JP4719815B1

JP4719815B1 - 宝石輝度測定装置

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Publication number: JP4719815B1
Application number: JP2010119349A
Authority: JP
Inventors: 洋文二宮; 昭夫川口
Original assignee: 二宮宝石株式会社
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2030-05-25
Also published as: JP2014059146A

Abstract

【課題】実際と同様に光を受けた場合に輝く宝石の光の大きさと個数とを客観的に安定した精度で測定することができる宝石輝度測定装置を提供する。
【解決手段】放物面スクリーンを用い、その焦点に測定すべき宝石を置き、平行光を少なくとも放物面スクリーンの中心軸から該中心軸に垂直な方向まで、かつ、少なくとも該平行光の入射方向と該宝石とを少なくとも９０度相対的に回転させて、前記宝石に照射し、その際に該宝石から発生して前記放物面スクリーンに投影された光の撮像データを解析して、該宝石の発光する光の大きさと個数とを算出する
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードなどの自ら発光し、あるいは、外部から光線を受けて発光す
る蛍光体や宝石を含む発光体の立体的な発光分布（発光の立体角、強度、個数）を測定す
る発光分布測定装置を宝石（特に、ダイヤモンド）の輝きの測定に用いた宝石輝度測定装置に関する。

宝石輝度測定装置としては、特許文献１に記載されたものがあり、図１１は、本発明の宝石輝度測定装置の背景技術となる、上記特許文献１に記載された宝石輝度測定装置を示す外観斜視図である。

この宝石輝度測定装置６０は、ダイヤモンドを測定対象とするもので、透明なガラス円板５１ｂの中心に、ダイヤモンドのクラウン上テーブルをガラス面に接触させて置き、内面白色の半球状ドーム５１ａでこの上を覆い、ガラス円板５１ｂの真下に円環状の光源５２を上下させてクラウン側からの入射光角度を変えながら、光を照射し、その更に下方に置かれたＣＣＤカメラによる検出器５５を置くことで、テーブルにほぼ垂直な方向への散乱光のみを視野上の輝点として測定している。

この装６０では、クラウン側を下に、パビリオン側を上方に置いて、円環状光源５２を上下させることでクラウン側からの入射光角度を変えている。光強度の測定は鉛直軸上のテーブル面直下に配置した検出器５５によって各入射角（つまり円環状光源の高さ変化）毎の入射強度として検出され、積算される。パビリオン側の散乱光は白色の半球状ドーム５１ａによって散漫に散乱された光を再入射させるが、このうちテーブル側法線方向の検出器に入る光も「輝き」として強度積算される。

このため上記装置６０では輝点の大小（散乱光の立体角）についての評価は不可能であり、視野内に入る強い散乱光の数のみをカウントすることになる。結果的に、細かい輝点（立体角の小さな散乱光）をカウント数の多さから過大評価し、逆に大きなファセットから来る立体角の大きな散乱光を過小評価することになる。

しかし肉眼上の体感的な輝度は輝点の大きさ（＝反射面ファセットの大きさ）によるものなので、たとえ散乱光強度の総量が同じであっても「散乱光輝点の反射立体角が大きく数が少ない」ものがより大きな美的感動をもたらす。その一方で、「反射立体角は小さいがカウント数が多い」ものは体感的な輝きの点で魅力が減殺されるにもかかわらずカウント数の多さ、または散乱光強度の総量のみによって「大きな輝きを放つ試料」と判断されることになる。

また、この装置６０ではガラス円板５１ｂの中心軸と検出器５５であるＣＣＤカメラ軸を一致させ、光源５２を軸対象な位置に輪環状に置いている。この配置は、最も強い反射であるテーブル面上での反射光によって、検出器５５に強度光が入射することを回避するためと推測できるが、実際の使用条件下での光入射・散乱を再現しているとは必ずしも言えない。

つまり、この装置６０の測定方法、「テーブル面の法線方向以外の入射光」によって「テーブル面にほぼ垂直な方向に出てくる散乱光」をカウントする測定方法では、光入射・散乱の条件という点でも実際の使用条件と異なる条件下での測定と言わざるを得なない、と思われた。

たとえば実際の使用条件では入射光も散乱光（『輝き』として肉眼に認識される光）のどちらも「テーブル面の法線方向」とは限らないので、現行機種は実際の使用条件をシミュレートしているとは言えないし、実際の使用例をシミュレートし定量化するためには任意の角度方向からの入射と任意の角度方向への散乱を測定する必要があった。

上記の問題を部分的に解決しているものとして、特許文献２のものがあるが、この特許文献２の装置では、放物面鏡を用いて、その頂部に孔を明けて、その付近と思われる焦点上に測定対象物を置き、放物面鏡側からその中心軸に平行な視準光線を少なくとも２つ照射することで、その視準光線が放物面鏡に反射されて、焦点上の測定対象物に照射され、その反射により、測定対象物の双方向反射分布関数（ＢＲＤＦ）や、双方向透過分布関数（ＢＳＤＦ）を測定することができるものである。

また、この特許文献２では、放物面鏡では、焦点を通る光線は、放物面の中心軸に平行であること、また、放物面の中心軸に平行な光線を反射させる焦点を通ることが記載されているが、宝石の輝度として必要な光の立体角による大きさや、その個数などについては記載されていなかった。

また、放物面であっても、その形状によっては、周縁部分の中心軸の位置と反射角の関係が密になり過ぎて、測定精度に影響を与えることが考えられるが、そのような点についての記載は、この特許文献２にはなかった。

国際公開ＷＯ９６／２３２０７号公報（図４）特表２００７−５０８５３２号公報（図１）

本発明は、上記問題を改善しようとするもので、実際と同様に光を受けた場合に輝く宝
石の光の大きさと個数とを客観的に安定した精度で測定することができる宝石輝度測定装
置を提供することを解決課題とする。

本発明は、宝石が外光を受けて輝く輝きの立体的な分布を測定する宝石輝度測定装置であって、放物面鏡または放物面スクリーンと、その焦点に宝石を置くための試料載置台と、平行光を発生させる光源と、前記光源からの平行光を受けて前記宝石から発生して前記放物面鏡で反射され、あるいは、前記放物面スクリーンに投影された光を平面的な画像として撮像する撮像手段とを備えている。なお、ここで、放物面とは、放物線（２次元平面上の曲線）をその焦点を含む中心軸周りに回転させてできる３次元の曲面をさすものとする。

この宝石輝度測定装置は、上記構成において、前記試料載置台に測定すべき宝石を置き、前記光源からの平行光を少なくとも放物面鏡または放物面スクリーンの中心軸から該中心軸に垂直な方向まで、かつ、少なくとも前記平行光と該宝石とを前記中心軸回りに少なくとも９０度相対的に回転させて、前記宝石に照射し、その際に該宝石から発生して前記放物面鏡または放物面スクリーンで反射または投影された光の平面的な撮像データを前記撮像手段で撮像し、こうして得られた平面的な撮像データから、該宝石の発光する光の立体的な発光分布（その光の大きさと個数とを含む）を算出する。

本発明の宝石輝度測定装置は、上記放物面鏡または放物面スクリーンを用い、その焦点に測定すべき宝石を置き、平行光を少なくとも放物面鏡または放物面スクリーンの中心軸から該中心軸に垂直な方向まで、かつ、少なくとも該平行光の入射方向と該宝石とを少なくとも９０度相対的に回転させて、前記宝石に照射し、その際に該宝石から発生して前記放物面鏡または放物面スクリーンで反射または投影された光の撮像データを解析して、該宝石の発光する光の大きさと個数とを算出する、実際と同様に光を受けた場合に輝く宝石の光の大きさと個数とを客観的に安定した精度で測定することができる。

なお、こここで、平行光を宝石に上記方向から照射するには、放物面鏡または放物面スクリーンにスリットを設けるか、放物面鏡または放物面スクリーン内に円弧状に光源を移動させる手段をもうければ良い。平行光としては、単色レーザー光、白色ＬＥＤ光、赤・青・緑の３色（３本）のレーザー光源を切り替えながら、各色に対するサイズ分布や輝点数を測定するなど、複数光源による観察測定も可能である。

本発明の宝石輝度測定装置の効果は、上記手段に記載した通りである。

（ａ）は、本発明の宝石輝度測定装置の概念的な構成図であり、（ｂ）は、該装置で用いる放物面と仮想球面との関係の概念説明図発光体からの光の方向の立体角と反射光の中心軸からの距離との関係を得るための式（１）から式（９）を示す図光ＳＢの面積の変換について用いる式（１０）〜式（２０）を示す図図１、２、３で説明した原理と計算式とに基づき宝石の輝度を測定する宝石輝度測定装置を示すもので、（ａ）はその全体の正面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）はその上面図、（ｄ）はこの装置の画像処理、演算及び制御を行うパーソナルコンピュータを示す外観斜視図（ａ）は、図４の鏡体を示す正面図、（ｂ）その下面図（ａ）、（ｂ）は、宝石輝度測定装置で測定した発光体から発光した光を示す図図５（ｂ）の画像から得られた輝点ＳＢを仮想球面ＬＤ上の立体角分布として変換した後に、サイズＳＶの度数分布（ヒストグラム）としてグラフ化したグラフサイズの度数分布（ヒストグラム）の指数関数を示すグラフ放物面と仮想球面との関係を示す概念図代表的なダイヤモンドのカットを示す図本発明の背景技術となる宝石輝度測定装置を示す外観斜視図

１鏡体
１ａスリット
２光源（ＬＦ）
３円弧レール
４試料載置台
５支持体
６Ａ、６Ｂ平面鏡
７ＣＣＤカメラ
８枠体
２０宝石輝度測定装置
３０発光分布測定装置
Ｄ発光体
ＬＬ赤色レーザー光
Ｏ焦点
Ｐ〜Ｐ６放物面上の光点
Ｑ〜Ｑ６仮想球面上の光点
ｙ中心軸
ＰＭ放物面鏡（スクリーン）
ＳＶ放物面上の光の面積（＝ｄΩ）
ｄＳ仮想球面上の光の面積

以下に、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

実施形態１

図１（ａ）は、本発明の宝石輝度測定装置の概念的な構成図であり、（ｂ）は、該装置で用いる放物面と仮想球面との関係の概念説明図である。これらを用いて、宝石輝度測定装置の概念的な構成について説明する。

本発明の宝石輝度測定装置２０は、図１（ａ）に示すように、レーザー光源ＬＦからの細い平行光ＬＬを複数の方向から自ら発光しない発光体である宝石Ｄ（特に、ダイヤモンド）に入射させることによって、実際の使用場面（あらゆる方向から光が入射する）をシミュレートし、使用場面での「光り方」を数値化・定量化するものである。

発光体Ｄの「光り方」は，平行光ＬＬを照射された発光体Ｄが発光する光ＳＢが試料位置を中心とする仮想球面ＶＳ上に投影されるサイズ・面積（立体角）ＳＶによって定量化される。発光体Ｄの場合、実際の使用場面では試料に対してあらゆる方向から光が入射することによって散乱光が放射されるが、本測定装置２０では数値化・定量化のために入射光源ＬＦを１カ所にして、その方位を球面上で移動させる（図１（ａ）では極座標α、βの角度を変えて走査する）ことにより、実際の使用場面における「全方向からの光入射」を再現する。

さらに図１（ｂ）に示すように、「仮想球面ＶＳ上の光（面積）ｄΩ」を正確に測定するために放物面状の凹面鏡ＰＭを用いて、そこで試料（発光体Ｄ）から放射されてくる光による輝点Ｓを「仮想球面ＶＳ上のサイズｄΩ」（面積）に換算し、その統計量から元の発光体Ｄから放射される光のサイズｄΩの分布を解析する。

＜発光体からの光の方向の立体角と反射光の中心軸からの距離との関係＞
図１（ｂ）に示すように、放物面鏡ＰＭの焦点に置いた発光体Ｄのからの光ＳＢの凹面鏡ＰＭによる反射光は、放物面鏡の中心軸（ｙ軸）に全て平行で、その焦点平面上の中心からの半径距離ｒと、光ＳＢに関する方位角（立体角）θとの間には、次のような関係がある。その説明に用いる式を図２にまとめて示し、以下、その式を参照しながら、この関係について説明する。

最初に３次元での極座標として（θ、φ）方向に出て行く光があるとする。この場合の「極座標」は地球上の緯度・経度や天球面と同じ概念なので、北極をθ＝０°としておく。このとき、「南極」がθ＝１８０°（ｄｅｇ．）＝π （ｒａｄ．）、「赤道」がθ＝９０°（ｄｅｇ．）＝π／２（ｒａｄ．；ラジアン）となり、「北半球」は０≦ θ ≦ π／２（ｒａｄ．）になる。また試料（発光体Ｄ）は球中心Ｏにある。と考える。

このとき実体・仮想的なものを含めた投影面や反射面など、系は「軸対象」なのでφ（地球上の座標では経度に相当する）方向には座標変換を受けない。そこで以下ではθについての変換だけ考える。

対称軸をｙ軸に取り、放物線の凸側に＋ｙ軸を取ると、球中心である原点Ｏに焦点を一致させた放物線の方程式は二次式である図２の式（１）で表される。

一般的にはここでの定数Ａ（＞０）は任意の正数であれば良い。今、球中心から投射・散乱される光を半径ａの「仮想球面」で受けることを考える。水平線（赤道線）方向（図のｘ軸方向、またはθ＝９０°）の位置でその「仮想球面」と放物面が一致するようにするにはＡ＝１／２ａに選べばよい。つまり、図２の式（２）が「原点を焦点として赤道半径ａの全天球をカバーする放物面（パラボラ面）」の方程式ということになる（実施例ではａ＝１００ｍｍ）。

原点から放射される光は、図２に示す式（３）という一次方程式（直線）で表せる。この時の傾きｍはｙ軸との角度θと図２に示す式（４）の関係がある。たとえば、式（２）と式（３）との交点Ｐの座標を（ｐ，ｍｐ）とすると、式（２）から図２に示す式（５）及び図２に示す式（６）が得られ、これを解くと図２の式（７）が得られ、式（４）は図２の式（４）′という表現も可能であり、その結果、図２の式（８）の関係が得られる。

ここで、数式の上では、原点から放射される光を表す直線の方程式（式（３）。ＯＰを結ぶ直線）は、図面では見えていないが、放物線を表す二次曲線（放物線）と２カ所で交わることになるが、０＜θ＜π／２の範囲での交点Ｐのｘ座標が０＜ｐ＜ａであることを考えると、（８）式の複号として「＋」を考えれば良い。

実はこの場合の複号の−（マイナス）も含めれば、本機構の原理が南半球（π／２＜θ＜π）も含む、南極点以外の全天をひとつの放物面でカバーできる、というアドバンテージを示している。ただしこれは、「放物面をいくらでも深く作ることができる」という条件の元での話であり、機構上は現実的ではないので、実際の測定上は「南半球用の放物面」を設置した方が有効とも言える。

つまり「北極軸に対してθの角度で出てくる光は、放物面上のｘ座標＝ａ（（１−ｃｏｓθ）／ｓｉｎθ）の点に投影される」ということになる。このとき、もし放物面が「鏡」であれば、試料から出てきた光は反射され、全ての角度θの光がｙ軸に平行な光として−ｙ方向に向かうことになる。

または放物面が「白色スクリーン」の場合には、中心点から放射される光はそこで止まることになる。この投影像を十分に離れた位置（つまり視野に入る像を全て、近似的な平行光線として観測できる位置）から見ると「鏡」の場合に反射されるのと同じ位置に光が見えることになる。

結局このことは、放物面が理想的（方程式（２）式で表せる形状を正確に実現している）でありさえすれば、
１）放物面形状のミラーによって反射された光を無限遠（十分に離れた位置）で観測する、
２）放物面形状のミラーによって反射された光をｙ軸に直交する平面状スクリーンに投影する、
３）放物面形状のスクリーンに投影された光を−ｙ方向の無限遠で観測する、
４）放物面形状の半透明スクリーンに投影された光を＋ｙ方向（裏側）から観測する、などのいずれの光学系（図１０を用いて、再度説明する。）としても観測され得ることを示している。

そしてそのときの平面上の極座標 ( r, φ ) は元の球面上の極座標(θ, φ ) と、
図２の式（８）’または、式（９）によって相互に変換して一意的に求めることができる（φについては変換を受けない。）。

＜光ＳＢの面積の変換＞
以下、光ＳＢの面積の変換について、図３の式（１０）〜式（２０）を用いて説明する。

放物面の焦点に一致させた球中心に置いた試料から散乱・反射・放射された光が立体角ｄΩを持っているとすると、球面上での極座標（θ、φ）によって、図３の式（１０）と表せる。この場合のｄΩは、θについてはｄθ、φについてはｄφの幅を持った「矩形」の領域となる。また各輝点は最大のものでも全球面または半球面の空間内では相対的な面積は「微小」と考えて良い。

そこで以下の近似を考える。説明上、「放物面状の凹面鏡を用いて球中心から放射される光を軸に平行な光線に変換して、それを赤道面平面に相当する平面スクリーンＳＣに投影する」という状況（図１（ｂ））で説明すると、各輝点は、（θ、φ）〜（θ＋ｄθ、φ＋ｄφ）の矩形形状と考える。

すると反射または投影される位置での球面（＝面法線が中心点を向く、または中心からの光を垂直に受ける面）上で矩形の面積ｄＳは、図３の式（１１）となる。
Ｒは、図１（ｂ）に示すように、球中心から放物面（ミラーまたはスクリーン）までの距離なので、θ（０≦θ≦π／２（ｒａｄ．））に応じて（ａ／２）≦Ｒ≦ａの範囲で変化する。

輝点の大きさが十分に小さいという仮定の下で、「球中心から投影された矩形状の輝点は、放物面鏡で反射されて平行光として平面スクリーンに投影されたときにも矩形形状をしている」と考える。すると、平面状円板スクリーンに射影された輝点は「半径方向（図１（ｂ）のｒ）に関して変換を受け、角度方向（球面極座標のφに一致する）には変換を受けない」と考えて良い。

更に、もし元の散乱光が矩形形状をしていない場合でも、「θ方向には長さの変換を受けるがφ方向には長さが変わらない」という状況は同じなので、結果的には「試料から投射される元の光の輝点の立体角としての大きさ」と「放物面鏡で反射され、平行光線として投影される輝点の大きさ」について同じ議論を適用することができる。

平面状スクリーン上の半径位置ｒと元の光ＳＢの角度θとの間には図２の（８）’式、（９）式の関係があることから、図３の式（１２）、式（１３）（∵ 式（８）′）が導かれる。

投影先の輝点（凹面鏡反射によって平行光線に変換された後に投影された、平面スクリーン上の扇形）の面積をｄＳ′とすると、図３の式（１４）、式（１５）が得られる。

ここでＲは球中心（放物面の焦点）から実際の反射や投影が生じる「放物面」までの距離であることから、中心点から来る傾きｍの直線と放物面との交点Ｐの座標を（ｐ，ｍｐ）としたときの座標によってＲ ^２＝（１＋ｍ ^２）ｐ ^２となる。そしてこの交点Ｐのｘ座標ｐは平板状スクリーン上での輝点の投影先、中心からの距離（半径位置ｒとなり、図３の式（１６）が得られる。

これらの式（１５）、（１６）から，図３の式（１７）が得られ、このことは「放物面鏡の焦点に置かれた試料から届く散乱光を放物面鏡を用いて平行光線に変換したとき、投影される先の輝点の面積は反射位置で見込んだ散乱光の面積（反射位置に仮想的な球面を考えた時に球面上に投影される面積）に等しい」ということを意味する。

なお、この面積（反射前・反射後投影像）以外にも、輝点の立体角ｄΩについて議論・比較することによって試料を評価することも可能であり、図３の式（１８）、（１９）、（２０）の関係が導かれる。

実施例ではａ＝１００ｍｍを半径（焦点を通り軸に直交する面の円半径）とする放物面凹面鏡によって得られた輝点の反射像面積ｄＳと立体角ｄΩについて比較評価している。

図４は、上記図１、２、３で説明した原理と計算式とに基づき宝石の輝度を測定する宝石輝度測定装置を示すもので、（ａ）はその全体の正面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）はその上面図、（ｄ）はこの装置の画像処理、演算及び制御を行うパーソナルコンピュータを示す外観斜視図、図５（ａ）は、図４の鏡体を示す正面図、（ｂ）その下面図である。なお、これより、既に説明した部分については同じ符号を付して重複説明を省略する。

この宝石輝度測定装置２０は、所定の式に基づいた放物線を焦点を含む軸中心に回転させた形状の放物面上に白色塗装をした放物面スクリーンＰＭをその内面に備えた画像化体１と、赤色レーザー光ＬＬを発する光源２（ＬＦ）と、光源を円弧上に移動させる円弧レール３と、発光体Ｄを載せる透明の試料載置台４と、画像化体１と光源２と円弧レール３とを一体的に支持しこれらを試料載置台４に対して回転させる支持体５とを備えている。

宝石輝度測定装置２０は、また、スクリーンＰＭに投影される投影像を２回９０度に方向変換する２枚の平面鏡６Ａ、６Ｂと、平面鏡６Ｂから来る反射光画像を撮像するＣＣＤカメラ７と、これらを支持する枠体８とを備えている。

また、宝石輝度測定装置２０は、上記の関連機器を制御し、得られたデータを処理するためのパーソナルコンピュータ本体１１、平面表示パネル１２、キーボード１３、及びマウス１４を備えており、本願で説明する機器の作動を制御し、また、データ処理を行って、必要なデータを得ることができる。

画像化体１は、図５に示すように、全体としては、平円柱状で、その下内面に放物面スクリーンＰＭが形成され、また、その外側からの光源２の赤色レーザ平行光線ＬＬを、画像化体１内の試料である発光体Ｄに照射するため、少なくとも水平から垂直位置までのスリット１ａが設けられている。また、この画像化体１を支持体５に取り付ける取付穴１ｂを備えている。

このスリット１ａは、非反射部分であり発光体Ｄからの全ての反射光を得るという点では、データの欠落となるものである。しかし、試料の大きさに応じて入射光の幅を狭くすることで、観測範囲内での欠落部分を小さくすることもできる。実施例では半径100mmの円形領域のうちの幅10mm×長さ105mmの範囲が欠落部分となっているだけで、全体のデータへの影響は少ない。

光源２は、円弧レール３上を円滑に動き、かつ、任意角度位置でその角度を保持できるように、サーボモータ等の制御性のよい電動駆動手段で駆動されている。この円弧レール３は、画像化体１の外側に支持体５を介して固定されている。

このような装置２０で、発光体Ｄを試料載置台４に固定設置しながら、光源２を円弧レール３を移動停止させて、平行光ＬＬの傾きを０度から９０度まで変え、また、支持体５によって、固定された発光体Ｄに対し、光源２を放物線の焦点を含む中心線を垂線とする平面上で回転されることができる。

なお、スリットを設けないで、放物面スクリーンＰＭや放物面鏡の内側に円弧軌道を移動する小形の平行光線の光源を設定して、発光体Ｄに平行光線を照射するようにしてもよい。

図６（ａ）は、このような装置を用いて、ある角度位置で赤色レーザー光の平行光線ＬＬを発光体Ｄ（ダイヤモンド）に入射させた時の発光（散乱光・赤色）を放物面スクリーンＰＭに反射させた輝点（光）ＳＢをモノクロ化し、白黒反転で示したものである。得るべき画像は、放物面スクリーンＰＭを無限遠点から観察したものになるが、放物面スクリーンＰＭの形状が既知であるので、観察される各輝点ＳＢの仮装球面ＬＤ上の位置と、輝点サイズとしての立体角ＳＶは、中心点からの距離と位置によって、変換・換算することができる。

図６（ｂ）は、図６（ａ）の観測像を「２値化」した画像を示す。つまり、各輝点ＳＢのサイズＳＶを計測するために「２値化処理」（白黒濃淡の画像を０ｏｒ１の形状データに変換する）を施してサイズ分布を統計計測するのである。この「２値化」に際して、閾値を調整することで輝点の強度・コントラストの統計分布を解析することも可能となる。

図７は、図５（ｂ）で２値化した画像から得られた輝点ＳＢを仮想球面ＬＤ上の立体角分布として変換した後に、サイズＳＶの度数分布（ヒストグラム）としてグラフ化したグラフを示すものである。
光源ＬＦの位置を仮想球面ＬＤ上での極座標（θ、φ）を変えながら走査し、立体角ＳＶ（ステラジアン、ｓｔｒａｄ．）分布の総和からグラフ化したものである。

その結果、立体角ｄΩ（ｓｔｒａｄ．）に対する輝点ＳＢの個数Ｎが指数関数に比例する、つまり
Ｎ（ｄΩ）＝Ｎ０ｅｘｐ｛−λｄΩ｝（λ＞０、Ｎ０は定数）式（２１）
という経験則が得られた。

図７に示すヒストグラムは、光源ＬＦの極座標位置（θ、φ）を１０点（（０度，０度），（３０度，０度），（３０度，９０度），（６０度，０度），（６０度，４５度），（６０度、９０度），（９０度，０度），（９０度，３０度），（９０度，６０度），（９０度，９０度））で変えながら観測した輝点すべてについて、換算後のｄΩの度数分布を計数したものである。

このヒストグラムについて、横軸は立体角ｄΩ、縦軸はｄΩについての各区間範囲の立体角を持つ輝点ＳＢの個数Ｎ（ｄΩ）を示す。

なおこの１０点は全球面の１／８上をほぼ平均的に選んだ入射方向と考えるが、入射光の方向について更に点数を増やし、走査ステップを密にすることで精度が向上するとともに、観測点数の数も増すことができる。また、よりひろい角度範囲について光源ＬＦを移動させて照射させることも可能である。

この度数分布データから得られる「散乱体の光り方」の指標となる数値は、
（１）ｄΩについての度数分布が指数関数的になる区間（おおよそｄΩ＝０〜１．５×１０^−４ｓｔｒａｄ．）の減衰率λ、
（２）一定の範囲以上の大きさを持つ（立体角ｄΩが大きな。たとえばｄΩ＞２ｘ１０^−４ｓｔｒａｄ．）輝点の個数であると考えられる。

更に「２値化」という画像処理時の閾値を変えることで減衰率λが変化する。ここから導かれる輝点の立体角の統計的平均値を比較することで
（３）各散乱体の輝点を強度として見たときのコントラストに関する指標、が計算できる。つまり度数分布を解析することで、
１）ｄΩの大きな輝点が多い試料か、小さなものが多い試料か、
２）ｄΩの絶対値が大きな輝点を多く散乱させる試料か、
３）輝点のコントラストが際立つ試料か、についての指標を数値化することができる。

＜サイズの度数分布（ヒストグラム）の指数関数＞
これらの指標のうち、「ｄΩの大きな輝点が多い試料か、小さなものが多い試料か」の判断基準となる「指数関数的領域」から得られる「度数分布の減衰係数λ 」を上記の例で示す。

立体角ｄΩを示す輝点の個数Ｎ（ｄΩ）がＮ（ｄΩ）＝Ｎ０ｅｘｐ｛−λｄΩ｝の分布を持つと仮定してＮ（ｄΩ）の対数ｌｎ｛Ｎ（ｄΩ）｝を取り、それをｄΩについてプロットすると図８に示すように、ほぼ直線関係が得られる。

このときの直線の傾きが減衰係数の符号を変えた値（ −λ）に相当するので、
・λが大きい試料＝立体角ｄΩの輝点の個数Ｎ（ｄΩ）が早く減衰する
＝大きな立体角ｄΩを持つ輝点の個数が相対的に少ない試料
・λが小さい試料＝立体角ｄΩの個数Ｎ（ｄΩ）が緩やかに減衰する
＝大きなＮ（ｄΩ）を持つ輝点の個数が相対的に多い試料
という指標になる。

以上の結果、本発明の宝石輝度測定装置２０によれば、放物面スクリーンＰＭを用い、その焦点に測定すべき宝石Ｄを置き、前記放物面鏡Ｐに設けられたスリット１ａから、少なくとも放物面スクリーンＰＭの中心軸ｙに垂直な方向から該中心軸に一致する方向まで、少なくとも該スリット１ａと該宝石Ｄとを少なくとも９０度相対的に回転させて、レーザ光ＬＬを前記宝石Ｄに照射し、その際に該宝石Ｄから発生して前記放物面スクリーンＰＭで反射された光の撮像データを解析して、該宝石Ｄの発光する光ＳＢの大きさと個数とを算出することができ、これにより、実際と同様に光を受けた場合に輝く宝石の光の大きさと個数とを客観的に安定した精度で測定することができる。

本願の発明者は、宝石Ｄの発光する大きな光ＳＢの個数が多いほど、感覚的に良く光る、輝く宝石であると考え、この宝石輝度測定装置２０によって、宝石、特に、ダイヤモンドの輝きの客観的測定ができるものと考えている。今後、なるべく多くの宝石の測定を行い、人が感じる輝きと、この装置２０による測定値との対応関係を明確にして行きたい。

なお、例示した反射型放物面スクリーンＰＭの代わりに、放物面鏡としても同様の効果
を得ることができる。
＜本発明の基礎となる実施形態＞

実施形態２

図９は、放物面と仮想球面との関係を示す概念図であり、この図を用いて、本発明の宝石輝度測定装置と同じ原理に基づく発光分布測定装置の概念的な構成について説明する。

この発光分布測定装置３０は、自ら発光する発光体Ｄの立体的な発光分布を測定する装置であって、放物面鏡ＰＭ１あるいは放物面スクリーンＰＭ１を用い、該放物面鏡ＰＭ１を用いて、その焦点Ｏに発光体Ｄを置き、その放物面鏡ＰＭ１の中心軸ｙ上から、前記発光体Ｄから発光され、前記放物面鏡ＰＭ１によって反射された光をＣＣＤカメラＣＡで撮像し、あるいは、該放物面スクリーンＰＭ１を用いて、その焦点Ｏに発光体Ｄを置き、その放物面スクリーンＰＭ１の中心軸ｙ上から、前記発光体Ｄから発光され、前記放物面スクリーンＰＭ１に投影された光を撮像し、上記いずれかの撮像データを解析して、前記発光体Ｄの立体的な発光分布を測定することを特徴とするものである。

この際、図上で、発光体Ｄから発光される光ＳＢ１からＳＢ６が、放物面鏡ＰＭ１で反射され、あるいは、放物面スクリーンＰＭ１に投影された各光点Ｐ１〜Ｐ６を撮像し、これらの投影光あるいは反射光Ｌ１〜Ｌ６は、中心軸ｙに平行で、その各光点の位置ｒ１〜ｒ６と、サイズｄＳ１〜ｄＳ６から、仮想球面ＶＳ１上の光点Ｑ１〜Ｑ６の位置θ１〜θ６とサイズｄΩ１〜ｄΩ６とを、それぞれ、上述した方法で算出することができる。

この際、この図９で明確に解るように、また、既に説明したように、仮想球面ＶＳ１上の光点Ｑ１〜Ｑ６の位置θ１〜θ６とサイズｄΩ１〜ｄΩ６とを簡単に計算でき、加えて図示したような放物面ＰＭ１と仮想球面ＶＳ１との関係から、一回の撮像で、発光体Ｄの仮想球面ＶＳ１の内３π／４（ｒａｄ．）までの画像が得られ、実用的には十分である。

また、放物面上の光点Ｐ１〜Ｐ６と、仮想球面上の光点Ｑ１〜Ｑ６との関係を見てもらうと解るように、概ねどの方向への発光についても、ＰとＱの対応関係が変換精度良く変換できる関係となっていて、安定した精度で変換できる。

また、放物面鏡を用いて、撮像する場合には、スクリーンＳＣ１を用いても良いし、用いなくとも良く、理想的にＣＣＤカメラＣＡの位置は、無限遠点が望ましいが、近くにおいても、角度変換は容易である。

一方、放物面スクリーンを用いる場合は、ＣＣＤカメラＣＡは、凸側においても、凹側に置いてももよくなり、装置の設計自由度が高まり、また、装置の小型化も可能となる。また、放物面スクリーンは、透過性のある合成樹脂などの素材からなるとすることができ、製造コストを下げることができる。

また、試料から放射される光が紫外線・Ｘ線のような不可視光である場合に、放物面スクリーンの素材として蛍光体を用いることで、発光測定ができる。

こうして、この発光分布測定装置３０によれば、放物面を用いることで、自ら発光する発光体の広い角度範囲の発光分布を客観的にかつ簡易精確に測定することができる。

つまり、本願では、放物面（鏡、スクリーン）を用いることで、発光体（みずから光ないものを含む。）の発する光を、放物面の中心軸に平行な光とすることができ、これを平面的な受光体であるＣＣＤカメラで撮像したデータから、この発光体の発する光の分布を立体的に測定することができるのである。

図１０は、代表的なダイヤモンドのカットを示す図であり、これを用いて、ダイヤモンドについての概説と、その輝度測定の現状と、本願の宝石輝度測定装置を製作するに至った経緯について説明する。なお、この図１０は、ＧｅｍｏｌｏｇｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｍｅｒｉｃａ（Ｇ．Ｉ．Ａ．米国宝石学会）が１９７２年に発行した「ＴＥＸＴＢＯＯＫ」のＡＳＳＩＧＮＭＥＮＴ１５のＦＩＧＵＲＥ６を引用したものである。

ダイヤモンドの価値評価の基準としては、４Ｃと呼ばれているものがあり、１．カラット（重さ）、２．カラー（色）、３．カット（プロポーション、シンメトリー及びポリッシュ）、４．クラリティー（内包物の質と量）である。

この内、ダイヤモンドの輝きに関与するものは、カットとクラリティ−であるが、クラリティ−は、自然によって作られるものであって、人が関与することはできない。一方、カットについては、ダイヤモンド粒子を用いた砥石で、ダイヤモンドの表面を研磨することで輝きを増減することができる。

現在、そのダイヤモンドのカット形状としては、一般的に、５８面体カット（キュレットを含む。）か、５７面体カット（キュレットを含まない。）が採用されており、本願出願人もこの、５７あるいは５８面体カットを支持するものであり、図１０はその５８面体カットの各部分の形状と名称を示している。

まず、５８面体カットの形状は、大きく分けて、人に見える側のクラウン（CROWN）とその反対側のパビリオン(PAVILION)と、これら両者の境目の外縁部分であるガードル(GIRDLE)とから構成されている。なお、ガードル(GIRDLE)及びキュレット（CULET）部分に「(enlarged)」とあるのは、「拡大した」という意味である。

クラウン（CROWN）は、その天頂面の８角形のテーブル（TABLE)と、このテーブルの各辺から下方へ傾斜した８つの三角形のスターファセット(STAR FACET)と、このスターファセットの隣り合う辺を含んでガードルに達するほぼ菱形の下方へ傾斜した８つのベーゼルファセット（BEZEL FACET）と、ベーゼルファセット間とガードル間の面を二つの直線辺を一つの円弧辺でつないだ１６のアッパーガードルファセット(UPPER-GIRDLE FACETS)とから構成されている。

パビリオン(PAVILION)は、ガードルからキュレットに向かう一対の短辺と一対の長辺からなる菱形状の８のパビリオンファセット(PAVILION FACET)と、パビリオンファセット間の長辺と、ガードル(GIRDLE)に達する円弧辺である１６のロアーガードルファセット(LOWER-GIRDLE FACETS)と、底面を形成する８角形のキュレット（CULET）とから構成されている。

このような５８面体カットは、通称、ラウンドブリリアントカット(ROUNDBRILLIANT CUT)と呼ばれているので、その表記が図の下方にある。なお、図４の測定装置での測定の場合、発光体であるダイヤモンドは、キュレットを下に、テーブルが上になるように試料載置台４にセットされるが、測定の目的に応じて、異なる姿勢で発光体をセットしてもよい。

これらのカット面は、原則として、平面であり、各カット面間の相互角度も詳しく定められており、その基準角度と平面度でカットされたダイヤモンドは最も美しく輝くというのが一般に言われていることである。

しかしながら、ダイヤモンドについては、その硬度が一番高いので、そのダイヤモンドを磨くのにもダイヤモンド粒子を含んだ砥石を使う必要があり、ある面を研磨すると、その面が研磨されると同時に砥石も減っていく、という関係があり、精確に目標とする基準角度と平面度でカットすることは不可能である。

現実に市販されているダイヤモンドの各カット面相互間の角度は、少なくとも小数点以下２桁の誤差があり、このような誤差のあるダイヤモンドに入射した光は、ダイヤモンド内で複雑な反射、屈折を繰り返して、最終的に散乱光として発光するが、その角度は、上記角度誤差が大きく影響して、理想的な散乱光が出てこない、という状況である。

そこで、客観的にダイヤモンドの輝きを測定する装置として、特許文献１のものが、現存しているが、上述したような問題を抱えている。一方、米国宝石学会（Gemological Institute of America ）で宝石鑑定の技術と経験を積んだ者が、ＧＧ（グラジュエイト
・ジェモロジスト）として、ダイヤモンドの鑑定を行っているが、所詮、人の目による鑑定であり、客観的なものではない。

また、カット数を増やして、６６面、１００面、１４４面、１９４面、２１０面などとして、輝きを増そうという提案もあるが、これらは、確かに細かい輝きの数は増えるかも知れないが、それが本当にダイヤモンドとしての上質な輝き、見た人に感動をあたえる輝きであるとはいえないし、また、上述のカット精度の問題も面数を増やせば増やすほど大きくなる。

また、カットの面と面との関係に特殊な条件を設けてカットすることで、ダイヤモンドの輝きを増すという特許発明も提案されているが、上述のカット精度の問題から、その条件を満たすように正確にカットすることができない以上、この特許発明の効果とする輝きの増加という効果も期待しがたいものと思われる。

そこで、本願出願人は、永年のダイヤモンド鑑定士としての経験を踏まえ、大きな面積の光をより多く出光するものが、ダイヤモンドとして上質な輝き、見た人を感動させる輝きを与えるものであることを踏まえ、今回の宝石輝度測定装置で、それらの値を客観的に測定することができるようにしたものである。

また、本出願人は、この宝石輝度測定装置の原理は、自ら発光する発光体の発光分布にも有効であると感じ、上述の発光分布測定装置をも提案することにしたものである。

なお、本発明の発光分布測定装置及び宝石輝度測定装置は、上記の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲、実施形態の範囲で、種々の変形例、組み合わせが可能であり、これらの変形例、組み合わせもその権利範囲に含むものである。

また、本発明の発光分布測定装置及び宝石輝度測定装置によれば、各輝点のサイズの立体角と方向の立体角を測定できるので、以下のようなことも可能である。
（１）輝点の異方性（「いびつ」の度合い。円形に近い輝点や、尾を引いた彗星のような形の輝点を統計的に測ることができる。
（２）特定方向からの光源入射（方位角（α、β））に対して、輝点の仮想球面内での位置分布（方位（θ、φ）での分布）の程度を測ることができる。たとえば、「北極近くに集中して輝点が出やすい試料」に対して、「北半球にほぼ一様に分布した輝点が出る試料」を定量的に区別することができる。
（３）光源を動的に移動させたときに、特定の輝点がどの程度の角度範囲に亘って見えるか、が分かる。つまり、動いていく一つ一つの輝点の動きを追跡できる。

また、実施例では「試料を固定して光源を方位角α、βで動かす」という装置ではあるが、「放物面凹面ミラー・スクリーンを使った上で、たとえば光源位置を北極に固定し、試料側を方位角α、βで振る」（ゴニオメータ）という相対的な移動方法を用いてもよい。

本発明の宝石輝度測定装置は、実際と同様に光を受けた場合に輝く宝石の光の大きさと個数とを客観的に安定した精度で測定することができることが要請される宝石の鑑定に関する産業分野に用いることができる。

Claims

宝石が外光を受けて輝く輝きの立体的な分布を測定する宝石輝度測定装置であって、放物面鏡または放物面スクリーンと、その焦点に宝石を置くための試料載置台と、平行光を発生させる光源と、前記光源からの平行光を受けて前記宝石から発生して前記放物面鏡で反射され、あるいは、前記放物面スクリーンに投影された光を平面的な画像として撮像する撮像手段とを備え、
前記試料載置台に測定すべき宝石を置き、前記光源からの平行光を少なくとも放物面鏡または放物面スクリーンの中心軸から該中心軸に垂直な方向まで、かつ、少なくとも前記平行光と該宝石とを前記中心軸回りに少なくとも９０度相対的に回転させて、前記宝石に照射し、その際に該宝石から発生して前記放物面鏡または放物面スクリーンで反射または投影された光の平面的な撮像データを前記撮像手段で撮像し、こうして得られた平面的な撮像データから、該宝石の発光する光の立体的な発光分布（その光の大きさと個数とを含む）を算出する宝石輝度測定装置。