(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンドの発光特性における１又は複数の特定のマーカの有無を試験することによって、前記ダイヤモンドが天然であるかどうかについての前記ダイヤモンドの指標を提供する方法であって、前記マーカは、発光減衰時間及び発光波長によって特徴付けられ、前記方法は：
電磁放射の少なくとも１つの励起パルスで前記ダイヤモンドを照射するステップと、
前記励起パルス中及び／又は前記励起パルスの後に、発光データを得るために前記励起パルスに対して所定の時間関係を有する少なくとも１つの時間窓で前記ダイヤモンドによって放出される光を検出するステップであって、前記時間窓又はそれぞれの前記時間窓は、前記マーカの１又は複数の減衰時間特性を有する発光を含むように選択される、ステップと、
前記の１又は複数のマーカの有無を確立するために前記発光データを分析するステップと、
を含む、
方法。
【請求項２】
それぞれの前記励起パルスに関連するそれぞれの前記時間窓の前記発光データから画像を得るステップを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ダイヤモンドを複数の励起パルスで照射するステップと、
それぞれの前記励起パルスに関連する少なくとも１つの時間窓から発光データを得るために前記ダイヤモンドによって放出される光を検出するステップと、
をさらに含み、
前記時間窓又はそれぞれの前記時間窓は次の前記励起パルスの開始前に閉じられる、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記励起パルスの全てに関連する前記発光データを組み合わせるステップをさらに含む、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記発光データを組み合わせるステップは、それぞれの前記励起パルスに関連する特定の時間窓内で得られる前記発光データを、その時間窓内で放出される前記光の平均化された画像又はスペクトルを生成するよう、前記励起パルスの全てにわたって平均化するステップを含む、
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
それぞれの前記励起パルスに関連するそれぞれの前記時間窓に関して前記発光データから画像を得るステップを含み、前記発光データを組み合わせるステップは、前記励起パルスの全てについての特定の時間窓からの前記画像をユーザに表示するステップを含む、
請求項４又は５に記載の方法。
【請求項７】
前記画像は、前記ユーザにビデオの形態で表示される、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記励起パルスのソースを光検出器と同期させるステップをさらに含む、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記発光データが燐光データを含むように、関連する前記励起パルスが終了した後に時間窓を開くステップをさらに含む、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記発光データが蛍光データを含むように、関連する前記励起パルスの開始と同時に又は前記関連する励起パルスの開始の直後に時間窓を開き且つ前記関連するパルスが終了する前又は前記関連するパルスが終了すると同時に前記時間窓を閉じるステップをさらに含む、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
１より多い前記マーカの有無を試験するステップを含む、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記１又は複数のマーカのうちの１つは、約８０ｍｓ未満の減衰時間及び約４５０ｎｍでピークに達する波長帯の発光を含む青色の速い燐光マーカである、
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記青色の速い燐光マーカの試験は、前記励起パルスの終了時又は前記励起パルスの終了後に開き且つ関連する前記励起パルスの終了の約８０ミリ秒後に終了する時間窓で、約４５０ｎｍでピークに達する発光帯について試験することを含む、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記青色の速い燐光マーカの存在は、前記ダイヤモンドが天然のＩＩａ型又はＩａ型ダイヤモンドであることの指標である、
請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記１又は複数のマーカのうちの１つは、約８０ミリ秒より大きい減衰時間及び約４８０ｎｍでピークに達する波長を有する発光を含む青緑色の遅い燐光マーカである、
請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記青緑色の遅い燐光マーカの試験は、関連する前記励起パルスの終了の約８０ミリ秒後に開く時間窓で、約４８０ｎｍを中心とする発光帯について試験することを含み、前記時間窓はオプションで、前記関連する励起パルスの前記終了の約５００ｍｓ後に閉じる、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記青緑色の遅い燐光マーカの存在は、前記ダイヤモンドがＩＩｂ型ダイヤモンドであるという指標である、
請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記１又は複数のマーカのうちの１つは、約５３０ｎｍから約５５０ｎｍの間の波長及び８０ミリ秒より大きい減衰時間を有する発光を含む緑色の遅い燐光マーカである、
請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記緑色の遅い燐光マーカの試験は、関連する前記励起パルスの終了のほぼ後に開く時間窓で、約５３０ｎｍから約５５０ｎｍの間の発光帯について試験することを含み、前記時間窓はオプションで前記関連する励起パルスの前記終了の約５００ｍｓ後に閉じる、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記緑色の遅い燐光マーカの存在は、前記ダイヤモンドがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標である、
請求項１８又は１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記１又は複数のマーカのうちの１つは、前記励起パルスが終了した後、前記ダイヤモンドが発光を示さない又は無視できる発光を示す欠如マーカである、
請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記欠如マーカの存在は、前記ダイヤモンドがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標である、
請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記１又は複数のマーカのうちの１つは、約５３５ｎｍから約６００ｎｍの間の波長及び１ミリ秒未満の減衰時間を有する発光を含むオレンジ色の長寿命蛍光マーカである、
請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
前記オレンジ色の長寿命蛍光マーカの存在は、前記ダイヤモンドがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標である、
請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記１又は複数のマーカのうちの１つは、約５７５ｎｍから約６９０ｎｍの間の波長及び１ミリ秒より大きい減衰時間を有する発光を含む赤色の燐光マーカである、
請求項１乃至２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
前記赤色の燐光マーカの存在は、前記ダイヤモンドがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標である、
請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記１又は複数のマーカのうちの１つは、約５１０ｎｍの波長を有する弱い緑色の蛍光マーカである、
請求項１乃至２６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
前記弱い緑色の蛍光マーカの試験は、前記励起パルスと同期した前記時間窓での試験を含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記弱い緑色の蛍光マーカの存在は、前記ダイヤモンドがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標である、
請求項２７又は２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記励起パルスの前記電磁放射は、紫外線スペクトルにあり、オプションで、２２５ｎｍ以下の波長を有する、
請求項１乃至２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３１】
ダイヤモンドの発光特性を測定することによって前記ダイヤモンドが天然であるかどうかについての指標を提供するための装置であって、前記装置は：
電磁放射のソースと、
前記ダイヤモンドによって放出される可視光をキャプチャする光検出装置と、
制御システムであって、
前記ソースと前記光検出装置とを同期させ、
前記ソースに電磁放射の少なくとも１つの励起パルスで前記ダイヤモンドを照射させ、且つ
前記光検出装置に、発光データを得るために前記励起パルスに対して所定の時間関係を有する少なくとも１つの時間窓の中で前記ダイヤモンドによって放出される可視光をキャプチャさせる、
ように構成される、制御システムと、
を有し、
前記時間窓又はそれぞれの前記時間窓は、前記ダイヤモンドの前記発光特性における１又は複数の特定のマーカを包含するように選択され、前記マーカは、発光減衰時間及び発光波長によって特徴付けられるとともに、前記ダイヤモンドが天然であるかどうかの指標を提供する、
装置。
【請求項３２】
前記制御システムは、前記ソースに一連の励起パルスで繰り返し前記ダイヤモンドを照射させるように構成され、前記少なくとも１つの時間窓は、各前記励起パルスに関連付けられるとともに後続の励起パルスの開始前に閉じるように構成される、
請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
マーカが存在するかどうかを判定するために、前記励起パルス又は各前記励起パルスに関連する前記発光データを分析するプロセッサをさらに有する、
請求項３１又は３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記プロセッサは、前記励起パルスの全てに関連する前記発光データを組み合わせるように構成される、
請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記プロセッサは、多くの前記励起パルスにわたって取得された前記発光データを平均することによって前記発光データを組み合わせるように構成される、
請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記プロセッサは、それぞれの前記励起パルスに関連するそれぞれの前記時間窓の前記発光データから画像を得るように構成される、
請求項３３乃至３５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３７】
前記画像をユーザに表示するための表示装置をさらに有する、
請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記表示装置は、前記励起パルスの全てに関して特定の時間窓からの前記画像をユーザに表示するように構成される、
請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記時間窓又は複数の前記時間窓は、前記ダイヤモンドの前記発光特性における１より多い前記マーカを包含するように選択される、
請求項３１乃至３８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４０】
ダイヤモンドの燐光を測定するように構成され、前記制御システムは、前記光検出装置を、関連する前記励起パルスが終了した後に開く時間窓の中で可視光をキャプチャするように設定する、
請求項３１乃至３９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４１】
ダイヤモンドの蛍光を測定するように構成され、前記制御システムは、前記光検出装置を、関連する前記励起パルスが始まると同時に開き且つ前記関連する励起パルスが終了する前に又は前記関連する励起パルスが終了すると同時に閉じる時間窓の中で可視光をキャプチャするように設定する、
請求項３１乃至４０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４２】
前記制御システムは、前記励起パルスの開始又は前記励起パルスの終了に対する時間窓開始時間、時間窓の長さ、励起パルスの数、励起パルスの周波数のうちの１又は複数がオペレータ制御可能にできるように構成される、
請求項３１乃至４１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４３】
前記制御システムは、ユーザが前記励起パルスをトリガすることを可能にするように構成される、
請求項３１乃至４２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４４】
前記装置は、前記ダイヤモンドが天然であるかどうか、又はさらなる分析が必要とされるかどうかを、視覚的又は聴覚的に示すように構成される、
請求項３１乃至３５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４５】
前記励起パルスの前記電磁放射は、紫外線スペクトルにある、
請求項３１乃至４４のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンドの発光特性の測定のための方法及び装置に関する。特に、排他的ではないが、本発明は、ダイヤモンドが天然であるかどうかの検出へのこのような測定の適用に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＨＰＨＴ（高圧高温）、ＣＶＤ（化学蒸着）又は他の工業的、非地質的プロセスによって製造された合成又は人工ダイヤモンドは、広範な産業用途を有するが、現在は宝石産業のわずかな割合しか形成していない。人工であるため、類似の色及び品質の天然ダイヤモンドに付随する高い価値を引き付けることはなく、合成ダイヤモンドを天然のものから識別して分離する信頼できる手段を提供することが消費者の視点から明らかに望ましい。
【０００３】
処理されたダイヤモンドは、通常その色または品質の点で、その物理的特性を改善するように人工的に強化された天然ダイヤモンドである。色の変化は、コーティング、照射および加熱の適用のような処理を介して誘導することができる。高温での加熱は、ダイヤモンドのグラファイトへの転換をもたらすことがあり、これは、加熱中に安定化圧力、いわゆる高圧高温（ＨＰＨＴ）処理を適用することによって回避される。品質は、可視性を低下させるための亀裂の充填及びレーザー穴あけを使用する含有物の除去のような処理の適用によって、改善されることができる。このように処理されたダイヤモンドもまた、処理されていない同等のダイヤモンドより低い価値があると考えられ、そのような処理の検出技術は、ダイヤモンドの購入者が購入に関する完全な情報に基づいた決定を下すことができることを確実にする重要な部分である。
【０００４】
宝石の原産地を特定する作業は、通常、鑑定書又は評価の準備の過程で、ダイヤモンド鑑定人、グレーダー又は宝石学者に委ねられる。ダイヤモンドの起源は市場価値の重要な要素であり、宝石学者にとって最も重要である。天然由来のダイヤモンドと工業プロセス（合成物とも呼ばれる）から製造されたものとを区別するために使用できる数多くの特性があるが、天然ダイヤモンド及び合成プロセスの固有の変動性は、そのような作業を困難かつ煩わしいものにする。
【０００５】
有用であることが判明している１つの特性は、ダイヤモンドがエネルギ源、最も一般的であるが排他的ではない、電磁放射線によって照らされる（又は励起される）ときの発光（luminescence）の放射である。宝石学者は通常、おそらく低圧水銀灯の放射の一般的な線である３６５ｎｍ又は２５４ｎｍ（ナノメートル）の波長の放射を放出する紫外線ランプを有し、蛍光と呼ばれるものを観察するかもしれない。蛍光は、紫外線励起がオンのときにのみ生成されると特徴づけられる発光の一種である。燐光も観察されることができ、燐光は、残存するが一旦励起が除去されると減衰する発光の一種である。存在する任意のそのような発光の解釈を通じて、それらの観察可能な時間的特徴、色及び空間分布の推論を手近な作業に考慮に入れることが、当業者に知られているように、引き出されるかもしれない。
【０００６】
特許文献１に開示されたようなDiamondView（登録商標）は、より洗練された観察を可能にする。特に、それは、一次吸収端に対応し、非常に少量（約１μｍ）しかダイヤモンドの表面に浸透しない短波長紫外線放射（２２５ｎｍ未満の波長を有することを特徴とする）の光源（ソース）を提供するので、観察された発光が表面で生成されると考えることができる。開示される装置は、観察された発光及び燐光の画像が記録されることができるように、高感度カメラを組み込むこともできるが、これは本質的な特徴ではない。
【０００７】
有能な宝石学者は、蛍光及び燐光という用語は便利であるが、単に発光の時間特性を説明するゆるやかな方法であることを理解するであろう。彼らは、人間の観測の時間スケールで、急速に又はゆっくりと減衰する放射を記述している。驚くことではないが、発光の時間的特性ははるかに複雑である。例えば、仮定的に非常に短い励起パルスにさらされる場合、発光はピコ秒から数十秒の時間スケールで減衰することが観察されることが知られている。基礎となる放射性及び競合する非放射性プロセスの動態に応じて、指数関数的減衰又はべき乗則減衰（power  law  decay）のような、複数の可能な減衰法則もあり得る。さらに、サンプルは、複数の場所のそれぞれにおいて放射色又は波長及び時間特性の組合せを示すことができる。
【０００８】
前記宝石学者は、前記時間的、空間的及びスペクトル的特性のより完全な理解が当面の作業にとって有利であるが、本質的に目で実行できるものを超えて妥当な時間および経済的コストで実用的な方法で必要な観察を行うための便利な装置及び方法が不足していることも知っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】ＵＳ５８８３３８９
【発明の概要】
【００１０】
本発明の１つの態様によれば、ダイヤモンドの発光特性における１又は複数の特定のマーカの有無を試験することによって、それが天然であるかどうか及び／又はどのタイプ（型）であるかについての指標を提供する方法が提供され、前記マーカは、発光減衰時間及び発光波長によって特徴付けられる。
【００１１】
本方法は、電磁放射の少なくとも１つの励起パルスでダイヤモンドを照射するステップと、励起パルス中及び／又はその後に、発光データを得るために励起パルスに対して所定の時間関係を有する少なくとも１つの時間窓（time  window）でダイヤモンドによって放出された光を検出するステップとを含み得る。時間窓又はそれぞれの時間窓は、マーカの１又は複数の減衰時間特性を有する発光を含むように選択される。発光データは、１又は複数のマーカの有無を確立するために、分析される。
【００１２】
減衰時間は、励起された分子の数が１／ｅ又は３６．８％に減衰するのに要する時間として定義され得る。したがって、励起パルス中又は励起パルス後の特定の時間窓において放出される発光は、所定のマーカが存在するかどうかを識別するために使用されることができる。
【００１３】
励起パルスの放射は、紫外スペクトルであってよく、オプションで２２５ｎｍ以下であってよい。
【００１４】
ダイヤモンドは複数の励起パルスで照射されることができる。その後、発光データは、各励起パルスに関連する少なくとも１つの時間窓から得られることができ、各時間窓は次の励起パルスの開始前に閉じられる。
【００１５】
複数の励起パルスが使用される場合、パルスの全てに関連する発光データが組み合わされることができる。この組み合わせは、各励起パルスに関連する特定の時間窓で得られた発光データが、その時間窓内で放出された光の平均化された画像又はスペクトルを生成するようパルスの全てにわたって平均化されるように、平均化の形態であってよい。これは、非常に狭い時間窓で放出されるスペクトル線の信号対雑音を改善することができ、例えば、非常に特有の波長及び減衰特性を有するマーカを分離することを可能にする。同様に、平均画像は、さもなければユーザには見えない特定の減衰時間からの特徴を表示することができる。
【００１６】
代替的に（又は追加的に）、個々の画像が各時間窓から得られるならば、発光データの異なる形態の組み合わせが可能であり得る。発光データのこの組み合わせは、オプションでビデオの形態で、全ての励起パルスからユーザに順次、対応する時間窓の画像を表示することによって達成される。これは、ユーザが、画像間の一貫した特徴を識別することによって特徴を抽出することを可能にする。
【００１７】
励起パルスの光源は、光検出器と同期されることができる。発光データが燐光データを含むように、関連する励起パルスが終了した後、個々の時間窓が開かれる。代替的に又は追加的に、発光データが蛍光データを含むように、時間窓が関連する励起パルスの開始と同時に又はその直後に開かれ且つ関連するパルスが終了する前又は同時にその時間窓を閉じることができる。
【００１８】
マーカの１つは、約８０ｍｓ未満の減衰時間及び約４５０ｎｍでピークに達する波長帯の発光を有する青色の速い燐光マーカ（blue  fast  phosphorescence  marker）であってよい。これの試験は、励起パルスの終了時又は終了後に開き且つ関連する励起パルスの終了の約８０ミリ秒後に終了する時間窓で、約４５０ｎｍでピークに達する発光帯について試験することを含み得る。青色の速い燐光マーカの存在は、ダイヤモンドが天然のＩＩａ型又はＩａ型ダイヤモンドであることの指標であり得る。
【００１９】
マーカの１つは、約４８０ｎｍでピークに達する波長及び８０ミリ秒より大きい減衰時間を有する発光を含む青緑色の遅い燐光マーカ（turquoise  slow  phosphorescence  marker）であってよい。これの試験は、関連する励起パルスの終了の約８０ミリ秒後に開く時間窓で、約４８０ｎｍを中心とする発光帯について試験することを含み得る。特に複数の励起パルスが使用される場合、時間窓は、関連する励起パルスの終了の約５００ｍｓ後に閉じられ得る。青緑色の遅い燐光マーカの存在は、ダイヤモンドがＩＩｂ型ダイヤモンドであるという指標であり得る。
【００２０】
マーカの１つは、約５３０ｎｍから約５５０ｎｍの間の波長及び８０ミリ秒より大きい減衰時間を有する発光を含む緑色の遅い燐光マーカであってよい。このマーカの試験は、関連する励起パルスの終了のだいたい後に開く時間窓で、約５３０ｎｍから約５５０ｎｍの間の発光帯について試験することを含み得る。また、時間窓はオプションで関連する励起パルスの終了の約５００ｍｓ後に閉じ得る。緑色の遅い燐光マーカの存在は、ダイヤモンドがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標であり得る。
【００２１】
マーカの１つは、励起パルスが終了した後に無視できる発光が検出される「欠如」マーカであり得る。このようなマーカの存在は、ダイヤモンドがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標である。
【００２２】
マーカの１つは、約５３５ｎｍから約６００ｎｍの間の波長及び１ミリ秒未満の減衰時間を有する発光を含むオレンジ色の長寿命蛍光マーカであってよい。オレンジ色の長寿命蛍光マーカの存在は、ダイヤモンドがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標であり得る。
【００２３】
マーカの１つは、約５７５ｎｍから約６９０ｎｍの間の波長及び１ミリ秒より長い減衰時間を有する発光を含む赤色の燐光マーカであってよい。赤色の燐光マーカの存在は、ダイヤモンドがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標であり得る。
【００２４】
マーカの１つは、約５１０ｎｍの波長を有する弱い緑色の蛍光マーカであってよい。弱い緑色の蛍光マーカの試験は、励起パルスと同期した時間窓での試験を含み得る。弱い緑色の蛍光マーカの存在は、ダイヤモンドがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標であり得る。
【００２５】
本発明の別の態様によれば、ダイヤモンドの発光特性を測定することによって、ダイヤモンドが天然であるかどうか及び／又はダイヤモンドの種類についての指標を提供するための装置が提供される。この装置は、電磁放射のソースと、ダイヤモンドによって放出される可視光を取り込む（キャプチャする）光検出装置と、制御システムとを有する。制御システムは、ソースと光検出装置とを同期させ、ソースに電磁放射の少なくとも１つの励起パルスでダイヤモンドを照射させ、且つ光検出装置に発光データを得るために励起パルスに対して所定の時間関係を有する少なくとも１つの時間窓の中でダイヤモンドによって放出される可視光をキャプチャするように構成される。時間窓（又は１より多い場合は各時間窓）は、ダイヤモンドの発光特性における１又は複数の特定のマーカを包含するように選択される。マーカは、発光減衰時間及び発光波長によって特徴付けられ、ダイヤモンドのタイプ及び／又はダイヤモンドが天然であるかどうかの指標を提供する。
【００２６】
制御システムは、ソースに一連の励起パルスで繰り返しダイヤモンドを照射させるように構成されることができる。これが当てはまる場合、少なくとも１つの時間窓は、各励起パルスに関連付けられるとともに後続の励起パルスの開始前に閉じるように構成される。
【００２７】
この装置は、マーカが存在するかどうかを判定するために、そのパルス又は各パルスに関連する発光データを分析するためのプロセッサを有することができる。プロセッサは、パルスの全てに関連する発光データを組み合わせるように構成され得る。この組み合わせは、多くのパルスにわたって取得された発光データを平均することによるものであってもよく、及び／又は各励起パルスに関連する各時間窓の発光データから画像を得ることと表示装置を介して画像を順に表示することとを含み得る。
【００２８】
制御システムは、励起パルスの開始又は終了に対する時間窓開始時間、時間窓の長さ、励起パルスの数、励起パルスの周波数のうちの１又は複数をオペレータ制御可能にするように構成されることができる。制御システムはまた、ユーザが単一の励起パルス（及び関連する発光データキャプチャ）又は励起パルスの短いセットをトリガすることを可能にするように構成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】長寿命燐光測定の既知の方法のグラフ表示である。
【図２】蛍光及び／又は短寿命燐光測定のための装置の概略図である。
【図３】短寿命燐光測定の方法のグラフ表示である。
【図４】ダイヤモンドが天然であるかどうかを判定する方法のフロー図である。
【図５】ＩＩａ型天然ダイヤモンドサンプルとＣＶＤ合成ダイヤモンドサンプルの短寿命燐光スペクトルのグラフ表示である。
【図６】天然ダイヤモンドのサンプルにおける時間にわたる燐光のグラフ表示である。
【図７】合成ダイヤモンドのサンプルにおける時間にわたる燐光のグラフ表示である。
【図８ａ】天然ダイヤモンドのサンプルにおけるＵＶＣ励起発光の非同期画像である。
【図８ｂ】天然ダイヤモンドのサンプルにおけるＵＶＣ励起発光の同期画像である。
【図９】ダイヤモンドにおける即発蛍光測定の方法のグラフ表示である。
【図１０】典型的なランプパルス幅及び対応する蛍光測定のグラフ表示である。
【図１１ａ】図２の装置の動作のための第１の設定を示すフロー図である。
【図１１ｂ】図２の装置の動作のための代替設定を示すフロー図である。
【図１２】燐光成分を分離する方法のグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
合成及び処理されたダイヤモンドの基本的な結晶構造及び化学組成は、天然の未処理ダイヤモンドのものと同じであり、したがって、比較的単純な材料のフィンガープリンティング技術（例えば、ラマン分光法及びＦＴＩＲ吸収の単純化された応用）に基づく識別はできない。検出は、通常、ダイヤモンド中に存在する原子不純物中心（atomic  impurity  centres）及びそれらの空間分布における微妙な差に依存する。
【００３１】
原子不純物の空間分布は、天然と合成ダイヤモンドを比較する場合に特に重要である。理論的予測は、ダイヤモンドの平衡成長モードが八面体であり、多くの天然ダイヤモンドが平衡条件の非常に近くで成長し、八面体成長を示すことを示すが、これから逸脱しているダイヤモンドの比較的稀な例がある。合成ダイヤモンドは、平衡条件から離れ且つ天然ダイヤモンドにおいて遭遇しない結晶表面の存在をもたらす成長するダイヤモンドの表面における変化を誘発し得る環境において、十分に成長する。ＨＰＨＴ合成物は、八面体の面を示すが、１又は複数の他の成長表面（典型的には立方体及び十二面体）との組み合わせを示す。非八面体の成長表面は、ＣＶＤ合成物についても観察され、さらにそれらは一般に、成長表面上に明白な段（steps）を示す。
【００３２】
合成におけるこれらの異なる成長モードは、最終結晶の形状において明らかであるが、成長の過程中に異なる結晶方位を持つ表面が異なる速度で不純物を取り込むので、得られる結晶全体に見られる不純物の分布にも影響を及ぼす。これらの違いは、最終的な結晶表面とは異なり、磨かれた宝石が製造されるときに明らかに残存する。これは、ＨＰＨＴ及びＣＶＤ合成物における特定の表面上の成長（成長セクタ）に対応する領域間の不純物レベルの大きいスケール差及びライザ及びテラスの配向の間の差に起因するＣＶＤ合成におけるステップフロー成長に関連するより小さいスケールの変化を生じさせることができる。不純物濃度のこれらの差は、適切な技術を用いてマッピングされるとき特徴的なパターンをもたらし、発光がこれらの分布の画像を生成する非常に敏感な手段を提供する。また、特定の原子不純物の取り込みが大部分の表面で非常に低いので、それが１つの成長セクタでのみ効果的に取り込む（例えば、ＨＰＨＴ合成物の｛１  １  １｝におけるニッケル又はコバルト取り込み）場合もあり得る。
【００３３】
発光を用いるこれらの不純物分布の検出は多くの利点がある。この技術は、非常に低濃度の不純物に敏感であり、発光強度の変化は、関与する不純物の濃度の非常に微妙な変動を明らかにすることができる。天然ダイヤモンドでは、ダイヤモンドの成長中に取り込まれる不純物の濃度の非常に小さな変動が画像化されることができる。観察された強度はまた、天然ダイヤモンドと合成ダイヤモンドとの間の差異を検出する追加の手段を潜在的に提供する発光する不純物に近接した他の不純物の存在によっても影響され得る。不純物中心間の相互作用はまた、観察される発光減衰寿命にも著しい影響を及ぼすことができ、異なる不純物及び相対的な分離の両方が、測定された寿命の変化の程度に影響する。
【００３４】
発光の特徴は、成長の過程中の不純物の取り込みの差異のために生成されたものに排他的に限定されるものではない。天然ダイヤモンドでは、ダイヤモンドは長期間にわたって高温で地球のマントルに存在するので、不純物の中心が変化する可能性があるが、通常は顕著な距離の移動は観察されない。これはしばしば観察された発光の色の変化をもたらす。結晶構造の欠陥はまた、ダイヤモンドが地球のマントル内で変形した結果としても発生する可能性があります。これらの欠陥もまた、発光を示すことができ、他の不純物中心によって放出される発光の特性に影響を及ぼす。
【００３５】
蛍光の色及びパターンは、成長関連の特徴が合成又は天然のダイヤモンドの特徴であるかどうかを判定するために利用されることができる。長寿命の燐光はまた、ダイヤモンドが天然又は合成であるかどうかについての指標を提供するために使用されることができ、天然ダイヤモンドでは稀であり、合成ダイヤモンドではより一般的である。長寿命の燐光は、分離の識別の決定的な手段を提供しないが、合成ダイヤモンドと天然ダイヤモンドとを区別するために他の観察と組み合わせて使用されることができる。
【００３６】
図１は、燐光測定の既知の方法のグラフ表示であり、単一の測定１２が紫外線（ＵＶ）光源（ソース）の除去後に行われている。ダイヤモンドサンプルが、ＵＶ光の一連のパルス１０によって照射される。遅延１１の後、画像キャプチャ装置が、サンプルの単一の画像１２を取得する。画像キャプチャ装置とＵＶソースは、決して同期されない。したがって、この方法は、比較的長寿命の燐光のみをキャプチャし、一般に、サンプル表面のＵＶ励起によって生成される蛍光色及びパターンの観察に加えて使用される。
【００３７】
長寿命の燐光は、数秒以上持続する可能性があり、合成ダイヤモンドでは一般的に起こるが、天然ダイヤモンドでははるかに希である。これに対する例外は、かなりのホウ素不純物を含む、天然のＩＩｂ型ダイヤモンドである。ＩＩｂ型ダイヤモンドはおそらく全ての天然ダイヤモンドのわずか０．１％を占めるので、かなりまれである。したがって、比較的長寿命の燐光の存在は、合成ダイヤモンドの大部分を天然ダイヤモンドの大部分から区別する既知の方法である。
【００３８】
ＣＶＤ（化学気相成長）によって成長したいくつかの合成ダイヤモンドは、上述の長寿命の燐光の種類を示さない。分離における長寿命の燐光の検出は、これらを天然のダイヤモンドと区別するために使用することができず、他の方法がこれらの合成物を最終的に同定するために用いられるであろう。
【００３９】
非常に短寿命で弱い燐光の測定により、天然ダイヤモンドと合成ダイヤモンドとを区別することが可能であることが発見された。このタイプの燐光は、ＵＶソースの除去後に１００ミリ秒未満の間発生し、従って、上記の既知の方法を用いて測定することはできない。
【００４０】
この急速な燐光を測定するために、画像キャプチャ装置とＵＶソースが同時にトリガされるが、画像キャプチャ装置は遅延を伴って構成され、これは、ＵＶランプパルスが終了すると直ちにキャプチャが始まることを確実にする。これは、短寿命の燐光のみがキャプチャされるように励起中に生成される如何なる蛍光も排除する。このプロセスは、複数のランプパルスが発生し、複数の燐光キャプチャがパルス間で行われるように繰り返される。この方法では、サンプルの複数の励起が生じ、短い時間フレーム内で複数の燐光測定が行われることができる。次いで、これらの複数の測定値が、オペレータによる分析に適した合成画像を生成するように組み合わされることができる。
【００４１】
図２は、ダイヤモンドが天然であるかどうか及び／又はダイヤモンドの種類についての指標を提供するために、ダイヤモンド１６０の発光特性を測定するための装置３００の概略図である。装置３００は、実質的に２２５ナノメートル（ｎｍ）以下の波長の電磁放射の光源（ソース）１３０と、ダイヤモンド１６０によって放出される任意の可視光を取り込む（キャプチャする）ための光検出装置１４０と、ソース１３０及び光検出装置１４０の動作を同期させる制御システム（図示せず）とを含む。制御システムは、電磁放射の複数の励起パルスでダイヤモンド１６０を繰り返し照射するようにソース１３０を設定し、時間窓の中で画像データを生成するために放出された任意の可視光をキャプチャするよう光検出装置１４０を設定し、各時間窓は励起パルスに対して所定の時間関係をそれぞれ有し、各時間窓は発光データを得るために、次の励起パルスの開始前に閉じられる。プロセッサ（図示せず）は、発光データをパルスの全てに関連する複数から組み合わせるように構成されることができる。
【００４２】
試験されることになるダイヤモンドサンプル１６０は、チャンバ１５０内のサンプルホルダ１７０に保持される。サンプル１６０の表面は、電磁ソース（ランプ）１３０によって照射される。ソース１３０及び光検出装置１４０は、制御システムによってダイヤモンド１６０を繰り返し照射し、複数のキャプチャを起こさせるように複数の露光窓に放出される任意の可視光をキャプチャするように構成される。
【００４３】
１つの適切な構成では、電磁ソース（ランプ）及び光検出装置（カメラ）は、標準的なトランジスタ−トランジスタロジック（ＴＴＬ）信号によって同時にトリガされる。信号は、カメラの最大フレームレートまで且つ必要な測定のタイムスケールに応じて可変である。ランプとカメラの同期した同時トリガは、関連する非常に短いタイムスケールのために、自動的であり且つオペレータの制御とは独立している。
【００４４】
この例では、ＴＴＬ信号は、パルス発生器（ここでは図示せず）から送られる。最大繰返しレート（maximum  repetition  rate）は、ランプの最大パルス周波数、又はカメラの最大フレームレートのいずれか低い方によって決まる。
【００４５】
カメラとランプの両方はパルスの前縁でトリガする。理想的には、ラインの遅延を無視すると、トリガは正確に同時に行われるが、通常、カメラは、製造元によって示されるオフセット値がある。曝露時間は、パルス発生器の周波数によって制限される、すなわち、１０Ｈｚは１００ミリ秒から有効遅延を差し引いた時間窓を与える。
【００４６】
この例で使用される紫外線ソース１３０は、２２５ｎｍ未満の波長でダイヤモンドバンドギャップ励起を提供するようにフィルタをかけられる、Perkin  Elmer  FX-1165のような、マイクロ秒キセノンスパークランプである。ランプパルスレートは、制御システムを介してオペレータによって設定されることができる。この例のために、励起のための適切なパルス長は８０μｓである。
【００４７】
この例のカメラ１４０は、カメラが関連する励起パルスが終了した後に開く時間窓の間に可視光をキャプチャするように、制御システムによって遅延を伴って構成されることができるSony  IMX174のような、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）センサを使用している。したがって、ダイヤモンドサンプル１６０によって放出された蛍光は除去される（filtered  out）。そのような蛍光は、短寿命燐光を潜在的に隠すであろう。記録における遅延の長さ（すなわち、励起パルスの開始に対する時間窓開始時間）は、制御システムを使用して、記録の長さ（すなわち、時間窓の長さ）及び励起の数及び／又は周波数がそうであるように、オペレータによって設定されることができる。これらのパラメータのうちの１又は複数は、制御システムを介してオペレータ制御可能であってもよい。
【００４８】
この例のカメラ１４０では、上述のオフセットは２６μｓである。さらに５４μｓの遅延を加えると、８０μｓの実効遅延（effective  delay）が得られ、これは、燐光のキャプチャが始まる前に各ランプパルスが終了しているのを確実にするのに十分である。これは、短寿命の燐光を隠す可能性のある蛍光を除去する。励起パルスの終了と時間／露光窓の開始との間に数マイクロ秒の短時間の遅延を可能にすることが有益であり得ることは理解されよう。
【００４９】
カメラ１４０とＵＶソース（ランプ）１３０とは同期される、又は同時にトリガされるが、遅延時間が経過するまで、すなわちランプパルスが終了するまで、カメラ１４０は記録を開始しないことが理解されるであろう。このようにしてＵＶソース１３０とカメラ１４０を同期させることは、パルスからの励起が終了した後に典型的には８０ミリ秒未満で生じる短寿命燐光の測定を可能にする。非常に短い時間スケールが関連しているため、パルスが終了するまでトリガされなかったカメラは、典型的には、この急速な燐光をキャプチャすることができない。
【００５０】
記録又はキャプチャ（captures）の数は、オペレータによって変更されることができる。複数の燐光キャプチャからの発光データは、視覚分析に適したダイヤモンドの画像、を生成するためにプロセッサによって結合される。すなわち、任意の燐光の可視スペクトルカラー画像が生成される。これは、ＰＣ（ここには示されていない）上でホストされるソフトウェアによって実行されてよい。代替的には、これらのキャプチャを組み合わせる（combining）ための装置が、図２に示されるような装置３００と一体であってもよい。代替的に又は追加的に、画像分析器が組み合わされた発光データを分析するために含まれてもよい。
【００５１】
典型的には、サンプル１６０によって生成される任意の短寿命燐光の合成画像を生成するために、ｊｐｅｇ画像として格納された、約４０個のキャプチャからの画像データが平均化され得る。複数の画像を組み合わせることはまた、信号対雑音比を減少させ、画質を向上させる。ある種のダイヤモンドサンプルは、分析に適する画像を生成するために、より多くの又はより少ないキャプチャが組み合わされることを必要とし得る。
【００５２】
合成カラー画像（composite  colour  image）は、オペレータ又はユーザによる分析のために提示される。この例では、画像はＰＣスクリーン（ここには示されていない）を介して提示されるが、図２に示される装置３００は、合成画像の表示及び分析に適した、スクリーン又はモニタのような画像表示装置を含むように適合されてよい。オペレータは、通常、この分析を支援するためにトレーニングを受けたり、情報にアクセスしたりしていた。
【００５３】
上述したように、短寿命の、弱い燐光の測定により天然ダイヤモンドと合成ダイヤモンドを区別することが可能である。典型的には、このような燐光は、４５０ｎｍにピークを有し、８０ｍｓ未満の減衰時間を有する広い発光（broad  emission）を示す。上記の装置によって生成されたダイヤモンドの画像の分析が、励起パルス（約８０μｓ）の終了時又は終了後に開始し且つ約８０ｍｓ励起パルスで終了する時間窓内の青色燐光の存在を確認する場合、これは、試験されているダイヤモンドサンプルが天然のＩＩａ型又は弱いＩａ型ダイヤモンドであるという指標である。
【００５４】
代替的又は追加的に、ダイヤモンドの画像の分析が、励起パルス後の約８０ｍｓから５００ｍｓの間の時間窓で青緑色（turquoise）燐光の存在を確認する場合、これは試験されているダイヤモンドサンプルが弱いＩＩｂ型ダイヤモンドであるという指標である。この場合の長寿命（遅い）青緑色燐光は、ホウ素不純物によるものである。典型的には、そのような燐光は、４８０ｎｍにピークを有する広い発光を示す。
【００５５】
ダイヤモンドの画像の分析が、関連する励起パルスの後の約８０ｍｓから５００ｍｓの間の時間窓内で緑色燐光の存在を確認する場合、これは、ダイヤモンドサンプルがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標である。そのような遅い緑色燐光は、典型的には５３０ｎｍから５５０ｎｍにピークを有する構造発光（structured  emission）を示す。
【００５６】
長い積分時間及び過度に高い検出器ゲインが意味のあるスペクトルを生成しない場合、石はさらなる試験に差し向けられるべきである。言い換えれば、上記装置によって生成されるダイヤモンドの画像の分析が、励起パルスが終了した後に開始するように設定される時間窓において無視できる発光を確認する場合、これはダイヤモンドがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標である。
【００５７】
上述の例の方法及び装置３００によって生成された合成画像は、典型的には、スペクトル又は減衰時間を示すのではなく、可視燐光の実際のカラー画像を含み、したがって定性分析に適している。合成画像を生成するのではなく（又は合成画像を生成するだけでなく）、機器は、石によって放出される光のスペクトル分析を実行するように構成されてよいことが理解されよう。スペクトルは、上述の各時間窓に対して取得されることができ、多くのパルスにわたって平均化されることができる。上述の分光学的特徴は、ユーザによって、又は処理ユニットによって自動的に識別され得る。自動識別が提供される場合、機器は、ダイヤモンドが天然でありそうかどうか、又はそれがさらなる試験に差し向けられるべきかどうかについて、ユーザに自動的な指標を提供することができる。
【００５８】
図３は、ダイヤモンドの発光特性における１又は複数の特定のマーカの有無を試験することによって、ダイヤモンドが天然であるかどうか及び／又はダイヤモンドがどの型であるかについて、ダイヤモンドに関する指標を提供する方法のグラフ表示である。これらのマーカは、発光減衰時間及び発光波長によって特徴付けられる。
【００５９】
この方法は、電磁放射１００の複数の励起パルスでダイヤモンドを照射するステップと、各励起パルス１００中及び／又は各励起パルス１００の後で、励起パルス１００に対して所定の時間関係を有する少なくとも１つの時間窓１２０においてダイヤモンドによって放出される光を検出するステップであって、発光データを得るために、各時間窓１２０は次の励起パルス１００の開始前に閉じられる、ステップとを含む。各時間窓１２０は、上述のマーカの１又は複数の減衰時間特性を有する発光を含むように選択される。発光データは、１又は複数のマーカの有無を確立するために分析される。この方法はさらに、パルス１００の全てに関連する発光データを組み合わせるステップを含む。
【００６０】
この図示された例では、この方法はさらに、光検出器を紫外線励起パルスのソース１００と同期させるステップと、各パルス１００の発光データを生成するためにダイヤモンドによって放出される可視スペクトルの光をキャプチャするステップと、各励起パルスに関連する特定の時間窓で得られた発光データを、その時間窓内でダイヤモンドによって放出される任意の発光の画像を生成するように、組み合わせるステップと、を含む。この画像は、視覚分析に適しており、ダイヤモンドのカラー画像を含む。
【００６１】
図３の例では、発光データが燐光データを含むように、関連する励起パルス１００が終了した後、各時間窓１２０が開かれる。複数の燐光キャプチャは、ミリ秒の時間フレームにわたって、複数のＵＶソースパルス１００の間の時間窓１２０内で行われる。これらの複数のキャプチャは、ＵＶ励起の結果としてサンプルによって生成される任意の発光の画像を蓄積する（build  up）ように組み合わされる。励起のための適切なパルス長さは、５０μｓから１５０μｓの範囲のパルス長さを含む。
【００６２】
この例では、上述したように、ダイヤモンドの照射１００及び光キャプチャが実質的に同時にトリガされる。
【００６３】
図４は、ダイヤモンドの燐光特性における１又は複数の特定のマーカの有無について試験することによって、ダイヤモンドが天然であるかどうかを決定する方法を示すフロー図である。通常、この方法で試験されるダイヤモンドは、ＵＶ／可視吸収のようなスクリーニング方法によるさらなる試験に差し向けられるであろう。以下の番号は、図４の番号付けに対応する。
【００６４】
Ｓ１．  サンプルは青色の蛍光を示す：従来の試験の下で青色の蛍光を示すダイヤモンドサンプルがさらなる試験のために選択される。
【００６５】
Ｓ２．  燐光についてサンプルを試験する：上記の図３を参照して説明したように、サンプルは電磁ソースからの複数の励起パルスで照射される。それぞれの関連する励起パルスが終了した後に開く時間窓内で、生成される発光の複数の測定又はキャプチャが行われる。上記のように、１又は複数の特定のマーカを試験するために、時間窓が選択される。これらの複数のキャプチャからの燐光データを含む発光データは、オペレータによる分析に適した合成画像を生成するために組み合わされる。
【００６６】
Ｓ３．  緑色の遅い燐光マーカについてサンプルを試験する：関連する励起パルスの開始後約８０ｍｓから約５００ｍｓの間の時間窓で緑色の燐光についての試験をする。合成画像の分析が、この時間窓における緑色の燐光が存在することを示す場合、これは、サンプルがさらなる試験（ここでは説明しない）に差し向けられるべきであるという指標である。典型的には、この遅い緑色の燐光は５３０ｎｍから５５０ｎｍの間にピークを有する構造発光を示す。
【００６７】
Ｓ４．  無視できる又は欠如マーカについてサンプルを試験する：合成画像の分析が、サンプルが燐光を示さない又は無視できる燐光を示す場合、これは、サンプルがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標である。
【００６８】
Ｓ５．  遅い、青緑色の燐光マーカについてサンプルを試験する：関連する励起パルスの開始後、約８０ｍｓから約５００ｍｓの間の時間窓で青緑色の燐光について試験する。合成画像の分析が、サンプルが遅い青緑色の燐光を示すことを示す場合、サンプルは天然のダイヤモンド、通常は天然の特殊なケースの弱いＩＩｂ型ダイヤモンドであると判定され、さらなる試験は必要とされない。典型的には、この遅い青緑色の燐光は約４８０ｎｍにピークを有する広い発光を示す。
【００６９】
Ｓ６．  速い青色の燐光マーカについてサンプルを試験する：関連する励起パルスの開始後約８０μｓから約８０ｍｓの間の時間窓で青色の燐光について試験する。合成画像の分析が、サンプルが速い青色の燐光を示すことを示す場合、サンプルは天然のダイヤモンド、通常は天然のＩＩａ型又は弱いＩａ型のダイヤモンドであると判定され、さらなる試験は必要とされない。典型的には、この速い青色の燐光は、約４５０ｎｍにピークを有する広い発光を示す。
【００７０】
上記の図４を参照して記載されたマーカに加えて又はこれに代えて、さらなるマーカの有無が、本明細書に開示される方法を用いて決定されることができる。
【００７１】
例えば、サンプルは、約５３５ｎｍから約６００ｎｍの間の波長及び１ミリ秒未満の減衰時間を有する発光を含むオレンジ色の長寿命蛍光マーカについて試験されてよい。オレンジ色の長寿命蛍光マーカの存在は、サンプルがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標である。
【００７２】
サンプルは、追加的に又は代替的に、約５７５ｎｍから約６９０ｎｍの間の波長及び１ミリ秒より大きい減衰時間を有する発光を含む赤色の燐光マーカについて試験されてよい。赤色の燐光マーカの存在は、サンプルがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標である。
【００７３】
サンプルは、追加的に又は代替的に、約５１０ｎｍの波長を有する弱い緑色の蛍光マーカについて試験されてよい。弱い緑色の蛍光マーカについての試験は、励起パルスと同期した時間窓での試験を含み、弱い緑色の蛍光マーカの存在は、サンプルがさらなる試験に差し向けられるべきであるという指標である。
【００７４】
図５は、ＩＩａ型の天然ダイヤモンドサンプルＡ及びＣＶＤ合成ダイヤモンドサンプルＢの短寿命燐光スペクトルのグラフ表示である。両方のサンプルは、ラウンドブリリアントカット（round  brilliant  cut）であり且つ１カラット未満である。ＣＶＤ合成サンプルは、天然のダイヤモンドに見られるのと同様の色および空間分布を有する、主に青色の蛍光（ここには示されていない）を示す。
【００７５】
スペクトルＡは、ＩＩａ型天然ダイヤモンドサンプルの短寿命燐光スペクトルである。スペクトルＢは、合成ＣＶＤダイヤモンドサンプルの短寿命燐光スペクトルである。両者とも、電磁放射のソースの除去後に１００ミリ秒未満の間に生じる短寿命燐光を示す。
【００７６】
このスペクトル分析は、天然の未処理のＩＩａ型ダイヤモンドによって生成される短寿命の又は速い燐光が青色で、広く且つ４５０ｎｍ付近でピークに達することを示している。このタイプの短寿命燐光は、合成ダイヤモンドのサンプルには見られず、これは、無視できる又は弱い緑色の短寿命燐光を示す。図５に示すスペクトルＢは、この例の合成ＣＶＤダイヤモンドサンプルが約５３０ｎｍから約５５０ｎｍでピークに達する、より弱い、短寿命又は速い緑色の燐光を示すことを表している。
【００７７】
図６は、天然の、未処理のＩＩａ型ダイヤモンドのサンプルにおける燐光減衰のグラフ表示である。このようなダイヤモンドは、全天然ダイヤモンドの約１−２％を形成し、ほとんど完全に不純物を含まない。グラフから、このＵＶ励起サンプルから記録された燐光は比較的短命であり、（時間ゼロにおける）初期励起後８０ミリ秒未満で減衰することが分かる。このタイプの短寿命燐光は、従来の燐光キャプチャが始まる前に減衰するので、従来のダイヤモンド識別技術を用いて検出されないであろう。しかし、それは、上記の方法及び装置を使用して画像化されることができる。
【００７８】
図７は、高純度合成ＣＶＤダイヤモンドのサンプルにおける燐光減衰を示す。同じ条件下でこの合成サンプルから生成された短寿命又は速い燐光は、上記の図６に示す天然ダイヤモンドのサンプルと比較して無視できることが分かる。
【００７９】
したがって、本明細書に記載された方法及び装置によって生成される、ダイヤモンドにおける短寿命燐光の合成画像の分析は、熟練したオペレータが、天然及び合成ダイヤモンドサンプルを区別することを可能にする。これは、２つのサンプルが従来のイメージング技術を使用して同様の結果を生じる場合でさえもそうである。
【００８０】
上記の方法及び装置は、短寿命燐光の測定を通じて天然及び合成を区別する能力を向上させる。しかし、即発（prompt）蛍光の画像化は、他の発光中心の存在又は格子転位の配置のしるしに関する貴重な情報も提供することができる。この情報は、前述したように、ダイヤモンドが天然か合成かを判定する際に役立ち得る。
【００８１】
図８ａ及び８ｂは、同じ１．５３カラットのラウンドブリリアントのＩＩｂ型天然ダイヤモンドによって生成されたＵＶＣ励起発光の画像である。そのようなダイヤモンドは、しばしば、いくつかのＨＰＨＴ及びＣＶＤ合成ダイヤモンドと同じように、ホウ素の微量元素を含む。
【００８２】
図８ａは、ＵＶＣ励起下で上記のＩＩｂ型天然ダイヤモンドによって生成された、比較的長寿命又は遅い燐光の画像を示す。画像は、ＵＶソースとカメラが非同期であり、且つ全てのタイプの発光（蛍光、短寿命燐光、長寿命燐光）の単一の長いキャプチャが行われる、ダイヤモンド識別の従来の方法を用いて得られた。この例におけるダイヤモンドによって生成された緑色の、長寿命（又は遅い）燐光は強い。カメラが全発光を記録しており、励起のデューティサイクルが低いため、強い燐光は、励起パルス中に生成される可能性のある蛍光を圧倒する（swamps）。
【００８３】
図８ｂは図８ａのサンプルを示しているが、この例では、ＵＶソースとカメラは、ダイヤモンドがＵＶＣ光によって照射されるときのみ画像キャプチャが行われるように、同じパルス長さに同期されている。約５０個のキャプチャを平均化することによって生成されているこの画像において、即発の青色の蛍光が見える。図８ａの画像において隠された（masked）この蛍光は、ダイヤモンド格子転位の配置によって生成される。
【００８４】
多くの励起パルスに関連する画像を平均化することによって合成画像を生成する代わりに（又はそれに加えて）、個々のパルスから得られる画像が順番にユーザに表示されることができることが理解されよう。これはパルスレート（pulse  rate）であってもよいし、幾つかのパルスからの画像がキャプチャされ、その後より高いフレームレートでビデオとしてユーザに表示されることができてもよい。また、画像又は合成画像を得るために手動で１つ又は一連のパルスをトリガするように、次にさらなる画像又は合成を得るためにさらなるパルス又は一連のパルスをトリガするように、ユーザのためにシステムが設定されることも可能である。各画像又は合成画像は、関連する励起パルスに対して同じ時間窓で取得されるので、上述のマーカの１つを表すように選択された特定の減衰特性を有する発光のものである。したがって、熟練したユーザは、画像又は合成画像を研究し、考慮中の色又は特徴が現実であるか、又は現在考慮中の画像のアーチファクトであるかを識別するためにさらなる画像を取得することを選択することができる。
【００８５】
即発蛍光は、上記の図２で説明したのと同じ装置を用いてキャプチャされることができるが、光検出装置に適用される遅延を変更している。この装置は、実質的に２２５ナノメートル以下の波長の電磁放射のソースと、ダイヤモンドによって放出される可視光をキャプチャするための光検出装置と、制御システムとを有する。ソース及び光検出装置は、制御システムによって同期され、電磁放射の励起パルスでダイヤモンドを繰り返し照射し、励起パルスに対して所定の時間関係をそれぞれ有する時間窓の中でダイヤモンドによって放出される可視光をキャプチャするように構成され、各時間窓は、発光データを得るために、次の励起パルスの開始前に閉じられる。プロセッサは、パルスの全てに関連する発光データを組み合わせるように構成される。図８ｂの例では、制御システムは、関連する励起パルスが開始するのと同時に開き且つ関連パルスが終了する前に又は関連パルスが終了すると同時に閉じる時間窓の中で可視光をキャプチャするように光検出装置を構成する。適切な励起パルス長さは、この場合も同様に５０μｓから１５０μｓの範囲にある。組み合わされた発光データを分析するために画像分析器が使用される。
【００８６】
図９は、即発蛍光を測定する方法のグラフ表示であり、関連する励起パルスの開始と同時に又は同開始直後に時間窓を開き、関連するパルスが終了する前又は同終了すると同時にこの時間窓を閉じることを含むので、得られる発光データは蛍光データを含む。この例では、ＵＶソース又はランプ／ストロボパルスは、光検出装置（カメラ／光検出器）と同期されている。測定は、マイクロ秒の時間スケールで行われる。
【００８７】
即発蛍光を測定する方法は、上記図２乃至８に記載されているような、短寿命燐光を測定する方法とは異なる。図９の例では、ランプパルスとカメラは実質的に同期しているが、カメラは（製造業者のオフセット以外の）遅延を伴って構成されていない。カメラの露光時間は、ランプのパルス幅と正確に一致するように設定されている。したがって、即発蛍光のキャプチャは、マイクロ秒のランプパルス中にのみ、すなわちサンプルの励起中にのみ生じる。短寿命の燐光は、ＵＶソースが除去された後、すなわちランプパルス後に約１００ミリ秒間生じるので、この燐光は即発蛍光測定から除去される。
【００８８】
したがって、蛍光は励起パルス中にのみ測定される一方、短寿命の燐光は励起パルス中でのみ測定される。いずれの場合も、ランプと光検出装置は同期される。しかしながら、短寿命燐光を測定するために、検出が開始する前に励起パルスが終了することを可能にするように遅延が光検出装置に適用される。
【００８９】
図１０は、ダイヤモンドサンプルのＵＶＣ励起を提供するために使用される、典型的なキセノンフラッシュランプパルス幅を示す。使用可能なパルス幅は約５０マイクロ秒であり、したがって、これは、図示のように、蛍光のみをキャプチャするために使用される露光窓の最大長さである。カメラはランプパルス中にのみ記録するように構成されているので、そうでなければダイヤモンドによって放出される蛍光を遮るおそれのある燐光はゲートアウトされる（gated  out）。蛍光モードにおけるパルスの間のギャップは、カメラの最大フレームレートによって決定される。例えば、Sony  IMX174  ＣＭＯＳセンサが使用されることができ、これはフル解像度において４０Ｈｚを超える最大フレームレートを実現することができる。
【００９０】
同じ装置が、短寿命の燐光及び即発蛍光の測定に使用されることができる。オペレータは、キャプチャの遅延、すなわち励起パルス開始に対する時間窓開始時間を制御することができるので、カメラは、キャプチャが励起パルス中に生じるように遅延なしに設定されることができる。ランプ及びカメラは、上述したように、ＴＴＬ信号によって実質的に同期される。
【００９１】
図１１ａ及び図１１ｂは、上記の図２に記載された装置の２つの異なる構成を示すフロー図である。図１１ａは即発蛍光の測定を示し、ここでは、発光キャプチャのための露光窓がランプパルスと同時に開始し、パルスの前又は同時に終了する。したがって、励起後に生成されたいかなる燐光も除去される。逆に、図１１ｂは燐光の測定を示し、ここでは、発光キャプチャのための露光窓は、ランプパルスが終了するまで遅延され、蛍光は除去される。両方の場合において、必要に応じてランプパルス及びキャプチャは繰り返されることができ、発光データから生成された合成画像は複数のパルスから生成されることができることが理解されるであろう。合成画像は、個々のキャプチャ内の各ピクセルについてＲＧＢ（又はＨＬＳ値）を平均することによって単純に生成されてもよく、又はそれよりも高度であってもよい。
【００９２】
即発蛍光の複数のキャプチャが実行されることができ、これは次に、オペレータによる分析に適した、即発蛍光のカラー可視スペクトル画像を生成するために組み合わされることができる。これは、上述したのと同じ方法で、すなわち典型的には約４０回のキャプチャを平均することによって行なわれ得る。画像は、発光中心の有無及び／又は格子転位の配置の分析に基づいて、ダイヤモンドサンプルが天然か合成かを決定するために分析され得る。
【００９３】
上述の方法及び装置は、測定プロセスの様々な態様を変更するための機能をオペレータに提供する。例えば、ＵＶパルスに続くキャプチャの遅延（励起パルス開始に対する時間窓開始時間）、露光時間窓（時間窓の長さ）、及び励起パルス繰り返しレート（パルスの数及び周波数）は、全てオペレータによって制御可能である。これは、評価中のサンプルに依存して、様々な強度及び減衰時間での即発燐光（rapid  phosphorescence）の測定を可能にする。
【００９４】
図１２は、室温でのＵＶＣ励起に続く、天然ダイヤモンドの経時による燐光減衰を示し、関心領域Ａ及びＢによって示される、２つの明確な燐光成分を示している。領域Ａは、８０ミリ秒以下で減衰する短寿命の速い燐光を表す一方、領域Ｂは１００ミリ秒より大きい減衰時間において遅い燐光を示す。上記のような様々な取得パラメータは、２つの成分が分離されることを可能にする。
【００９５】
オペレータが短寿命燐光の有無を確認したい場合、短いキャプチャ遅延及び短い露光窓が使用され得る。図１２の例（領域Ａ）では、８０マイクロ秒のキャプチャ遅延が適用され、５０ミリ秒のカメラ露光時間を伴う。ＵＶストロボ周波数とカメラフレームレートは最大２０Ｈｚに設定されている。８０マイクロ秒の遅延は、キャプチャが始まる前にランプパルス、典型的には５０マイクロ秒の長さが終了していることを確実にし、如何なる蛍光も除去する。
【００９６】
代替的には、オペレータが、１００ミリ秒より大きい減衰時間における燐光が存在するかどうかを調査したい場合、より長いキャプチャ遅延が使用される。図１２の例（領域Ｂ）では、１００ミリ秒のキャプチャ遅延が使用され、４００ミリ秒のカメラ露光時間を伴う。ストロボ周波数及びカメラフレームレートは最大２Ｈｚに設定されている。１００ミリ秒の遅延は、長寿命又は遅い燐光のみがキャプチャされるように如何なる短寿命の燐光も消えていることを確実にする。
【００９７】
したがって、時間窓は、減衰時間及び波長によって特徴付けられる、ダイヤモンドの発光特性における１又は複数の特定のマーカを試験するために設定され得る。
【００９８】
分析に適した画像を生成するために組み合わされることができる発光データの複数のセットを取得するために、図１２に示すランプパルス及び燐光キャプチャが複数回繰り返され得ることができることは理解されよう。
【００９９】
本明細書で説明される方法及び装置は、従来の識別方法と共に使用され、従来の識別装置と一体にされ得ることが想定される。したがって、既存の識別プロセスにおける追加のテストとして使用されることができる。装着された石及び裸石の両方が上記の方法及び装置によって調査されることを意図している。これは、主に宝石の識別又は評価、或いは産業又は科学研究目的のためのものであり得る。
【０１００】
当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、上述の実施形態に様々な変更が加えられ得ることが理解するであろう。
【０１０１】
例えば、上述の方法及び装置によって生成された複数の燐光／蛍光測定値は、放出された任意の可視の短寿命燐光又は即発蛍光の画像を生成するために、任意の適切な手段によって組み合わされる及び／又は増強されることができ、これは、その後、ダイヤモンドサンプルの性質を決定するために分析されることができる。複数のキャプチャは、全ての測定が完了した後に組み合わされることができ、又はそれらは、測定が行われるときに組み合わされることができる。そのように生成された１つ又は複数の画像は、任意の適切なタイプのスクリーン又はディスプレイを介してオペレータによって分析され得る。
【０１０２】
代替的には、装置は、例えば、サンプルが識別プロセスを通過したか又は失敗したか、或いはさらなる分析が必要であることを視覚的又は聴覚的に示すことによって、分析中のダイヤモンドの型に関する決定を表示又は伝達するように構成されてよい。組み合わされた画像又はビデオは、カラー又は白黒でオペレータに提示されてよい。
【０１０３】
Perkin  Elmer  FX-1165フラッシュチューブのような電磁放射の代替ソース（ランプ、ストロボ）が使用され得る。ソースと光検出装置を同期させるための任意の適切な方法が使用され得る。
【０１０４】
オペレータによって設定されるキャプチャ遅延は、異なるタイプのカメラ、光検出器又は画像キャプチャ装置のオフセット値に応じて必要に応じて変更され得る。実効遅延は、典型的には４０から１００マイクロ秒の間、オプションで８０マイクロ秒であり得るが、これは必要に応じて減少又は増加され得る。この実効遅延は、内蔵カメラオフセット値を含んでもよく又は除外してもよい。
【０１０５】
本明細書に記載の方法及び装置を使用する蛍光及び／又は短寿命燐光の測定は、別々に実施されることができ、又は組み合わされることができる。
【０１０６】
本明細書で使用されるとき、天然は、地質学的プロセスによって生成されたダイヤモンドのみからなる自然界からの石として定義される。本明細書で定義される天然の用語は、石が合成ではないことを示しているが、具体的に述べられていない限り、石が、例えば圧力又は熱処理によって処理された可能性を排除するものではない。
【０１０７】
本明細書で使用されるとき、合成は、化学蒸着又は高圧高温プロセスのような人工的又は工業的プロセスによって製造されたダイヤモンドのみからなる人工石として定義される。
【０１０８】
本明細書で使用されるとき、処理は、例えば、化学的若しくは機械的手段によって、照射によって又は圧力若しくは熱処理によって、その色又は透明度を向上するために改変された天然石（上記定義）として定義される。
【０１０９】
本明細書で使用されるとき、型（タイプ）は、その物理的及び化学的特性に基づいて石を分ける標準的なダイヤモンド分類システムを使用して定義される。例えば、Ｉａ型、ＩＩｂ型等。
【０１１０】
上術の方法及び装置を使用する、蛍光及びミリ秒の時間スケールでの即発短寿命燐光の測定は、合成ダイヤモンドが天然として誤って識別される可能性を低減する。加えて、他の方法によるさらなる調査又は分析を必要とするダイヤモンドサンプルの数が減少する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２】
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