JP2015519579A - ダイヤモンドの赤外分析 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一態様に従い、宝石原石の赤外吸収サンプルスペクトルからダイヤモンド宝石原石の分類を自動化する方法が提供される。水蒸気による吸収及びダイヤモンド格子による固有の吸収に対応する特性(features)は、吸収スペクトルから差し引かれる。ダイヤモンド内の格子欠陥に対応する所定の吸収特性を同定するよう、サンプルスペクトルは分析される。宝石原石は、所定の吸収特性の強度に従い分類される。分類の結果は、データベースに保存される。宝石原石はまた、それに従って分配されてもよい。
1フォノン吸収に対応する領域内で、A,B,D,NS 0及びNS +中心によるIR吸収に特有の特性を有する参照スペクトルの組み合わせを、フォーマット化されたスペクトルに自動的にフィットさせるステップ、及び
記参照スペクトルへのフィッティングに基づき、これら中心の一部もしくは全部の強度を決定するステップ
を包含してよい。次いで、前記決定された強度に基づき、原石を分類してよい。
参照A,B及びDスペクトルを使用する、フォーマット化されたスペクトルの1フォノン領域への3成分フィットと、
参照A,B,D,NS 0及びNS +スペクトルを使用する、5成分フィットと
を自動的に行うステップを包含してよい。次いで、例えばχ2検定を使用して、前記3成分及び5成分フィットの品質を比較してよい。そして前記品質比較に基づき原石を分類してよい。例えば、所定の閾値よりも多い分だけ、5成分フィットが3成分フィットよりも良いならば、単一置換窒素の顕著な割合が原石内に存在すると結論できる。そのような場合は、原石は天然ダイヤモンドではないと思われる。このフィッティングを、線形非負最小二乗フィッティングを使用して実施してよい。
窒素は、天然ダイヤモンド内でもっとも普通に見られる原子不純物であり、またわざわざそれを除外するステップが取られるならば別であるが、合成ダイヤモンドにおいても普通である。前記窒素は、多様な構造形態でダイヤモンド格子内に存在し、赤外スペクトルの1フォノンへの吸収を生成する。測定可能な割合の窒素を含有するダイヤモンドはI型と分類される一方、窒素を名目上含まないダイヤモンドはII型と分類される。
(i)スペクトル特性とアーチファクトとの重複;
(ii)サンプルと参照スペクトルとの誤ったキャリブレーション;
(iii)スペクトルの一領域におけるラインが、スペクトルのもう一つの領域におけるラインと適合しないかもしれない;
(iv)ラインが、参照スペクトル匹敵する位置にシフトされるかもしれない;及び
(v)シフトの程度が、スペクトルの様々な領域で異なるかもしれないこと、をはじめとする(ただしこれらに限定されない)のせいで、これは厄介である。
(i)特性が広い(通常、5cm−1より大);
(ii)特性は、高非対称である;
(iii)その他のラインが近傍にあるかもしれない;
(iv)特性は、単一フォノン領域内の窒素関連吸収にすぐ隣接する。
スペクトル特性にフィットさせる前のベースラインをフィットさせる、完全に自動化されたフェイルセーフの方法が、信頼できるパラメータがそれから決定されるように、必須である。
S301。 等距離データポイントを提供するため、IR吸収スペクトルがサンプル化される。即ち、例えば整数波数位置が単一整数波数分解能において得られるように、生のデータが挿入される。
S302。 スペクトル中のノイズを測定する。
S303。 スペクトル中のノイズが、スペクトルが飽和していることを示すならば、原石はそのように(S304)フラグアップされる。なぜなら有意なデータを自動的に抽出できないからである。
S305。 スペクトルが飽和していないならば、さらに分析を実施する。水によるIR吸収の参照スペクトルを、線形非負最小二乗フィッティングルーチンを使用して、3500乃至4000cm−1のスペクトル領域にわたるスペクトルにフィットさせる。フィットされた参照スペクトルは、次いでサンプル化吸収スペクトルから差し引かれる。
S306。 高品質IIa型ダイヤモンドの参照スペクトルを、線形非負最小二乗フィッティングルーチンを使用して、3500乃至4000cm−1のスペクトル領域にフィットさせる。あるいは、1992cm−1における吸収はサンプルの厚さに比例しており、スペクトルを正規化するのに使用できる。フィットされた参照スペクトルは、正規化IRスペクトルから差し引かれる。
S307。 スペクトル中の個々の特性を識別するため、一連の試行がなされる。各潜在的特性に関して、ベースラインが、特性周囲及び新たなベースラインにマップされた前記特性(興味対象領域)を含有するスペクトルの一部に決定される。
S308。 各特性に関して、一度ベースラインが同定され、特性がマップされたら、参照スペクトルを、複合ガウス−ローレンツ非線形最小二乗フィッティングルーチンを使用して、興味対象領域にわたる特性にフィットさせる。各特性の強度は、各参照スペクトルをフィットさせるのに必要とされるファクターから推定することができる。
S309。 再度線形非負最小二乗フィッティングルーチンを使用して、A,B,NS 0,NS +及びD特性由来の成分を合計することにより、定量分析(分類(typing))を実施する。1個の原石が、これらの特性の相対濃度に依存する特定のタイプに割り当てられる。
S310。 前のステップで割り当てられたタイプ、並びに追加の特性(例えば水素及びプレートレット)に依存して、各原石を分類する。濃度/相対濃度の閾値を、原石のタイプを決定する際使用してよい。
S311。 結果の(即ち、フィットされた)データ及び生のスペクトルデータを、将来の参照のためデータベースに保存する。
・1450cm−1におけるラインの検出。このラインが所定の閾値より上であるならば、ダイヤモンドは、照射を受けていそうであるとして分類される。
・3123cm−1におけるラインの検出。このラインが所定の閾値よりウであるならば、ダイヤモンドは、CVD合成であり得るとして分類される。
・A中心,B中心及びD吸収特性を使用して、3成分線形最小二乗は1フォノン領域にフィットする(3Dフィット)。
・A,B,D,Ns 0及びNs +特性を使用して、1フォノン領域へのフィットを繰り返す(5Dフィット)。各フィット由来のχ2値を、決断するのに使用する。
・1344cm−1における特性の存在に関して、チェックをする。
ステップS303における飽和試験を実施する。なぜなら飽和は通常「高周波」ノイズをもたらすからである。シグナルのフーリエ変換と、ノイズを定量化するため特定の領域にわたる積分とにより、ノイズを検出できる。図5は、1フォノン領域における顕著な飽和を表すIRスペクトルの高速フーリエ変換したデータ501のプロットである。ノイズ(シグナルを除く)は、7.2乃至8.1×10−4cmの範囲502(1200乃至1400cm−1に対応する)において検出可能である。従ってこの範囲内の積分は、高周波ノイズの強度を推定できるようにする。得られた値が特定の閾値より上ならば、スペクトルは「飽和している」として拒絶される。
ステップS307のベースライン化は、スペクトル特性にうまくフィットできるようにするために重要である。以下の戦略を利用してよい:
・複数の「最低ポイント」がスペクトルの特定領域内に見つかり、これらのポイントに2次多項式をフィットさせ、スペクトルから差し引く。フィッティングに好適な範囲は、400乃至450cm−1,1400乃至1650cm−1,4500乃至4700cm−1及び6800乃至6900cm−1を包含する。使用されるプロセスは、フィットされるべき入力データとして、上に列挙したこれらの範囲全てにおけるデータポイントを使用して、スペクトル全体にわたり1個の2次多項式フィットを実施するためである。図3に示すように、個々の特性のためのベースラインがまた算出される。サーチがなされるであろう特性(例えば、3123cm−1における吸収ライン)が選択される。選択された特性のピーク位置から離れた予め定義されたインクリメントにおいて、ポイントが選択され(例えば3123−1cm−1,3123+1cm−1,3123+2cm−1)、これらのポイントに2次多項式関数をフィットさせ、もっぱらこの特性のためのベースラインとして使用する。
・1344cm−1における特性(NS 0)をフィットさせる前に、よりきれいなバックグラウンドシグナルを得るため、線形最小二乗1フォノンフィットを、スペクトルデータから差し引く。次いで、上記の方法を使用して、バックグラウンドシグナルをフィットさせてよい。
線形最小二乗フィッティングは、スペクトル特性の形状が変化しそうにない多成分フィットに(例えばガウシアンブロードニング特性用ではなく)最適である。従って、線形最小二乗フィッティングは、ステップS305及びS306における水及びIIa型スペクトルを差し引くのに、及び1フォノン領域において分類する(typing)のに(S309)好適である。これらのフィットに関して、非負ルーチンを使用すべきである: 標準最小二乗ルーチンは、何ら検出可能な物理的意味を有しない負のフィット値をもたらす。
3500乃至4000cm−1のスペクトル領域を、「完全な」IIa型ダイヤモンドの参照スペクトルにフィットさせるのに(ダイヤモンド固有の吸収の正規化及び除去に)、及びまた水ピークの除去(この領域にいくつか強い水ピークが存在する)に使用する。
スペクトルの一領域のけるラインは、別の領域のラインと適合してはいけないこと、
ラインは、参照スペクトルに匹敵する位置にシフトされてよいこと、
シフトの程度は、スペクトルの異なる領域内で違っていなければならないこと)。このアプローチにおける水フィッティングは以下のように実施される:
1.サンプルスペクトルは、調査中のIR特性周辺約±15cm−1について選択される。
2.サンプルが存在しないIR分光計を運転することにより、同一スペクトル領域にわたり水参照スペクトルを得る: 雰囲気水は、好適な水シグナルを提供する。
3.一連のシフトされた水スペクトルを生成するため、0.25cm−1のインクリメントにわたるサンプルスペクトルに比例して、水参照スペクトルをシフトされる。
4.線形非負最小二乗フィッティングルーチンを使用して、小さなスペクトル範囲にわたり、シフトされた水スペクトルのそれぞれをサンプルスペクトルにフィットさせる。
5.最低χ2を有するフィットが選択され、この領域にわたるサンプルスペクトルから差し引く。
強度について様々な相対速度において、A,B,D,Ns 0及びNs +特性に関するスペクトルを、調査中のスペクトルにフィットさせることにより、ステップS309における「分類」手順が達成される。それぞれA,B,X,Ns 0及びNs +中心に対応する特性をそれぞれ含有する参照スペクトルが、テキストファイル内に格納される。IIa型及び水スペクトルと同様に、これらの参照スペクトルは、調査中のスペクトルにおけるサンプルデータポイントと同量によって分離されたデータポイントを有する(例えば1cm−1)。
・不十分な1フォノンフィットを有するスペクトルを排除するため:
Ifχ2 3D>閾値もしくはχ2 5D>閾値ならば、「不十分なフィット」結果を与える。
・Nsはスペクトルの一部かどうかを見るため:
D=χ2 3D−χ2 5D
Dが負ならば、パスである。3Dフィットは5Dフィットよりも優れている。即ち、1フォノン領域内にNsは検出されない。
Dが正ならば、チェックする:
D/χ2 5D>閾値ならば、Nsはスペクトルの一部である。排除。
・[A]+[B]>タイプI/IIthresholdならば、タイプは「I」である。
[A]<Athresholdならば、タイプは「IaB」である。
同様に、[B]<Bthresholdならば、タイプは「IaA」である。
・[A]+[B]<タイプI/IIthresholdならば、タイプは「II」である。
[B0]>IIbthresholdならば、タイプは「IIb」である。
さもなければ、タイプは「IIa」である。
幅、位置及び/又は形状が変化し得る場合、もしくは特性が数学的表現で(例えばガウシアン)スマートに近似できる場合、非線形フィッティングは、通常はピークに適用可能である。非線形フィッティングは、以下の少なくともIRピークにおいて実施される:
1450cm−1(照射関連);
3123cm−1(CVD関連);
1344cm−1(Ns 0);
2802cm−1(置換ホウ素に対応する(B0))。
1)プレートレットが存在するであろう領域が選択される。例えば1350(xstart)乃至1400cm−1(xend)。
(xstart)乃至(ピーク位置−2×ピーク幅);及び
(ピーク位置+3×ピーク幅)乃至xend。
これら2つの領域は一緒に、その長いテールを含めたプレートレットピークを包含しない、xstartからxendまでサンプルデータの領域を効果的に選択する。
2.十分なデータポイント(例えば0.1の波数ステップサイズ)を得るように、データを挿入する。
3.データを微分する。
4.データを平滑化する(例えば8のデータスパンを有する単純移動平均すムーザを使用する)。
5.1342乃至1346cm−1の領域を微分する。
6.0未満の何れの値(<0)をゼロに切り捨てる。
7.スペクトルを反転する。
8.前に使用した同一の平滑化フィルタを再度適用する。
9.スペクトルの最大y値及び対応するx値(ピーク値)を位置決めする。
10.台形積分法を使用して、スペクトルを積分する。
11.閾値を適用することにより、ピークが存在するか否かを推定するのに、ピーク位置及び台形積分の結果を使用する。
ステップS311において、フィットさせたデータと生のスペクトルデータの詳細が、全特性のパラメータと分析中に決定されたフィットと共に、分析の結果と共に、データベースに保存される。これは、個々の原石がトラックされることを可能にし、またさらにフィッティングアルゴリズムを改善するのに、もしくはダイヤモンドについての追加の分析を知らせるのに、データを使用可能である。
Claims (28)
- ダイヤモンド宝石原石の分類を自動化する方法であって、
前記宝石原石の赤外吸収サンプルスペクトルから、水蒸気による吸収に対応する特性及びダイヤモンド格子による固有吸収に対応する特性を差し引くステップ;
ダイヤモンドの格子欠陥に対応する所定の吸収特性所定の吸収特性を同定するよう、前記サンプルスペクトルを分析するステップ;
前記所定吸収特性の存在及び/もしくは強度に従い前記宝石原石を分類するステップ;及び
前記分類の結果をデータベースに保存するステップ
を有する方法。 - 前記スペクトルの特定された領域における複数の極小値を同定すること、及び2次多項式を前記極小値にフィットさせることにより、前記サンプルスペクトルのベースラインを算出するステップ;及び
フォーマット化されたスペクトルから前記ベースラインを差し引くステップ
をさらに有する、請求項1に記載の方法。 - 前記特定された領域は、
前記フォーマット化されたスペクトルに記録された最低波数ポイント乃至50cm−1まで高いポイントの領域;
1400乃至1650cm−1;
4500乃至4700cm−1;及び
前記スペクトルに記録された最高波数ポイントより200乃至100cm−1少ない領域、
の1以上を包含する、請求項2に記載の方法。 - 1フォノン吸収に対応する領域内で、以下の参照スペクトル:
A中心によるIR吸収に特有の特性を包含する参照Aスペクトル;
B中心によるIR吸収に特有の特性を包含する参照Bスペクトル;
X中心によるIR吸収に特有の特性を包含する参照Dスペクトル;
NS 0中心によるIR吸収に特有の特性を包含する参照NS 0スペクトル;及び
NS +中心によるIR吸収に特有の特性を包含する参照NS +スペクトル、
の一部もしくは全部の組合せを、前記サンプルスペクトルにフィットさせるステップ;
前記参照スペクトルへのフィッティングに基づき、前記A,B,D,NS 0及びNS +中心の一部もしくは全部の強度を決定するステップ;及び
前記決定された強度に基づき、原石を分類するステップ、
をさらに有する、請求項1、2又は3に記載の方法。 - 参照A,B及びDスペクトルを使用する1フォノン吸収に対応する前記領域内で、前記サンプルスペクトルに対し3成分フィットを行うステップ;
参照A,B,D,NS 0及びNS +スペクトルを使用する1フォノン吸収に対応する前記領域内で、前記サンプルスペクトルに対し5成分フィットを行うステップ;
任意にはχ2検定を使用して、前記3成分及び5成分フィットの品質を比較するステップ;及び
前記品質比較に基づきダイヤモンドを分類するステップ、
をさらに有する、請求項4に記載の方法。 - 所定の閾値よりも多い分だけ、前記5成分フィットが前記3成分フィットよりも良い場合、単一置換窒素の顕著な割合が前記原石内に存在することを決定するステップ、
をさらに有する、請求項5に記載の方法。 - 前記フィッティングを、線形非負最小二乗フィッティングを使用して実施する、請求項4、5又は6に記載の方法。
- 吸収特性に関するローカルベースラインを算出するステップであって、各特性に関する前記ローカルベースラインは、2次多項式を、前記特性のピーク一の両側、所定の波数インクリメントにおける前記サンプルスペクトル内の、複数のデータポイントにフィットさせることにより、算出されるステップと;
対応する吸収特性を囲む領域から、各ローカルベースラインを差し引くステップと;
前記特性の強度を同定するため、各吸収特性に好適な関数をフィットさせるステップと、
をさらに有する、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の方法。 - 所与の吸収特性に好適な関数をフィットさせるステップは、非線形最小二乗フィッティングを包含する、請求項8に記載の方法。
- 前記非線形最小二乗フィッティングを、1450cm−1,3123cm−1,1344cm−1及び/もしくは2802cm−1における吸収線に、及び/又はプレートレットに対応する吸収特性に適用する、請求項9に記載の方法。
- 所与の吸収特性に対する前記非線形最小二乗フィッティングステップは、そこにフィットすべき吸収特性が存在することが期待される、開始波数と終了波数との間で、サンプルスペクトルの領域を選択するステップを含む、請求項9又は10に記載の方法。
- 前記選択された領域にわたり、2次多項式フィットを行うステップ、
前記サンプルスペクトルから前記多項式フィットを差し引くステップ、及び
前記差し引くステップの後、サンプルスペクトルの選択された領域においてゼロより下の全領域をゼロに設定するステップ、
をさらに有する、請求項11に記載の方法。 - 非負最小二乗フィッティングを使用して、理論ガウシアンのセットを選択された領域にフィットするステップ;
最低χ2を有するガウシアンを選択するステップ;
選択されたガウシアンの幅、位置及び高さを確認するステップ;
2次多項式を、前記選択されたガウシアンを含まない選択された領域内のエリアにフィットさせるステップ;及び
選択された領域内のサンプルスペクトルから前記フィットさせた多項式を差し引くステップ、
をさらに有する、請求項11又は12に記載の方法。 - 前記選択されたガウシアンを含まないエリアは、開始波数から選択されたガウシアンのピーク位置マイナス幅の第1の所定倍数まで、及びピーク位置プラス幅の第2の所定倍数から終了波数まで延びているとして、決定される、請求項13に記載の方法。
- χ2を最小化するため、非線形最小二乗フィッティング方法を使用して、サンプルスペクトルの選択された領域に、非対称二重シグモイド関数をフィットさせるステップ、及び
前記フィットさせた関数のピーク位置、幅、非対称及び面積を推定するステップ、をさらに有する、請求項11乃至14のいずれか一項に記載の方法。 - 前記選択された領域は1350乃至1400cm−1から延びており、前記所与の吸収特性はプレートレットによる吸収に対応する、請求項11乃至15のいずれか一項に記載の方法。
- そこに特定の吸収特性が存在すると期待される選択された領域にわたり、データを微分する及び平滑化するステップ;
そこに吸収特性が存在すると期待される前記選択された領域のサブセットにわたり、データを微分する及び平滑化するステップ;
ゼロより下のいずれの値をゼロに切り捨てるステップ;
スペクトルを反転する及び平滑化するステップ;
最高ピーク位置のロケーションを確認するステップ;
台形積分法を使用してスペクトルを積分するステップ;及び
前記ピーク位置と積分の結果とから、閾値を使用して、前記特定の吸収特性が存在するか否かを推定するステップ、
をさらに有する、請求項1乃至16のいずれか一項に記載の方法。 - 前記選択された領域は1335乃至1350cm−1であり、前記サブセットは1342乃至1346cm−1であり、前記特定の吸収特性は1344cm−1である、請求項17に記載の方法。
- 水による吸収に対応する特性を差し引くステップは、所定のスペクトル範囲にわたるスペクトルを、水による吸収に特有の特性を含む参照水スペクトルにフィットさせるステップ、及びサンプルスペクトルからフィットさせた水スペクトルを差し引くステップを包含する;及び/又は
ダイヤモンド格子による固有吸収に対応する特性を差し引くステップは、所定スペクトル範囲にわたるスペクトルを、IIa型ダイヤモンドによる吸収に特有の特性を含む参照IIa型スペクトルにフィットさせるステップ、及びサンプルスペクトルからフィットさせたIIa型スペクトルを差し引くステップを包含する;及び
前記水スペクトル及び/もしくはIIa型スペクトルにフィットさせるステップは、任意には線形非負最小二乗フィットを使用して実施される、
請求項1乃至18のいずれか一項に記載の方法。 - 吸収スペクトルを水による吸収の参照スペクトルにフィットさせるステップは、
前記参照水スペクトルを、所定の範囲にわたる複数の異なる波数位置に、漸次的にシフトするステップ、及び前記水スペクトルを各位置における吸収スペクトルにフィットさせるステップ;及び
各波数位置におけるフィットを比較するステップ、
を有する;及び
当該方法は、最善のフィットを有するシフトされたスペクトルを差し引くステップをさらに有する、
請求項19に記載の方法。 - 吸収スペクトルを水の参照スペクトルにフィットさせるステップを、調査中の吸収特性の両側、小さな領域にわたって実施する、及び
最善のフィットを有するシフトされた参照スペクトルを、吸収特性にフィットさせるステップの前に、もっぱら前記小さな領域から差し引く、
請求項20に記載の方法。 - ダイヤモンド格子による固有吸収に対応する特性を差し引くステップは、1995cm−1における吸収値を決定するステップと、前記吸収値で割られた11.95として正規化定数を算出するステップと、前記スペクトルを前記正規化定数で乗算するステップと、及び正規化の後、サンプルスペクトルから参照IIa型スペクトルを差し引くステップとを包含する、請求項1乃至21のいずれか一項に記載の方法。
- その中に吸収特性が存在しない所定スペクトル領域にわたりノイズを測定することにより、飽和のための吸収スペクトルを試験するステップと、
前記ノイズが所定の閾値を超える場合、原石を除くステップと、
をさらに有する、請求項1乃至22のいずれか一項に記載の方法。 - ノイズを測定するステップは、前記所定のスペクトル領域にわたり、任意には約1200乃至1400cm−1にわたりスペクトルのフーリエ変換を積分するステップを有する、請求項23に記載の方法。
- 宝石原石のサンプル赤外吸収スペクトルを記録するステップをさらに有する、請求項1乃至24のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1乃至25のいずれか一項に記載の方法を実施するよう構成された装置。
- プロセッサにより操作される場合、前記プロセッサに請求項1乃至24のいずれか一項に記載の方法を実施させるコンピュータ可読コードを有する、コンピュータプログラム。
- コンピュータ可読媒体と、請求項27に記載のコンピュータプログラムとを有するコンピュータプログラムプロダクトであって、前記コンピュータプログラムは前記コンピュータ可読媒体に格納される、プロダクト。
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