造を刻印するために、厳密に制御された時間的及び空間的特性を備えた書き込みレーザビームの利用を必要とする。光学的情報記憶用途に主に焦点が当てられているが、Ｇｌｅｚｅｒに付与された米国特許第５，７６１，１１１号では、超短レーザパルスを利用して種々の透明材料に高コントラストな屈折率の亀裂のない規則的な形状の微細構造を生成することを開示している。これらの材料には、溶融石英、プラスチック、半導体、サファイア、更には微結晶及び宝石類が含まれる。３つの異なるマーキング型は、上に記載した特許で論じられており、第１の型は、刻印した微細構造の形状及び寸法の良好な制御を可能にする。この型は、極めて短いパルス幅、すなわち、数ｆｓ（ｆｓ：フェムト秒、１ｆｓ＝１０〜１５秒）〜約２００ｐｓ（ｐｓ：ピコ秒、１ｐｓ＝１０〜１２秒）の範囲の強く合焦されるパルスレーザビームの利用による。この特定のマーキングの型の別の要件は、各レーザパルスにより運ばれるエネルギーに関するものであり、これは、選択したレーザ波長及び合焦特性において、ホスト透明材料に永久的な構造変化（損傷）を誘起するのに必要な閾値エネルギーに匹敵するかこれよりも数倍高い必要がある。

この表面下マーキング技術の成果をあげた実施例の結果は、上に記載した特許、及びＥ．Ｎ．Ｇｌｅｚｅｒらの「Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｉｎｓｉｄｅ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（透明材料内部の３次元光学的記憶）」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第２１巻２０２３〜２０２５頁（１９９６年）、並びにＥ．Ｎ．Ｇｌｅｚｅｒらの「Ｕｌｔｒａｆａｓｔ−ｌａｓｅｒ ｄｒｉｖｅｎ ｍｉｃｒｏ− ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓ ｉｎ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（透明材料内の超高速レーザ駆動微小爆発）」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７１巻８８２〜８８４頁（１９９７年）などの学術論文において報告されている。例えば、著者らは、互いに約２μｍ（μｍ：マイクロメートル、１μｍ＝１０−６ｍ）だけ間隔を置いて配置され、書き込みレーザビームが入射される面から見て直径が２００〜２５０ｎｍの範囲の低コントラスト屈折率の微細構造の２次元アレイの書き込みに成功した。微細構造は、溶融石英で作られた記録媒体の表面下の深さ１００μｍに書き込まれた。しかしながら、上に記載した特許及び関連する学術論文では、ダイアモンド材料のバルクでのマーキングへの試みに成功したことに関しては報告していない。実際、上の参考文献には、ダイアモンドのバルクに構造的変化を誘起するためのエネルギー閾値が他の殆どの透明材料よりも少なくとも１００倍高いことしか述べられていない。

ダイアモンドの容積内のレーザマーキング
上で説明した結論に達していない状況に興味を惹かれ、恐らくはＥｈｒｅｎｗａｌｄ他に付与された米国特許第４，４６７，１７２号に気付かずに、Ｊ．Ｂ．Ａｓｈｃｏｍは、フェムト秒レーザパルスで天然Ｉａ及びＩＩａ単結晶ダイアモンドサンプルのバルクにマーキングする目的でより体系的な実験研究を行った。彼は、主な結果を「Ｔｈｅ Ｒｏｌｅ ｏｆ Ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｐｕｌｓｅｓ ｗｉｔｈ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（フェムト秒レーザパルスと透明材料との相互作用における合焦の役割）」（マサチューセッツ州ケンブリッジ所在のＨａｒｖａｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、２００３年１月）と題される博士学位論文の第４章で報告している。Ａｓｈｃｏｍは、フェムト秒レーザパルス列をダイアモンドサンプルの同じスポット上に配向することで、サンプルのバルクに光学的損傷（微細構造）を生じることができるが、これは、開口数が約０．２５〜０．４５の範囲にある顕微鏡対物レンズでレーザパルスを合焦させた場合だけであることを観察した。Ａｓｈｃｏｍは、約２０ｎＪ（ナノジュール）〜９０ｎＪの範囲で変動するエネルギーを有するレーザパルスを用いて、ダイアモンドサンプルの表面下約４０μｍの深さに微細構造をマーキングすることに確かに成功した。驚くべきことには、彼の実験的研究の顕著な特徴は、彼が用いた最も高いエネルギーレベルで最も多くのパルスでも、天然ダイアモンドサンプルに何ら内部損傷を生じない事例があることが観察されたことである。同様に、同じダイアモンドサンプルの部位毎並びにサンプル毎にレーザで誘起された損傷の発現に対する有意な統計的成分があった。このような確率的挙動の原因として、天然ダイアモンドサンプルに存在する不純物の濃度の空間的ばらつきが想定された。また、同じグループの別のメンバーの卒業論文（Ｊ．Ｃ．Ｈｗａｎｇ、マサチューセッツ州ケンブリッジ所在のＨａｒｖａｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、２００３年４月）では、生成された微細構造が暗く不透明な外観を有し、これは、仮説的にグラファイトが存在すること、各微細構造内部に非晶質炭素が形成された可能性が高いことに起因すると報告された。このような結果を認識したので、Ａｓｈｃｏｍは、ダイアモンドのバルクへのマーキングは成功しそうにないと結論付けた。

宝石用原石材料のバルクへのマークの生成において不純物及び欠陥が果たす重大な役割は、図１Ａに示される顕微鏡写真から明確に証明される。約１５０−ｆｓの時間期間で約５００ｎＪのエネルギー／パルスを有する５つのレーザパルスが全て天然ダイアモンドサンプル内の同じ容積内に合焦された。合焦ビーム強度プロファイルのピーク上に中心がある単一のマークの代わりに、図１Ａでは、少なくとも３つの別個のマークが生成され、その各々が、書き込みレーザビームがその最も細い横断スポットサイズになる容積の外側に位置付けられていることを示している。この結果、図で見える各ダークスポットの位置にある局所的光学フルエンスは、書き込みレーザビームのピークフルエンスよりも有意に低いが、それでも、良好に局在化された欠陥及び不純物が材料中に存在する場所に構造的変化を開始させるのには十分であった。図１Ｂは、自然発生的な欠陥及び不純物が局在する性質を有し、不規則に分布することについての別の証拠を示している。この図は、強く合焦させたフェムト秒レーザビームが１ｍｍ／ｓの一定速度で直線軌道に沿って並進した天然ダイアモンドサンプルの表面域にわたって撮った顕微鏡写真を示す。エネルギー５０μＪのレーザパルスを１ｋＨｚの速度で照射すると、図に示す痕跡が約２ｍｍの長さにわたって広がる。顕微鏡写真は、この特定の天然ダイアモンドサンプルのバルクに刻印された痕跡は、軌道に沿って不規則に分布された小さなダークスポットから構成されているので、決して連続とはいえないことを示している。顕微鏡写真の著しい特徴は、どのようなダークスポットも有さない図の中心領域に位置付けられる痕跡の長いセグメントが存在することである。一方、ダークスポットは、痕跡の左側部分の幾つかの領域に密集して現れている。加えて、これらのスポットの多くは、軌道の中心線の上又は下に位置し、これは、ビームの局在光学フルエンスがその最大ピークレベルでない部位に形成されたことを意味する。

図１Ａ及び図１Ｂに示された結果から、天然ダイアモンドサンプルでの微細構造のマーキングを成功させるためには、エネルギー／パルスを適切に選択することが重要であると結論付けることができる。例えば、図１Ａに示した実施例の場合と同様、エネルギー／パルスが過剰である場合には、材料のターゲット容積の周り（及びその僅かに上）に幾つかの中心から外れたマークが形成される可能性がある。一方、不十分なエネルギーを有するレーザパルスを発射すると、欠陥が存在しないと推定される容積にマーキングするのに失敗する結果となる可能性がある。従って、微細構造の生成が開始される欠陥が局在する性質及び不規則に分布されることを克服するためには、適切な範囲のエネルギー／パルスは、同じ天然ダイアモンドサンプルにおいて部位毎に異なる可能性があると考えられる。また、エネルギー／パルスは、刻印マークのその後の成長にも大きな影響を及ぼす。例えば、図１Ｃは、５つのレーザパルス列で１組のマークを刻印した天然ダイアモンドサンプルの表面域にわたって撮った顕微鏡写真を示す。エネルギー／パルスは、数μＪの範囲であり、これは部位毎に異なっていた。不規則な外形の黒色域として図１Ｃに見えるマークは、予め切断して立方体の形状にした天然ダイアモンドサンプルに刻印された。立方体形であることにより、サンプルのあらゆる平坦な側壁からマークを視覚的に観察することができ、これによって、書き込みレーザビームの伝播軸に平行な方向に沿った微細構造の広がりに関する貴重な情報が得られる。次いで、図１Ｃでは、書き込みレーザビームは、図の上部に位置するサンプルの表面上に入射され、図の下向き方向に平行に伝播した。この特定の実施例では、垂直方向に沿った微細構造の範囲は、図の最も右側部分に位置する両方のマークで示されるように、試験に用いた最高エネルギーレベルでは１００μｍを超える。その結果、両方のマークは、サンプルの入射表面から観測すると直径約３０μｍのダークスポットのように見える。

構造的変化がダイアモンド材料の欠陥又は不純物から開始すると、マークのその後の成長は、エネルギー／パルス、サンプル内の各部位に配向されるレーザパルスの数、及び書き込みレーザビームの合焦特性などのマーキング工程の主要パラメータを適切に選択することにより制御することができることが見出された。しかしながら、宝石用原石材料の特定の部位に適切であることが分かっているレーザパラメータの組み合わせは、同じ宝石用原石の他の部位で必ずしも有効である訳ではなく、従って、普遍的なレーザマーキングプロトコルを開発する妨げとなっている。実際に、あらゆる有効なレーザマーキングプロトコルは、マークが望ましい全体寸法になったときにレーザマーキングを停止するために、各個々のマークの成長のリアルタイムの監視を含む必要がある。この態様は、マークされた宝石用原石の外観及びグレードを損なわない証印の刻印にとっては重要なことである。

上に記載した先行技術、及び宝石用原石の表面上又は表面下に証印をレーザ刻印する関連技術を実施するときに報告された種々の問題及び課題を考慮すると、ダイアモンドのような宝石用原石のバルクにおいて、信頼性があり、安全で、且つ制御された状態で証印をマーキングすることができるようにする方法及びシステムが必要とされている。また、レーザ誘起性微細構造を内部に形成する際の天然ダイアモンドの特異的な物理的特性と共に、これまでに開発されたマーキング工程の確率論的性質及び変動を解決することができるシステムも必要とされている。

米国特許第５，１４９，９３８号公報 米国特許第５，４１０，１２５号公報 米国特許第５，５７３，６８４号公報 米国特許第６，１８７，２１３号公報 米国特許第６，４８３，０７３号公報 米国特許第６，５９３，５４３号公報 米国特許第６，７４７，２４２号公報 米国特許第６，７８８，７１４号公報 米国特許第４，３９２，４７６号公報 米国特許第４，４６７，１７２号公報 米国特許第５，７５３，８８７号公報 米国特許第６，７１３，７１５号公報 米国特許第５，９３２，１１９号公報 米国特許第６，２１１，４８４号公報 米国特許第６，４７６，３５１号公報 米国特許第６，６８４，６６３号公報 米国特許第６，６２４，３８５号公報 米国特許出願番号第１０／６０７，１８４号公報 米国特許出願番号第１０／６０７，１８５号公報 米国特許第５，２０６，４９６号公報 米国特許第５，７６１，１１１号公報 Ｅ．Ｎ．Ｇｌｅｚｅｒらの「Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｉｎｓｉｄｅ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（透明材料内部の３次元光学的記憶）」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第２１巻２０２３〜２０２５頁（１９９６年） Ｅ．Ｎ．Ｇｌｅｚｅｒらの「Ｕｌｔｒａｆａｓｔ−ｌａｓｅｒ ｄｒｉｖｅｎ ｍｉｃｒｏ− ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓ ｉｎ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（透明材料内の超高速レーザ駆動微小爆発）」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７１巻８８２〜８８４頁（１９９７年） 「Ｔｈｅ Ｒｏｌｅ ｏｆ Ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｐｕｌｓｅｓ ｗｉｔｈ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（フェムト秒レーザパルスと透明材料との相互作用における合焦の役割）」（マサチューセッツ州ケンブリッジ所在のＨａｒｖａｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、２００３年１月）

従って、本発明の第１の目的は、ダイアモンドのような宝石用原石の容積内のテーブルの表面下の予め設定された深さに、前記テーブルの表面にどのようなレーザ誘起の光学的損傷を引き起こすことなく永久的なドット形マークをレーザ刻印し、刻印したマークが、あらゆるタイプの表面処理を用いても消すことが不可能であると共に、偽造者が模倣するのが極めて困難であるようにするための方法及び装置を提供することである。

本発明の別の目的は、天然ダイアモンドの結晶格子内に不規則に分布された欠陥及び不純物が存在することを利用して、フェムト秒の範囲の時間期間で且つ他の完全なダイアモンド材料のバルクにマーキングするためのエネルギー閾値を遥かに下回るエネルギー／パルスを有するレーザパルスにダイアモンドを暴露することでドット形マークの制御された成長をトリガすることによって、ダイアモンドの容積内にレーザマーキングするための方法を提供することである。本発明の更に別の目的は、完全なダイアモンド結晶格子のバルクに構造的変化を誘起するのに十分な高いエネルギーを備えたレーザパルスを照射するレーザシステムを用いて、最高の透明度のダイアモンド宝石用原石のバルクに安全にマーキングするための方法を提供することである。

本発明の別の目的は、ダイアモンドのような宝石用原石のバルクにおいてレーザマーキングするための方法及び装置であって、透明度及び品質が大きく変化し、種々の切断及び全体の大きさを有し、マーキングされるときにばらばらであるか又は種々のタイプの台に装着することができる宝石用原石のマーキングを可能にする十分な汎用性を有する方法及び装置を提供することである。

本発明の更に別の目的は、宝石用原石の容積内にドット形マークをレーザ刻印するための方法であって、本発明の方法に従ってマーキングされた宝石用原石の外観、グレード及び金銭的価値を損なわないために、ダイアモンド評価者が通常用いる機器で見たときに各マークが十分小さく検出不能を維持する方法を提供することである。一方、本発明の別の目的は、マークの寸法及び形状を調整し、専用の光学読取りシステムによりマークを機械検出可能にする方法を提供することである。

本発明の更に別の目的は、ダイアモンドのような宝石用原石のバルクにおいて全く安全な方法で証印をマーキングするための手順であって、天然ダイアモンドのバルクにレーザ誘起のマークの形成に関する確率論的な性質を適切に考慮するように設計され、該性質がその容積内の部位毎で大きく変わる欠陥及び不純物の集中を示す手順を提供することである。

本発明の別の目的は、従来の光学顕微鏡設計に基づき、宝石用原石のバルクに刻印されたドット形マークのイメージを提供することができ、これらのイメージがイメージ処理手段により証印全体を確実に自動的に検出することができる程十分にコントラストを有する簡単、低価格、及び使用が容易な光学読取りシステムを提供することである。

本発明の別の目的は、極めて少数のドット形マークから構成される一意的に定められた証印をレーザ刻印することによりダイアモンドのような宝石用原石のバルクに認証データをコード化するための方法を提供することであり、このマークは、互いに十分に離れており、宝石用原石の外観、グレード、及び金銭的価値がマーキング時に変化しないようにする。

本発明の別の目的は、宝石用原石のバルクに刻印された個人的な自己認証証印を有し、初期品質及び金銭的価値を維持するダイアモンドのような宝石用原石を提供することである。
これら及び本発明の他の目的は、以下の発明の開示及び好ましい実施形態の説明を参照することにより更に完全に理解されるであろう。

本発明によれば、宝石用原石の容積内に数個の不透明なドット形マークで作られた証印をマーキングするための方法及び装置が提供され、これらの宝石用原石は、好ましくはダイアモンドである。証印の構成要素のマークは、ダイアモンドの主要な切断研磨ファセットの表面下に好ましくは同じ深さで刻み込まれ、このファセットは、好ましくはダイアモンドのテーブルである。その結果、あらゆるタイプの台に装着された宝石用原石にマーキングすることができた。各個々のマークの刻印は、宝石用原石の表面を最小量のフェムト秒レーザパルスに暴露することにより望ましい大きさのマークを形成することを特に目的としたプロトコルを用いて行われるが、各パルスは、一般に、完全なダイアモンド結晶格子において恒久的な構造修正を誘起するエネルギー閾値よりも遥かに低いエネルギーを有する。マークが刻印される深さは、フェムト秒レーザビームの合焦を通じて制御される。また、加工物表面での光学フルエンスレベル（エネルギー／単位面積）を材料の表面損傷閾値を遥かに下廻って維持しながら、宝石用原石加工物の容積内にマーキングするために正確な合焦構成が選択される。その結果、宝石用原石の外表面にどのような不可逆的な光学的損傷も引き起こすことなく、容積内のマーキングが可能になる。フェムト秒レーザパルス列に暴露されたときのダイアモンド基層のバルクにおける構造的変化に関する幾つかのグループにより報告されたこれまでの実験的研究では、マークは、一般に炭素の全く異なる元素形態から構成されることが示された。従って、内部に生成される微細構造は、可視光に対して実質的に不透明である。驚くべきことには、このような不透明のドット形のマークは、テーブルの表面下の僅か数百μｍの深さに刻印した場合でも、肉眼で又は１０×倍率の光学機器を用いたときに検出不可能とすることができる。エネルギー／パルス、合焦対物レンズの有効開口数、レーザパルス幅及びレーザビームの空間品質のようなマーキング工程の幾つかの主要パラメータを厳密に制御すると共に慎重に選択すると、数μｍを超えず、好ましくは５μｍ未満の直径を有するドット形マークを得るのに十分である。

本発明の主な態様は、最高品質のダイアモンド結晶格子、すなわち実質的に欠陥又は不純物がない結晶内に刻印するのに必要な閾値エネルギーを遥かに下回るエネルギーを有するフェムト秒レーザパルスを用いることにより、不透明なドット形マークをダイアモンドのバルクに刻印することができることである。このようなダイアモンド片の容積内に永久的なマークを書き込むには、必要な光学フルエンスが、バルク内にマーキングするのに成功するよりもかなり前に加工物の表面に損傷を引き起こし易いので、幾らか注意が必要である。場合によっては「有害な」エネルギーレベルを有するレーザパルスに高い価値のある宝石用原石を暴露することは、最高品質のものを含む天然ダイアモンドの容積内に不規則に分布された不純物及び欠陥が存在するために避けることができることが多い。これらの種々の性質の不純物及び欠陥は、他の完全な材料の閾値エネルギーよりも実質的に低いエネルギーを備えるフェムト秒レーザパルスに暴露するときに暗色で不透明な領域を生成するのに有利に働く。通常の天然ダイアモンドにおいてこれらの欠陥及び不純物が不規則に空間分布していることは、このようなダイアモンドのバルクに一貫性があり再現性のある方式でマーキングした以前の試みで観測された確率的特徴の原因である。本発明の別の重要な態様は、証印を定める数個のマークの相対位置内に識別データがコード化されるコード方式を考案することにより天然ダイアモンドの欠陥及び不純物の集中が空間的に変わることを考慮することである。

ドット形マークの典型的な直径は、数μｍの範囲とする必要があるにも関わらず、ダイアモンドに形成されるときにこれらのマークが不透明であるため、低価格の光学読取り装置により適切なコントラストで撮像することが可能となる。読取装置は、刻み込んだ証印全体の拡大イメージをイメージキャプチャ用のＣＣＤセンサの平面に中継する低開口数の市販顕微鏡対物レンズを本質的に含む。次に、イメージは、証印を形成する複数のマークを検出処理手段により処理され、続いて、証印内にコード化された識別データをデコードする。光学読取装置の光照明システムは、効率的な反射体として作用する宝石用原石の底部ファセットを利用することにより、刻み込まれたマークのイメージのコントラストを更に向上させる。光学読取装置に関して上に記載した全ての態様の結果、この装置の構造は単純であり、宝石鑑定士でも顕微鏡専門士でもないユーザによる操作が容易であり、製造コストが安く、全ての宝石店に入手可能となる。

本発明は、その図面と併せて好ましい実施形態の詳細な説明を参照することにより更に理解されるであろう。
宝石用原石認証システムの概要
「発明が解決しようとする課題」の部分に記載した本発明の種々の目的は、宝石用原石の容積内に刻み込まれた証印により宝石用原石を認証するためのシステムに主な用途を見出した方法及び装置に関する。図２は、宝石用原石認証システムの実施形態を示す簡略化ブロック図である。システムの中心は、中央処理装置（ＣＰＵ）２０であり、これは、本質的に通信データリンク２４を通してＣＰＵに接続された多数の遠隔ユニットの動作を制御するコンピュータである。ＣＰＵ２０の主なタスクは、データベース２２内に格納された情報へのアクセス要求を管理すること、並びにデータベースレジストリ内の新しいデータレコードの記憶を制御することである。データベース２２に格納されたデータは、主に、マーキングされた各宝石用原石に付随する識別レコードから成る。レコードは、宝石用原石に刻み込まれた識別コード、並びに宝石用原石の固有の特性の要約（すなわちそのグレードレポート）、現在の所有者、以前の所有者の記録、宝石用原石の生産者、及び原産採掘地などの他の関連情報に対応する数値データストリームを含む。

宝石用原石認証システムの一部を形成する遠隔ユニットは、２つの主なグループに含まれる。第１のグループは、遠隔レーザマーキングステーション２６を含み、その動作はＣＰＵ２０の制御下にある。簡単にするために、図２には、２つのマーキングステーション２６Ａ及び２６Ｂのみが描かれている。しかしながら、実際の認証システムは、カバーされることになる地理的領域全体にわたって好都合に分布させることができるより多い数のレーザマーキングステーションで構成されることになる。第２のグループは、遠隔光学読取装置２８を含み、この動作もＣＰＵ２０の制御下にある。図２には、３つの光学読取装置２８Ａ、２８Ｂ及び２８Ｃのみが示されているが、実際には、これらの装置は、宝石小売店、警察本部、及びダイアモンド取引所を含む多数の場所で見られる。光学読取装置２８は、主に、検査中の宝石用原石のバルクに刻み込まれた認証証印の存在を検出し、次いで、宝石用原石を適切に識別するための入力データ（本質的にイメージ）をＣＰＵ２０に提供する働きをする。また、各遠隔レーザマーキングステーション２６は、マーキングの直後に認証システムのデータベース２２内に各宝石用原石を登録することを可能にする独自の光学読取装置２８を含む。

レーザマーキングステーションの好ましい実施形態の説明
レーザマーキングステーション２６の好ましい実施形態の種々の構成ユニットが果たす役割は、図３に描かれた簡略化したブロック図を参照することにより良好に理解されるであろう。図３に二重線で描かれた矢印は、レーザビームを表し、単線で構成される矢印は、データの交換、命令及び制御信号の送信、及び幾つかのユニットの電力供給などの種々の目的に必要な電気的接続を表している。各レーザマーキングステーション２６は、独自の制御及び処理ユニット４４を含み、これは、工業的用途向けに構成されたパーソナルコンピュータを介して実装することができる。制御及び処理ユニット４４は、オペレータがユーザインタフェース６２を介して入力した命令、又は認証システムのＣＰＵ２０の演算ソフトウェアから出され、外部通信リンク２４を通して送信された命令の何れかによりレーザマーキングステーション２６の構成ユニットの殆どの動作を制御する。

レーザシステム４２は、超短持続時間のパルスの形式で且つ繰り返しパルスの型で放出されるレーザビームを発生する。本発明の方法を動作させるには、レーザパルスの持続時間がフェムト秒の範囲であることが必要である。更に詳細には、パルス持続時間は、数百ｆｓ以下であることが必要であり、好ましくは、約１００ｆｓ未満とする必要がある。フェムト秒レーザシステムの代表的な実施例は、半導体レーザダイオードにより光学的にポンピングされるチタン−サファイア（Ｔｉ：サファイア）固体利得媒質を含むものである。これらのレーザシステムは、波長が典型的には近赤外線領域、及び詳細には７５０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲のレーザビームを放出する。Ｔｉ：サファイアフェムト秒レーザシステムは、ｎＪ範囲のエネルギーを有し、典型的には数十ＭＨｚ（メガヘルツ）の繰り返し率で放出するレーザパルスを供給する単一の発振器の形式で実装することができる。しかしながら、数ｍＪまでのエネルギーを備えるレーザパルスは、レーザ発振器の出力を再生光増幅器に結合することにより得ることができる。本発明の方法の１つの利点は、数十ｎＪ程度の低いエネルギーを有するレーザパルスで宝石用原石をマーキングすることが可能になり、Ｔｉ：サファイアレーザシステムを用いるときに再生光増幅器の利用が必ずしも必要ではなくなることである。この利点により、ハードウェアが実質的に簡略化されると共に、レーザシステム全体の調達コストが安くなる。レーザマーキング工程の効率は、レーザシステム４２から放出される書き込みレーザビームの空間品質に依存するので、ビーム浄化及び調整ユニット４６は、ビームの空間的フィルタリングを行うことができる。また、このユニットは、周波数変換ユニット４８により行われる周波数変換工程の効率を最大にするために、レーザビームの空間的特性（すなわち、発散及び横方向ビームの大きさ）を調節する働きを果たす。この工程は、本質的に、レーザビームの光中心周波数を逓倍することからなり、最初の７７５ｎｍ波長のレーザビームを３８８ｎｍ波長のビームに変換することができるようになる。周波数変換ユニット４８は、幾つかの宝石用原石材料におけるマーキングに対しては任意的であり、当技術分野で公知の第２高調波発生（ＳＨＧ）方式に依存する。図３では、次に周波数変換レーザビームが、加工物装着組立体５４内に固定された宝石用原石の入力表面下のある深さの位置にレーザビームを強く合焦することができるようにするレーザマーキング光学系５２を通過することを示している。制御及び処理ユニット４４は、宝石用原石の内部の種々の場所にマーキングするために、専用のモータ駆動装置５８を介して加工物装着組立体５４の並進を制御する。

書き込みレーザビームの空間的特性は、書き込みビーム診断ユニット５０により生成されたデータ及びイメージを通して、制御及び処理ユニット４４によりリアルタイムで監視され制御されるのが好ましい。書き込みビーム診断ユニット５０は、レーザビーム特性のあらゆる変化又はレーザシステムの動作のあらゆる不具合を早期に検出することができることが必要である。この両方のタイプの事象は、マーキング工程に有害な影響を及ぼす可能性があり、最悪の事態では、書き込みレーザビームに暴露された宝石用原石に不可逆的な損傷を生じることもある。最後に、本発明の１つの態様は、宝石用原石の容積内でのドット形マークの成長のリアルタイム監視に依存するレーザマーキングプロトコルを提供することである。この監視は、工程監視ユニット５６によりリアルタイムに提供されるイメージ及びデータを介して行われる。このユニットは、レーザマーキング光学素子５２の幾つかの光学構成要素を利用して、マークが現在構築されている領域から適切な光信号を得る。

図４は、本発明の方法に従ってレーザマーキングステーションを動作するのに必要な種々のユニットの一部を形成する光学構成要素の好ましい構成を示すレイアウトである。この図では、太い実線は、光学装置内を伝播するレーザビームの光路を描いている。フェムト秒レーザシステム４２により放出されるレーザビーム７０の小部分が、ビームスプリッタプレート８０を通して送信され、次いで、光強度測定器８２の感光面に衝突する。強度測定器８２からの読取値は、制御及び処理ユニット４４（図示せず）に供給され、その出力ビーム７０の平均光強度を測定することによりレーザ供給源４２の動作を連続的に監視することができるようになる。レーザビーム７０の主要部分は、ビームスプリッタ８０により反射され、次いで、ビーム浄化及び調整ユニット４６を通過する。好ましい実施形態では、ユニット４６は、適切な焦点距離の２つの収束レンズ８４及び８６、虹彩絞り８８、及びその開口が制御及び処理ユニット４４により遠隔的に制御される機械的シャッタ９０を含む。虹彩絞り８８は、レンズ８４の焦点面に配置され、アパーチャの直径により制御される空間的フィルタリング作用をもたらす。機械的シャッタ９０により、予め設定された数のレーザパルスを含む限定された持続時間のパルス列を送信することができ、この数は、現在進行中の特定のレーザマーキングプロトコルにより決定付けられる。

次に、空間的にフィルタリングしたレーザパルス列７２は、高反射率平面鏡９２により周波数変換ユニット４８の入力アパーチャに反射される。周波数変換は、ＢＢＯ（βホウ酸バリウム）、ＬＢＯ（三ホウ酸リチウム）、ＫＴＰ（チタンリン酸カリウム）又はＫＤＰ（二水素リン酸カリウム）のような反転対称のない幾つかの光学結晶に生じる第２高調波発生に依存する。次いで、周波数変換レーザビーム７４のエネルギー／パルスは、制御及び処理ユニット４４からの信号により所望の値に設定され、これが調節可能な光減衰器９４に転送される。この減衰器は、例えば、回転台上に装着された半波長リターダ、続いて偏光ビームスプリッタキューブで構築することができ、この構成は、当技術分野では公知である。このように設計された可変光減衰器９４を適切に動作させるには、入力レーザビーム７４が線形的に偏光することが必要である。

次いで、望ましいエネルギー／パルスを有するレーザビームは、高反射率平面鏡９６により反射された後、ビームエキスパンダ９８に到達する。図４は、入力発散レンズ１００及び出力収束レンズ１０２で構成されるガリレイ型のビームエキスパンダを示している。レンズ１００及び１０２の焦点距離は、レーザビーム７６の横方向ビームの大きさが適切に拡大されて過剰にクリッピングすることなく合焦対物レンズ１１８の入射瞳を満たすように選択される。入射瞳を適切に充填することにより、合焦対物レンズ１１８が最大開口数で動作することができるようになる。横方向に拡大したレーザビーム７８の主要部分は、ビームスプリッタプレート１０４を通過し、次いで、二色性のビームスプリッタプレート１１６により反射されて、合焦対物レンズ１１８の入射瞳に衝突する。ビームエキスパンダ９８及び合焦対物レンズ１１８は、図３のブロック図に示されるようにレーザマーキング光学系５２の２つの基本的な要素であることに留意されたい。

合焦対物レンズ１１８の出力アパーチャとマーキングすることになる宝石用原石１２０の入力表面との間の距離は、合焦レーザビームの最良焦点の面が宝石用原石１２０の容積内の所望の深さで得られるまで調節される。宝石用原石１２０は、好ましくは宝石用原石の大きさ及び形状に適合されたホルダ１２２を含む加工物装着組立体５４内に固定され、ホルダ１２２は、３つの電動直線並進ステージ１２４Ａ、１２４Ｂ、及び１２４Ｃのスタック上に装着される。並進ステージのうちの２つは、宝石用原石をＸ及びＹ横軸方向に沿って変位させ、第３の並進ステージは、合焦対物レンズ１１８と宝石用原石１２０の入力表面との間の距離を正確に調節するために、光軸に平行なＺ方向に沿って宝石用原石を移動させる。並進ステージ１２４Ａ、１２４Ｂ、及び１２４Ｃは、図３に描くように、モータ駆動装置５８を介してレーザマーキングステーションの制御及び処理ユニット４４により制御される。

図４は、横方向に展開される書き込みレーザビーム７８の一部がビームスプリッタプレート１０４により書き込みビーム診断ユニット５０に向かって反射されることを示している。好ましい実施形態では、このユニットは、３つの光チャネルを含み、その各々を用いて、書き込みレーザビーム７８の特定の特性を監視する。第１のチャネルは、カメラセンサの平面における横方向ビーム強度分布のイメージを取り込むＣＣＤカメラ１１０を含み、第２のチャネルは、レーザパルスカウンタ１１２を含む。最後に、第３の光チャネルは、光強度測定器１１４の読取値を変換することにより時間平均エネルギー／パルスを測定し、ビーム通路に沿って配置された種々のビームスプリッタプレートの反射率及び透過率を明らかにする。ビームスプリッタプレート１０６及び１０８は、書き込みレーザビーム７８の一部を書き込みビーム診断ユニット５０の種々の光チャネルに向けて配向するよう機能する。

また、図４は、ユニット５６を監視する工程の好ましい実施形態を示す。このユニットにより記録される光路は、図４の点線のセグメントで示される。ＣＣＤカメラ１２８及び高速光検出器１３２のような光学機器を用いることにより、このユニットは、宝石用原石１２０のバルクに現在マーキングされている特定の領域から発生するイメージ及び光信号を分析するよう機能する。例えば、この領域のリアルタイムイメージは、ＣＣＤカメラ１２８で取り込むことができる。この構成では、合焦対物レンズ１１８は、関心のある領域の拡大イメージをカメラ１２８のＣＣＤセンサの平面に中継するカメラ対物レンズの一体化部分である。適切なコントラストを示すイメージは、マーキングが進行するときに光照明装置１３４で宝石用原石１２０を適切に照明することにより得ることができる。同様に、高速光検出器１３２を用いて、ダイアモンド材料が書き込みレーザビームの強烈な超高速パルスと材料の相互作用により引き起こされた局所的構造的変化を受けたときに発生する光（プラズマ放射）の急速パルスを記録することができる。高速光検出器１３２に向かって配向された光ビームの通路に交差して挿入された帯域通過光学フィルタ１３０により、内部構造的変化が始まると放射される光のスペクトル選択性の検出が可能になる。ビームスプリッタプレート１２６は、光の一部を工程監視ユニット５６の図示の実施形態において実装された２つの光チャネルに向かって配向する。

上述のレーザマーキング装置の設計には、本発明の精神から逸脱することなく多数の変形形態を想起することができる。例えば、周波数変換ユニット４８は、宝石用原石のバルクにおけるマーキングに対しては任意的であり、場合によっては、短波長の書き込みレーザビームがドット形マークの成長を更に制御する。同様に、ビーム浄化及び調整ユニット４６により行われる空間的フィルタリングは、フェムト秒レーザシステム４２の出力時のレーザビーム７０が十分な空間品質を有する場合には必要ではない。図４に示す光学装置は、平面鏡９２及び９６は書き込みレーザビームの位置合わせに有用であるが、このような鏡を用いなくてよいように修正することができる。最後に、図４に示す光学装置に存在する幾つかのレンズには、合焦対物レンズ１１８を含めて、曲面鏡と置き換えてもよい。

光学読取装置の好ましい実施形態の説明
図５は、図２のブロック図に示すように、完全な宝石用原石認証システムの一部を形成する光学読取装置ユニット２８の好ましい実施形態の側面図を示す。この光学読取装置２８のデザインは、宝石用原石１２０の容積内に刻み込まれた証印がＣＣＤカメラ１６６のアレイセンサ上に撮像される凝視型撮像装置構成の回りを回転する。その結果、宝石用原石１２０の表面上はプローブレーザビームでラスタスキャンされない。マイクロプロセッサ１８６は、ＣＣＤカメラ１６６からイメージデータ信号を受け取り、次いで、イメージデータファイルを処理した後、これらを通信データリンク２４を介して認証システムの中央処理ユニット２０に転送する。宝石用原石１２０の容積内に刻み込まれた証印は、基本的に延長管体１６４に嵌合された顕微鏡対物レンズ１６２で構成される光学システムにより、ＣＣＤカメラ１６６のアレイセンサ上で適切な横倍率で撮像される。顕微鏡対物レンズ１６２は、１６０ｍｍ管長で用いられるように設計された標準品対物レンズであるのが好ましい。次いで、これに応じて延長管体１６４の正確な長さを選択する。好都合な全体の大きさを有する証印の拡大イメージは、１０×〜２０×の範囲の倍率を提供する顕微鏡対物レンズ１６２を選択することにより殆どのＣＣＤアレイセンサの大きさに良好に適合することが見出された。この倍率の範囲は、満足できる横方向分解能並びに好都合な作業距離をもたらす。

適切なコントラストを有するイメージは、宝石用原石１２０内に刻み込まれたマークの明視野照明を与える反射光照明方式を用いることにより、ＣＣＤカメラ１６６から取得することができる。反射光照明とは、基本的に照明光が上部入力表面（ここでは宝石用原石のテーブル）から試料（ここでは宝石用原石１２０）に入射することを意味する。実際、反射光証明方式は、試料の底部から入射する照明光が除外される台に装着された宝石用原石でも光学読取装置２８が動作できるようにすることが必要とされた。また、宝石用原石の独特な形状によって底部から原石を照明するのが妨げられる。光学読取装置２８のこの好ましい実施形態に対して考案された反射光照明方式の１つの態様は、宝石用原石１２０のテーブルの中に入ったときに照明光ビームが環状形であることである。この光ビームは、図５の矢印１８２で表される。テーブルの平面の照明環の直径は、証印が光学読取装置の視野の中央領域にあるときに、該証印のあらゆる直接照明を回避するのに十分な幅になるように選択される。次いで、照明光が宝石用原石１２０に入ると、下向きに伝播した後、宝石用原石１２０の下側部分に位置する、切断されて研磨されたファセットにより種々の方向に沿って上向きに内部反射される。その結果、証印を形成するドット形マークは、底部から照らされ、従って典型的には、明るい背景の上の暗い黒色スポットとしてイメージ内に現れる。内径が顕微鏡対物レンズ１６２に嵌合するリング形照明器ヘッド１８０が、環状横断形の照明光ビーム１８２を照射する。リング照明器ヘッドは、ビデオ撮像及びマシンビジョン用途の機器の殆どの販売会社から種々の大きさで入手可能である。

図５に示される好ましい実施形態では、広帯域光ファイバ照明器１７６が照明光を提供し、照明器出力アパーチャに組み合わせた可撓性のファイバ光ガイド１７８が照明光をリング形照明器ヘッド１８０に伝送する。照明器１７６、ファイバ光ガイド１７８、及びリング形照明器ヘッド１８０は共に完全な光照明ユニット１７４を形成する。図５に示す反射光照明方式を利用すると、照明光ビーム１８２の一部が刻み込まれた証印のすぐ上にある宝石用原石入力表面の領域に到達するのを防ぐ手段を用いることにより、イメージのコントラストを更に向上させることができる。この目的で、円錐形光遮蔽体１８４を顕微鏡対物レンズ１６２の下部端部に組み合わせ、宝石用原石入力表面の中心部分に到達することになるはずのあらゆる照明光１８２を遮断する。円錐形光遮蔽体１８４の底部端部のアパーチャは、顕微鏡対物レンズ１６２が公称開口数で動作できるように十分幅広く設定される。

光学読取装置２８により検査することになる宝石用原石１２０は、ホルダ１６８内に固定され、このホルダは、支持ベース１７０上に配置される。ホルダ１６８は、証印が、テーブルの中央領域に刻み込まれたときに光学読取装置２８の視野のほぼ中心に見えるように、宝石用原石１２０を正確に位置決め可能なように設計することができる。宝石用原石をホルダ１６８の中心に位置付ける別個の機器（図示せず）は、例えば、目盛り付きレチクル、２つの手動高精度並進ステージ、及びベースプレートを含む低倍率拡大レンズを用いて構築することができる。宝石用原石が正確に拡大レンズのレチクルの中心に位置付けられると、拡大レンズが除去され、次いで、残りの組立体を３つの別個の基準停止部１７２に当接するまで支持ベース１７０上を滑動させるが、図５にはその１つだけを示している。次に、ホルダは、クイックリリースクランプ１８８で所定位置に堅固に保持することができる。最後に、宝石用原石１２０をホルダ１６８に据え付けるための手順の一部として、宝石用原石のテーブルの平面は、ホルダ組立体の基準水平面と同時に作られる。この段階は、宝石用原石の垂直位置が、刻み込まれた証印のイメージの焦点を容易に合わせるように正確に調節されるのを確保する段階である。

図５に描いた特定のホルダのようなホルダ１６８内に、ばらばらの非装着の宝石用原石だけを固定することができる。しかしながら、指輪、イアリング、ペンダント及びブレスレットに装着された宝石用原石のような、セットされた宝石用原石に刻み込んだ証印の読み取りが可能となるように、ホルダの幾つかの部分を変更することは当業者には容易に実行することができる。その結果、光学読取装置２８は、通常、種々の台に装着された宝石用原石を収容するホルダ１６８のセットと共に動作される。

光学読取装置２８の組立体は、種々の様式で収容することができる。例えば、マイクロプロセッサ１８６及び関連する電子部品を含む図５に示す構成部品の全ては、単一の保護ハウジング又はキャビネット内に封入することができる。キャビネットは、宝石小売店の受付けのような環境に好適な見栄えのよい外観であるのが好ましい。キャビネットの前方側壁に作られたドア開口部により、オペレータは、宝石用原石ホルダ１６８を組立体に挿入し、宝石用原石１２０を光学読取装置の光軸と正確に位置合わせして設定することができる。キャビネットの前方側壁は、液晶ディスプレイ及び制御パネルから構成されるユーザインタフェースを含む。また、光学読取装置２８の組立体は、制御及びインタフェースユニットに接続された遠隔手持ち型プローブヘッドの形式にまとめることもできる。この手持ち型装置は、顕微鏡対物レンズ１６２、延長管体１６４、ＣＣＤカメラ１６６及び完全な光照明装置１７４を含み、これらの構成要素の全ては、小さなサイズ形態で利用可能であり、手で持つことができる好都合な装置にまとめることができる。例えば、光照明装置１７４は、光が固体状態の固体発光ダイオードのアレイにより生成される小型リング形照明器で実装することができる。同様に、特注の顕微鏡対物レンズ１６２は、上述の標準１６０ｍｍ距離よりも近接した平面内の物体を撮像するように設計することができる。手持ち型構成は、宝石用原石１２０が単にプローブヘッドの前端部と接触されるので、宝石用原石ホルダ１６８及び関連部品１７０、１７２、及び１８８を用いることが不要になるという利点をもたらす。この目的で、前端部は、宝石用原石のテーブルが密接に接触して設定される硬質の透明材料から構成された平坦プレートを含む。平坦プレートは、顕微鏡対物レンズの前端部から正確な作業距離に宝石用原石のテーブルを配置するのに役立つ。平坦プレート上に刻み込まれた位置合わせマークにより、読取装置の光軸に対して宝石用原石の中心位置合わせが容易になる。この実施形態では、プローブヘッドを片手で把持しながら、ばらばらの宝石用原石にピンセットを用いるか又はその台を介して装着された宝石用原石を保持するかによって、宝石用原石１２０をもう一方の手で保持する。

宝石用原石のバルクへのマークの刻印
図６は、宝石用原石１２０の側面図を示しており、同じ参照番号１４８を有する２つの別個のドット形マークがそのバルク内に刻み込まれている。詳細には、図６は、丸いプリリアントカットのダイアモンドを示す。このダイアモンド宝石用原石のテーブルは、上側水平平坦面１４０であり、これにマーキング中に書き込みレーザビームが入射する。丸いブリリアントカットを有する宝石用原石はまた、クラウン１４２及びパビリオン１４６を含み、両部分は、図には示していないが幾つかのファセットから構成される。ガードル１４４は、クラウン１４２とパビリオン１４６との間に位置する周辺バンドである。

本発明の方法の重要な態様は、ダイアモンドのような宝石用原石の容積内に制御された大きさを有するドット形マークをマーキングすることである。容積内にマーキングすると、宝石用原石の入射表面（すなわちテーブル）並びに書き込みレーザビームの内部軌道に沿った位置にある宝石用原石材料の容積の一部分は、マーキング工程によって決して変化しないことは理解される。結果として、永久的なマークを形成することになるレーザ誘起の構造的変化は、図６に示すように宝石用原石のテーブル１４０下の深さｄに位置する薄片内でのみ始まる必要がある。仮想上の薄片の厚さは、テーブル１４０下の公称深さｄのマーキングの工程の全体的な正確さにより決定付けられる。簡単にするために、光学読取装置２８により取り込まれるイメージにおいて鮮鋭に合焦したマークの全体のセットを得るのに役立つので、マーク１４８の全てが同じ深さにあることが一般に望ましい。マーク１４８は、認証データをコード化するために選択したシンボル（コード化方式）、並びに宝石用原石に起因する特定の識別コードに依存するパターンに従って薄片内に分布される。例えば、図７は、丸いブリリアントカット宝石用原石の平面図であり、証印を形成する３つの別個のマーク１４８を示す。短破線で描かれた矩形１５０は、本発明の好ましい実施形態に従って設計された光学読取装置２８の対物面における視野の外側輪郭の境界を定める。図５に示すこの実施形態は、テーブル１４０の中央領域に証印をマーキングすることを必要とする。

本方法の別の実施形態では、マークは、本発明の精神から逸脱することなく宝石用原石１２０のテーブル下の異なる深さに刻印することができ、従って、３次元（３Ｄ）証印の刻印が得られる。２Ｄ対応物と比べると、３Ｄ証印は、その視野の深さが構成マークの刻み込まれた深さの範囲よりも短い光学機器を通して見たときに、当該構成マークは同時に合焦することはできないので、秘匿性が高いという利点がある。しかしながら、３Ｄ証印の検出がより困難であることは、図５に概略的に示すような光学読取装置２８の設計を改善し、宝石用原石の容積内への種々の深さに位置する平面の撮像を可能にする必要があることを意味する。このような改善は、例えば、ホルダ１６８の制御された垂直並進を介して実施することができる。イメージは、宝石用原石１２０の垂直方向の移動中にＣＣＤカメラ１６６により順に記録されることになる。その結果、証印全体は、各個々のマークが鮮鋭に合焦したイメージのサブセットをその相対位置を変化させずに組み合わせることにより再構築することができる。次いで、結果として得られる複合イメージは、ＣＰＵ２０に転送され、続いて証印をデコードすることができる。光学読取装置２８のこの別の実施形態は、マークを宝石用原石１２０内の極めて正確な深さで刻印する必要がないという利点をもたらす。

マーク１４８は、実際には宝石用原石１２０のテーブルを肉眼で又は１０×光学機器で見たときにマークの検出不能を維持する必要があるので、図６及び図７ではマーク１４８の相対的大きさは極めて誇張されている。マークは、何らかの事前の手がかりがなければ、宝石学で現在用いられている双眼顕微鏡を通して見たときに検出するのが困難であることが更に強く望まれている。刻み込まれたマーク１４８の構成材料が本質的に不透明であると、上述の視覚的補助器を用いたときに秘匿が特に困難になる。マークを秘匿する鍵は、全体的な個々の大きさが約５μｍを超えず、好ましくは２μｍよりも小さいマークを表面下に刻印可能なレーザマーキングプロトコルを実施することである。

書き込みレーザビームの宝石用原石内への合焦の制御
直径が僅か数μｍのドット形マークのレーザ刻印の重要な態様は、書き込みレーザビームの宝石用原石１２０のバルク内への合焦制御に関連する。書き込みレーザビームの合焦は、図８に概略的に示される。矢印１５２は、合焦対物レンズ１１８の入射瞳に到達する前に光軸１５６に沿って伝播する書き込み（横方向に広がった）レーザビーム７８（図４参照）の光強度分布の全体的な外側輪郭を示す。同様に、矢印１５４は、対物レンズ１１８を宝石用原石１２０のテーブル１４０下の深さｄに位置する容積上に強く合焦させる書き込みレーザビームの対応する外側輪郭を示す。

対物レンズ１１８の開口数は、この光学構成要素から出るビームの角拡散の尺度であり、宝石用原石１２０の容積に望ましいビーム特性を得るように注意深く選択する必要がある。一方では、最良焦点の平面でのレーザビーム強度プロファイルの直径ＷＦは、対物レンズの開口数が増大すると小さくなる。この傾向は、合焦レーザビーム１５４が、対物レンズ１１８の種々の光学的要素を通って伝播する間に生じる球面収差によりあまり大幅には歪まない状況に当てはまる。また、対物レンズの開口数が増大すると、テーブル１４０の表面に対するレーザ誘起の光損傷を負わせるリスクを最小にするのに役立つ。これは、最良焦点の平面でのビーム強度分布の対応する直径Ｗｐよりも実質的に大きくすることができる、テーブル１４０の平面でのビーム強度分布の直径ＷＳによってもたらされる。その結果、テーブル１４０の平面での光学フルエンス（エネルギー／単位表面）は、ドット形のマーク１４８の発生をトリガするのに必要なフルエンスを遥かに下回ることができる。

他方、開口数がより高い対物レンズ１１８を用いると、図８に示すように作業距離Ｓが短くなる（場合によっては不利）と共に、合焦レーザビームは、テーブル１４０の研磨表面上に存在する残存するあらゆる光学的粗度により実質的に劣化する可能性がある。加えて、書き込みレーザビームが対物レンズ１１８を通過することにより誘起される球面収差の作用は、最良焦点平面でビームの最小横方向大きさＷＰを推定する際には考慮する必要がある。合焦構成の実際的な設計は、焦点距離が５〜１０ｍｍの範囲であり、且つ開口数が０．３５から０．５５の間にわたる対物レンズ１１８を中心にして展開される。書き込みレーザビームは極めて強く合焦するので、合焦対物レンズ１１８の正確な光学的設計を適切に考慮する光線軌跡計算を実施して、テーブル１４０下の望ましい深さｄにある最良焦点平面並びにこの平面に望ましいビームスポット大きさＷＰを得る必要がある。深さｄは、好ましくは約２００μｍ〜７００μｍに設定される。マークをテーブル１４０の表面下により深く刻印すると、マークの秘匿が良好になる。一方、書き込みレーザビームの宝石用原石材料内への伝播通路が長くなると、材料内に存在する天然含有物及び他のタイプの不均質性によってビームの外乱が生じる可能性が高くなる。

コード化方式の好ましい実施形態の説明
上の段落では、当技術分野で一般的に見られる視覚的補助を用いる際に各個々のマークをほぼ感知不能にする目的で、宝石用原石の容積内でほぼ１μｍであるのが好ましい全体的な大きさを有するドット形マークを刻み込む方法の幾つかの態様を詳細に説明した。残念なことには、証印は、限られた寸法の区域に広がる過剰な数の不透明ドット形マークから構成される場合には容易に見ることができる点はすぐに理解される。従って、本発明の別の主な態様は、僅か数個の個々のマークから形成される証印において機械読取り可能な識別情報をコード化する方法を提供することである。

図９は、本発明の好ましいコード化方式に従って設計された証印１９８の概略図である。証印１９８は、５つのマークを含み、これは、コード化方式でのその特定の役割により２つのグループに分けることができる。すなわち、参照番号２００Ａ、２００Ｂ及び２００Ｃで表記された第１のグループのマークは、本発明の光学読取装置２８により提供されるイメージを処理するコンピュータソフトウェアによって、証印１９８を忠実に認識可能にすることを目的とした幾何学的図形のコーナを形成する。図９に示す特定の幾何学的図形は三角形であり、その辺は破線で描かれている。本発明の好ましいコード化方式の精神から逸脱することなく第１のグループに付加的なマークを含むことにより、他の幾何学的図形を想起することもできる。第２のグループは、参照番号２０２Ａ及び２０２Ｂで表記された２つのマークを含み、これらのマークは、単に識別データをコード化する役割を果たす。第２のグループにも付加的なマークを含むことができる。好ましいコード化方式では、宝石用原石を明確に識別する数字データは、ドット２０２Ａ及び２０２Ｂの位置からコード化され、これらの位置はそれぞれ、空間座標のペア（Ｘ１、Ｙ１）及び（Ｘ２、Ｙ２）で表される。また、破線で示される三角形の特定の属性の幾つかは、コード化方式で可能になる異なる組み合わせの数を増大させるために識別データをコード化する働きをする。図９に示す実施例では、２つの内角α及びβの値は、上に与えられた空間座標のペアに加えて、宝石用原石に属する完全な識別コードを形成する。すなわち、証印１９８から得られる完全な数字の識別コードは、６つの要素から形成されるデータストリーム（Ｘ１、Ｙ１、Ｘ２、Ｙ２、α、β）で表すことができる。データストリームは、付加的なコード化マークに付随する空間座標を含むことにより、別個の識別コードの数を増大させるために長くすることができる。

一見したところ、コード化マーク２０２Ａ及び２０２Ｂが存在すると、図に示す５つのマークから多数の異なる三角形を描くことができるので、証印１９８に信頼性のある機械認識を行うことが妨げられることになる。認識ソフトウェアは、本明細書では図９に示す長さＬの辺２０８により与えられる、最も長い辺を有する三角形を保持するように指示することによって、この可能性のある問題を免れることができる。これは、好ましいコード化方式から正三角形が除外されることを意味する。正三角形を除外すると、光学読取装置２８で得られるイメージ内の証印１９８を回転させても変わらない認識方式が得られる。三角形の最大辺２０８の左端部を形成するマーク２００Ｃは、コード化マーク２０２Ａ及び２０２Ｂの位置が基準にされるデカルトＸ−Ｙ基準座標系の基点を定めるので、証印１９８が回転不変の認識であることは重要である。証印１９８に付随するＸ−Ｙ基準座標系は、図９においてＸ軸２０４及びＹ軸２０６で示される。また、ドット２００Ｃの位置に対するドット２０２Ａ及び２０２Ｂの空間座標を参照することにより、デコード工程が証印を並進させたときに不変であることが確保される。この有利な特性は、証印１９８が宝石用原石のテーブル表面内の特定の位置に位置する必要がないことを意味する。更に、証印は、光学読取装置２８から出力されるイメージの正確な中心に位置する必要もない。

証印１９８内に暗号化された識別コードのデコードは、コード化マーク２０２Ａ及び２０２Ｂの空間座標を三角形の最長辺２０８の長さＬに対して表すことにより拡縮した場合でも不変にされる。その結果、個々の空間座標Ｘ１、Ｙ１、Ｘ２、及びＹ２は、０〜１の区間に本質的に限定される値により与えられる。イメージの拡縮時に不変である認識工程を実施すると、全て同じ倍率を必ずしも提供しない顕微鏡対物レンズ１６２を備えた種々の光学読取装置２８でこれらのイメージを取ることができる場合に極めて有用であることが明らかになる。更に、辺２０８の正確な物理的長さＬは、証印の認識及びその後のデコードに影響を及ぼさない。実際に、三角形の最長辺２０８の長さは、証印が視野の輪郭に対して回転される様態に関係なく、証印１９８全体が光学読取装置２８の対物面の視野内で常に完全に囲まれることができるように選択される。しかしながら、場合によっては、証印の外側輪郭によって境界が定められる区域全体が、光学読取装置２８により取り込まれたイメージにおいて検出することができる自然発生的なあらゆる封入物を含まないことが極めて好ましいので、証印の全体寸法は比較的小さく維持する必要がある。証印を封入物が無いように維持することは、これらの封入物が、刻み込まれたマークと著しい類似点を有する可能性がある場合に特に重要であり、このようにして、認識ソフトウェアが証印の認識を開始する前にイメージからこれらのマークがフィルタ除去されないようにする。

光学読取装置２８の別の実施形態では、顕微鏡対物レンズ１６２の倍率は、証印１９８を認識する役目を果たす三角形の最長辺２０８の実際の長さＬの測定を可能にするように正確に較正することができる。次に、は、証印１９８に暗号化された識別コードの数値表現を構成するデータストリーム（Ｘｌ、Ｙｌ、Ｘ２、Ｙ２、α、β）の７番目の要素として含むことができる。測定値Ｌを識別コードの一部として加えると、コード化方式により可能とされる別個の組み合わせの数が有意に増えることになる。

好ましいコード化方式では、マーク２０２Ａ及び２０２Ｂは、証印１９８を境界付ける三角形の内部に常に位置するので、これらの空間座標に許容可能な値の範囲は、０〜１の範囲の最大区間の限定部分だけを対象とする。図９に示す実施例の各個々の座標Ｘ１、Ｙ１、Ｘ２、又はＹ２のばらつきの区間は、実際には角度α及びβのペアの事前選択によって決まり、これにより三角形の特定の形状が決定付けられる。加えて、あらゆる所与の座標において単一の座標の値のみが異なる識別コード間の混同を回避するために、離散的な値だけが許容されることになる。実際には、空間座標に許容される２つの連続する値の間の増分ステップは、光学読取り方式の全体分解能により決定付けられる。この分解能は、各刻印マークの固有の大きさ、光学読取装置２８の顕微鏡対物レンズ１６２の横方向分解能（又は解像力）、ＣＣＤカメラ１６６のアレイセンサの感応性光電池の寸法、及び鮮鋭な焦点でマークのイメージを得る能力などの因子によって決まる。例えば、直径１μｍのマークの許容空間座標に対して約４μｍの増分ステップを指定して、光学読取装置により提供されるイメージにおいて当該増分ステップだけ分離された隣接する２つのマークが常にはっきりと区別されるのを間違いなく確実にすることができる。これは、証印１９８の境界を定める三角形が例えばＬ＝３００μｍの最長辺を有する場合、コード化マークのＸ座標は最大で７５の異なる値をとることができることを意味する。上の実施例では、各座標に対して許容される値の数は、三角形の他の２辺が座標の変動できる区間の上限を定めるので、実際には実質的に７５より小さくなる。これは、図９のコード化マーク２０２Ａ及び２０２Ｂの垂直位置に対する座標Ｙ１及びＹ２について特に明白である。

内部欠陥及び不純物が存在することで恩恵を受けることによる宝石用原石のレーザマーキングの手順
宝石用原石の容積内に証印をレーザ刻印する作業の好ましいシーケンスが、図１０Ａ及び１０Ｂに提示されたフローチャート図に示されている。このシーケンスは、図２に示される宝石用原石認証システムのＣＰＵ２０と遠隔レーザマーキングステーション２６との間の通信を介して行われる。第１の段階２２０では、ＣＰＵ２０は、認証システムで実施されるコード化方式で指定された要件及び規則に従って、識別コード（図１０Ａ及び１０Ｂで表記されたＩＤコード）を生成する。次に段階２３０で、ＣＰＵ２０は、データベース２２にアクセスし、新規に生成されたＩＤコードが以前にマーキングされた宝石用原石に既に帰属しているかどうかをチェックする。段階２４０で、ＩＤコードが、既に確保されたものであることが分かった場合には直ちに修正され２５０、有効なＩＤコードが最終的に得られるまで更にチェック２３０を行う。次いで段階２６０で、選択されたＩＤコードから、図９に示すもののような好ましいシンボルに従って対応する証印のパターンが生成される。証印のパターンの増大は、基本的には、証印の一部を形成することになる種々のマークの各々の相対的な空間位置を確立して、ＩＤコードがそのパターンで忠実に暗号化されるようにすることにある。次に、証印のパターンが機械命令のシーケンスに変換されてレーザマーキングステーション２６に送信され、段階２７０でマーキング工程を可能にする。マークは順番に刻み込まれ、宝石用原石は、各個々のマークの刻印が続いているときには固定維持される。何らかの所与のマークに対するマーキング作業がうまく完了した後、加工物装着組立体５４（図４参照）の電動並進ステージ１２４Ａ、１２４Ｂ及び１２４Ｃは、次のマーキング位置が書き込みレーザビームの光軸に正確に一致するまで宝石用原石１２０を移動させる。

本発明の新規の態様は、不透明のマークを生じるダイアモンド材料のレーザ誘起による構造的変化が、材料の容積内に存在する欠陥又は不純物により開始され、ここでは、書き込みレーザビームの横方向の大きさが小さくなり、又は同等にはその最大光学フルエンスになることである。天然ダイアモンドは通常、様々な不可視の構造的欠陥及び不純物を含み、その殆どは、窒素、水素及びホウ素のような不純物原子であって、このうち最も一般的なものは窒素である。内部欠陥からドット形構造のマーキングを開始することにより、マーキング工程は、他の完全なダイアモンド材料において構造的変化を生じさせるのに必要な閾値エネルギーよりも遥かに低いエネルギーを有するフェムト秒レーザパルスで開始することが可能になる。結果として、書き込みレーザビームは、レーザパルスを後で光学的に増幅させる必要もなく、Ｔｉ：サファイアレーザ発振器から放出することができる。加えて、宝石用原石のテーブルに対して光学的損傷を負わせる危険性は、テーブルと一致する平面に「安全な」光学フルエンスレベルを有するレーザパルスを用いることによって劇的に減少する。

しかしながら、自然発生的な欠陥及び不純物から不透明なマークの増大を開始することの主な欠点は、これらの欠陥の不規則な空間分布並びにこれらの集中が同じ宝石用原石内の部位毎により大きく変動することに起因する。更に、内部フローレスとしてグレードされたものなどの極めて高品質の宝石用原石は、これらの容積内に実質的にどのような「有用な」欠陥も存在しない領域を有することが多く、従って、高いエネルギーレベル及び／又は多数のレーザパルスが必要となる。実際、レーザマーキングのプロトコルは、マークの成長が開始されるまで、エネルギー／パルスを漸次的に増大させる段階を含むことになる。最大許容可能エネルギーは、マーキングステーションで実施された特定のレーザシステムにより求められ、このエネルギーは、完全な宝石用原石材料のバルクに構造的変化を誘起する閾値エネルギーを超えることができる。その結果、レーザマーキングプロトコルは、どのような欠陥又は不純物のない部位にマークを刻印する可能性を含むことになる。しかしながら、図１Ａ及び１Ｃに示すように、宝石用原石の内部の書き込みレーザビームの通路に沿ったあらゆる場所に位置する望ましくないマークの成長が開始する可能性は、高エネルギーレベルを用いると高くなる。また、自己合焦のような非線形光学作用は、特に低開口数の合焦対物レンズを用いるときに、信頼性があり安全な方法でダイアモンドのような宝石用原石に刻印することができるようにする最大エネルギー／パルスを限定することができる。

本発明の方法は、各個々のマークの成長をリアルタイム監視することにより、マーキングされることになる宝石用原石の内部欠陥及び不純物の不規則分布を排除する。恐らくは合焦書き込みレーザビームの周りの容積内に欠陥が存在しないことに起因して、段階２８０で何らかの所与のマークを刻印するのに失敗した場合には、図１０Ａの段階２９０に示されるように、ＣＰＵ２０は失敗事象を通知され、新しく刻み込むマーク位置が決定される。段階３００では、マークの新しく決定された位置に従って修正されたＩＤコードが計算され、次いで、その妥当性が段階２３０〜段階２４０を通して確認される。次に、新しい位置でのレーザマーキング２７０が開始される。手順は、マークを上手く刻印することができるまで繰り返され、全体の方法は、証印を形成するマークのセット全体に適用される。その結果、成功したマーキング作業の終了時３１０に得られるＩＤコード及びその関連証印は、特に、極めて透明度が高い宝石用原石に刻み込むときにマーキング作業の最初に生成されたものとは大きく異なる可能性がある。

図１１は、例示的なレーザマーキングプロトコルに従って、天然ダイアモンド宝石用原石のテーブル下の深さ約３００μｍに制御された様式で刻印されたドット形マークの５×５正方アレイの光学顕微鏡写真を示す。選択したプロトコルは、レーザシステムの出力で測定すると波長７７５ｎｍでパルス幅約１５０ｆｓの第１のペアのレーザパルスを宝石用原石上に照射することにある。両方のレーザパルスは、１ｍｓの時間間隔で互いに分離した。レーザパルスは、入射瞳で約８ｍｍ直径の横方向ビーム強度分布に対して開口数が０．５の単一非球面レンズで作られた対物レンズで合焦した。合焦対物レンズの入射瞳で測定した書き込みレーザビームのエネルギー／パルスは、僅かに１μＪ未満であった。上記で与えられたものと同一の特性を備えた連続したペアのレーザパルスは、各マークの最終直径が約３〜５μｍの範囲になるまでその部位に配向した。マーキング工程が進むと、各部位は、ＣＣＤカメラ上に撮像され、マークの漸次的な成長を監視した。適切な直径のマークは、失敗することなくこの特定のダイアモンドサンプルの２５の区別可能な部位の各々に刻印することができた。適切な直径を有するマークを刻印するのに必要なパルスペアの数は、部位毎に異なっていたが、特定のエネルギー／パルスに対しては決して５を超えなかった。マークが刻印された深さは、部位毎にある程度のばらつきを示したので、同じ顕微鏡写真においてマークの全てのイメージに鮮鋭に合焦させることは不可能であった。図１１に示す隣り合うマーク間の間隔は約５０μｍである。ドット形マークのアレイは、約２５０μｍ×２５０μｍの領域を対象とし、これは、本発明の方法に従って刻み込まれた証印の典型的な全体の大きさに一致する。

図１０Ｂに戻ると、段階３２０では、レーザマーキングステーション２６の設備の一部を形成する光学読取装置２８は、宝石用原石に新規に刻み込まれた証印の機械読取り可能なイメージを提供する。ＣＰＵ２０は、段階３３０で証印のイメージからＩＤコードを取り出し、次いで、このＩＤコードは、マーキング作業の終りにその時点で有効なＩＤコードと比較される３４０。理論的には、両方のＩＤコードは一致するはずであるが、レーザマーキングステーション２６のハードウェアに不具合又は動作不良が発生する可能性があることにより、望ましいＩＤコードと宝石用原石１２０に実際に刻み込まれた証印に対応するＩＤコードとの間に差異が生じる可能性がある。ＣＰＵ２０は、この事象が起こった場合には、段階３５０でレーザマーキングステーションのオペレータに警報を出す。次いで、新規に刻み込んだ宝石用原石は、段階３３０で取り出されたＩＤコード並びに幾つかの他の識別データをデータベース２２に記録することにより認証システムに登録される３６０。データベースに記録されたデータパッケージは、光学読取装置２８により取り込まれ、宝石用原石のＩＤコードを読み出すためにＣＰＵ２０により処理された特定のイメージを含むことができる。最後に、認証の証明書が段階３７０で印刷され、一連の作業が完了する。

種々の態様における本発明の好ましい実施形態を上記で説明してきたが、このような説明は、本発明の目的とする範囲の説明ではなく、本発明の実施形態の例証とし捉えるべきであり、本発明の範囲は、全体としてこの開示事項を参照することにより更に完全に理解されるであろう。

種々のダイアモンドサンプルのバルクに刻み込まれたマークを示す光学顕微鏡写真である。 種々のダイアモンドサンプルのバルクに刻み込まれたマークを示す光学顕微鏡写真である。 種々のダイアモンドサンプルのバルクに刻み込まれたマークを示す光学顕微鏡写真である。 宝石用原石のマーキング及び認証のための完全なシステムの簡略ブロック図である。 本発明の好ましい実施形態によるレーザマーキングシステムの主ユニット及び組立体を示すブロック図である。 本発明の好ましい実施形態によるレーザマーキングシステムの種々の光学構成要素及び構成ユニットの概略図である。 本発明の好ましい実施形態による宝石用原石の容積内に刻み込まれた証印のイメージを与える光学読取装置の側面図である。 ２つの別個のマークがテーブルの表面下に刻印されたダイアモンド宝石用原石の側面図である。 丸いブリリアントカットを有し、テーブルの表面下でテーブルの中心近傍に３つの別個のマークが刻印されたダイアモンド宝石用原石の平面図である。 宝石用原石の容積内への書き込みレーザビームの合焦を示す概略図である。 本発明の好ましい実施形態による５つのドット形マークのセットから構成された証印の概略図である。 本発明の方法による宝石用原石の容積内に証印を刻印するための宝石用原石認証システムにより行われる作業のシーケンスのフローチャートを示す。 本発明の方法による宝石用原石の容積内に証印を刻印するための宝石用原石認証システムにより行われる作業のシーケンスのフローチャートを示す。 天然ダイアモンドサンプルの容積内に刻み込まれた２５のドット形マークのアレイを示す光学顕微鏡写真である。

Claims (43)

1. 宝石用原石試料の表面下に合焦される一連の超短レーザパルスを用いた前記試料のバルクにおける証印生成を適応制御するための方法であって、前記証印が、前記試料の表面に影響を及ぼすことなく前記試料を識別し、且つ１０×倍率で不可視であり、前記方法が、
   生成されることになる前記証印の特性を予め設定する段階と、
   波長、パルス幅、パルス数、繰り返し率、エネルギー／パルス、合焦光学系の開口数、及びターゲット座標を含むグループから選択されるパラメータを用いて、前記一連のレーザパルスのための予め設定されたマーキングプロトコルを実行する段階と、
   前記プロトコルが実行されているときに前記証印の生成を監視する段階と、
   前記証印が前記特性を表していることを前記監視段階が明らかにしたときには、前記プロトコルのそれ以上の実行を中断する段階と、
   を含む、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記特性が、形状、大きさ、光学的性質及び試料の位置を含むグループから選択される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記特性が大きさを含み、該大きさが前記試料の商業的価値を減じない大きさである、
   ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記監視段階が、前記プロトコルが実行されているときに前記証印の生成を監視して、前記監視段階の結果に基づいて前記パラメータの少なくとも１つを変更する段階を含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 前記マーキングプロトコルが、前記パラメータの複数のセットを含み、該セットを順次実行する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 各連続的なセットが、前のセットに対してのエネルギー／パルスの変化を順々に含む、
   ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記監視段階が、前記特性の存在を評価するために撮像光学装置を用いて行われる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記試料の構造的変化を送信する光のパルスを検出するための高速光検出器と光学フィルタとを使用することを更に含む、
   ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記宝石用原石がダイアモンドである、
   ことを特徴とする請求項１、５、６、７又は８に記載の方法。
10. 宝石用原石試料の表面下に合焦される一連の超短レーザパルスを用いて前記試料のバルクにおける証印の付加を制御するための適応制御方法であって、前記証印が、前記試料の表面に影響を及ぼすことなく前記試料を識別し、且つ１０×倍率で不可視であり、前記方法が、
    処理ユニットの制御下で、前記試料と関連付けるための識別コードを生成する段階と、
    前記識別コードに対応する複数の証印の特徴パターンを決定する段階と、
    前記処理ユニットの制御下で、前記一連のレーザパルスを印加することにより該パルスのマーキングプロトコルを実行し、前記特徴パターンに従って前記証印の各々を順次に生成することを試みる段階と、
    前記特徴パターンに従って前記プロトコルを実行することにより前記証印の１つを生成するが全てが生成される訳ではない場合、前記処理ユニットが、正常に生成された前記証印のパターンと一致する新しい特徴パターンに対応する新しい識別コードの生成をもたらし、必要に応じて前記処理ユニットが、マーキングプロトコルを実行して追加の証印を生成し、前記新しい特徴パターンを完成させることを試みるように前記処理ユニットを制御する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
11. 前記複数の証印の各々を順々に生成するのを監視する段階を更に含む、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記証印の特徴パターン又は前記証印の新しい特徴パターンの生成が完了すると、前記識別コード又は前記新しい識別コードを場合によってはデータベースに記録する段階を更に含む、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 前記識別コードを生成する段階が、前記データベースから前記識別コードが利用可能であるか否かを確認し、利用可能でない場合に別の識別コードを生成して、前記データベースから前記別の識別コードが利用可能であるか否かを確認する段階を更に含む、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記宝石用原石試料がダイアモンドである、
    ことを特徴とする請求項１０、１１、１２、又は１３に記載の方法。
15. 前記レーザパルスが超短レーザパルスである、
    ことを特徴とする請求項１０、１１、１２、又は１３に記載の方法。
16. 宝石用原石認証システムであって、
    宝石用原石の表面下に合焦される一連の超短レーザパルスを用いて前記宝石用原石のバルクにおいて１０×倍率で不可視である証印のパターンを付加するためのマーキング装置と、
    前記証印のパターンの各々に識別コードを一意的に関連付けるデータベースと、
    前記証印のパターンを検出するために複数の遠隔位置と関連付けられた複数の読取装置と、
    前記マーキング装置、前記データベース、及び前記読取装置と通信するように構成された処理ユニットと、
    を含む、
    ことを特徴とするシステム。
17. 前記データベースが、前記宝石用原石の１つに関連するデータと前記識別コードを更に関連付ける、
    ことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
18. 前記処理ユニットが、前記証印のパターンの１つを前記宝石用原石の１つに付加するために前記マーキング装置に対する指示を伝達するように構成される、
    ことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
19. 前記処理ユニットが、前記遠隔位置と通信し、前記遠隔位置の１つから前記証印のパターンの１つを識別する情報を受け取り、前記データベースから前記データを取り出し、前記データを前記遠隔位置の１つに伝達するように構成される、
    ことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
20. 前記マーキング装置が更に、リアルタイムで前記証印の生成を評価するための撮像光学装置を含み、前記処理ユニットが、
    前記証印の生成の状態に従って前記マーキング装置の動作を制御し、
    リアルタイムでの前記証印の生成の評価に従って前記一連のレーザパルスにパラメータを適合させ、
    前記データベースに前記証印のパターンの正常な付加を伝達する、
    ように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
21. 前記処理ユニットは、前記証印の予め設定されたパターンが前記宝石用原石に正常に付加されない場合、証印の代替パターンを選択するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
22. 前記処理ユニットが、前記証印の代替パターンを選択する際に前記データベースに照会するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
23. 宝石用原石試料のバルクにおける証印の生成を制御するための適応制御方法であって、前記証印が、試料の表面に影響を及ぼすことなく前記試料を識別し且つ１０×倍率で不可視であり、前記方法が、
    超短レーザパルスマーキングシステムのためのマーキングプロトコルを確立する段階であって、前記プロトコルが、パラメータの予め設定された複数のセットを含み、各セットが、波長、パルス幅、パルス数、繰り返し率、エネルギー／パルス、合焦光学素子の開口数、及びターゲット座標を含むグループから選択されるパラメータを含む段階と、
    前記プロトコルにより決定されたパラメータの第１のセットを実行することにより証印を生成することを試みる段階と、
    前記パラメータの第１のセットを用いて証印が生成されたか否かを評価する段階と、
    証印が生成されなかった場合には、前記プロトコルにより予め設定されたパラメータの第２のセットに従って証印を生成することを試みる段階と、
    を含む、
    ことを特徴とする方法。
24. 前記宝石用原石試料がダイアモンドである、
    ことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
25. 宝石用原石のバルクに証印を付加する装置であって、前記証印が、前記宝石用原石を識別し且つ１０×倍率で不可視であり、前記装置が、
    宝石用原石の表面下の選択した深さにおいて１００フェムト秒未満のレーザパルスを合焦させるためのレーザシステムと、
    前記レーザシステムを動作するためのパラメータを含むマーキングプロトコルが入っている記憶手段であって、前記パラメータが予め設定されており、パルス幅、パルス数、繰り返し率、エネルギー／パルス及び開口数を含むグループから選択されるメモリ手段と、
    前記マーキングプロトコルに従って前記レーザシステムの動作を制御するためのＣＰＵと、
    前記各証印の生成を評価するための工程監視ユニットと、
    を備える、
    ことを特徴とする装置。
26. 前記ＣＰＵが、前記証印の生成に対する前記工程監視ユニットの評価に従って前記レーザシステムの動作を制御する、
    ことを特徴とする請求項２５に記載の装置。
27. 前記プロトコルが、順次実行するための前記パラメータの複数のセットを含み、パラメータの第１のセットが証印の生成をもたらすのに失敗した場合には、前記ＣＰＵが、前記パラメータの第２のセットを実行させるように機能することを特徴とする請求項２６に記載の装置。
28. 前記第２のセットが、前記第１のセットと異なるエネルギー／パルスを含む、
    ことを特徴とする請求項２７に記載の装置。
29. 前記工程監視ユニットが、撮像光学装置を含む、
    ことを特徴とする請求項２５又は２８に記載の装置。
30. 前記工程監視ユニットが、高速光検出器と組み合わせて光学フィルタを含む、
    ことを特徴とする請求項２５又は２８に記載の装置。
31. イメージ取り込み手段、パルスカウンタ及び光強度測定器を含むグループから選択される少なくとも１つの光チャネルを含む書き込みビーム診断サブシステムを更に備える、
    ことを特徴とする請求項２５又は２８に記載の装置。
32. 複数の宝石用原石の各々についてのデータを前記宝石用原石内に記録された証印のパターンと一意的に関連付けるためのデータベースを更に備え、前記ＣＰＵは、ターゲット座標が前記証印のパターンの１つによって決定されたときに前記マーキングプロトコルを実行させるようにする、
    ことを特徴とする請求項２５に記載の装置。
33. 複数の宝石用原石の各々についてのデータを前記宝石用原石内に記録された証印のパターンと一意的に関連付けるためのデータベースを更に備え、前記ＣＰＵは、ターゲット座標が前記証印のパターンの１つにより決定されたときに前記マーキングプロトコルを実行するように構成され、前記パターンの１つの証印が前記プロトコルの実行時に生成されない場合には、前記データベースと通信して証印の代替パターンを取り出すように構成されている、
    ことを特徴とする請求項２７に記載の装置。
34. 前記宝石用原石がダイアモンドである、
    ことを特徴とする請求項２５、２６、２７又は２８に記載の装置。
35. 前記ＣＰＵがパラメータを変えるように機能し、該パラメータに従って、前記動作は、前記証印の生成の工程監視ユニットの評価に従って制御される、
    ことを特徴とする請求項２６に記載の装置。
36. 宝石用原石のバルクに書き込まれた証印の微視的パターンを読み取るための装置であって、前記証印が前記宝石用原石を識別し、前記装置が、
    検査されることになる宝石用原石を保持するための支持体と、
    リング型照明器ヘッドと、
    拡大光学系と、
    前記パターン全体を前記光学系の視野内に入れる位置決め手段と、
    イメージ取り込み手段と、
    処理ユニットと、
    通信リンクと、
    読み出しディスプレイを含むユーザインタフェースと、
    を備えることを特徴とする装置。
37. 照明光が前記拡大光学系の視野の中心に当たるのを防ぐための光遮蔽体を更に備える、
    ことを特徴とする請求項３６に記載の装置。
38. 請求項１、１０又は２３に記載の方法に従って付加される前記試料を特徴付けるための表面下証印を含む宝石用原石試料。
39. 前記試料がダイアモンドである、
    ことを特徴とする請求項３８に記載の試料。
40. 識別するために内部にマーキングされた複数の表面下証印を含む宝石用原石試料であって、前記複数の証印が、局所領域の空間的配列としてコード化され、前記局所領域が、前記局所領域の周囲の光学特性とは異なる光学特性を示し、前記証印の各々が１０×倍率で不可視であることを特徴とする試料。
41. 前記複数の表面下証印の第１のサブセットが座標系を定め、前記複数の表面下証印の第２のサブセットが、前記試料に関する識別データをコード化する、
    ことを特徴とする請求項４０に記載の試料。
42. 宝石用原石試料の表面下に合焦される一連の超短レーザパルスを用いて、前記宝石用原石試料のバルクにおいて前記証印の生成を制御するための適応制御方法であって、前記証印が、前記試料の表面に影響を及ぼすことなく前記試料を識別すると共に１０×倍率で不可視であり、前記方法が、
    生成されることになる前記証印の特性を予め設定する段階と、
    処理ユニットの制御下で、前記試料に関連付けるための識別コードを生成する段階と、
    前記識別コードに対応する複数の証印の特徴パターンを決定する段階と、
    前記一連のレーザパルスに対して予め設定されたマーキングプロトコルを実行し、波長、パルス幅、パルス数、繰り返し率、エネルギー／パルス、合焦光学素子の開口数及びターゲット座標を含むグループから選択されるパラメータを用いて、前記特徴パターンに従って順次に前記証印の各々を生成することを試みる段階と、
    前記プロトコルが実行されているときに前記証印の生成を監視する段階と、
    前記特徴パターンに従って前記プロトコルを実行することにより前記証印の１つを生成するが全てが生成される訳ではない場合、前記処理ユニットが、正常に生成された前記証印と一致する新しい特徴パターンに対応する新しい識別コードを生成をもたらし、必要に応じて前記処理ユニットが、マーキングプロトコルを実行して追加の証印を生成し、前記新しい特徴パターンを完成させることを試みるように前記処理ユニットを制御する段階と、
    前記証印が前記特性を表しているときに前記プロトコルのそれ以上の実行を中断する段階と、
    前記証印の特徴パターン又は前記証印の新しい特徴パターンの生成が完了すると、前記識別コード又は前記新しい識別コードを場合によってはデータベースに記録する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
43. 前記宝石用原石がダイアモンドであることを特徴とする請求項４２に記載の方法。

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