Устройство идентификации драгоценных камней

Полезная модель относится к области идентификации драгоценных камней, прежде всего алмазов. Она предназначена для решения задачи, как отличить природные, синтетические, облагороженные алмазы и бриллианты. Драгоценные камни, подходящие для анализа, включают бесцветные и цветные, огранённые и неогранённые алмазы. Описанное устройство пригодно также для анализа других драгоценных камней, дающих люминесценцию под воздействием УФ-излучения.
Современная геммология драгоценных камней, прежде всего алмазов, столкнулась с новыми вызовами:
улучшилось качество, увеличились размеры и снизилась стоимость синтетических алмазов. Бриллианты из них официально или неофициально появились на ювелирном рынке;
развилась технология облагораживания низкосортных коричневых природных кристаллов с использованием высокотемпературного отжига.
В результате возросла необходимость разработки методов и работающих на их основе устройств для идентификации и разграничения природных, синтетических и облагороженных ювелирных алмазов. Задача определения происхождения алмаза обычно возлагается на оценщика бриллиантов или геммолога в ходе подготовки сертификата аттестации или оценки. Происхождение алмаза является ключевым фактором его рыночной стоимости и имеет первостепенное значение.
В настоящее время алмазы ювелирного качества производятся искусственно двумя методами: высокого давления и высокой температуры (ВДВТ) и парофазного химического осаждения (ПФХО). Примесный и дефектный состав этих кристаллов может быть очень разным. Прогресс в технологии синтеза позволил хорошо контролировать примеси, что сделало возможным выращивание чистых бесцветных кристаллов. Эти кристаллы не уступают лучшим природным. Они прозрачны для электромагнитного излучения с длинами волн больше 225 нм и содержат незначительное количество примеси (меньше, чем 0,1 ppm азота). Лучшие образцы таких алмазов имеют мало дефектов и свободны от внутренних напряжений.
Существует множество физических характеристик, позволяющих отличить природные алмазы от синтетических и облагороженных. Но широкий диапазон характеристик как природных, так и синтетических алмазов делает эту задачу трудной.
Главным отличительным свойством кристаллов разного происхождения является состав и концентрация азотных и азотно-вакансионных дефектов. Это различие лежит в основе общепринятой классификации алмазов: IaA (азотные, доминируют агрегаты типа A), IaB (азотные, доминируют агрегаты типа B1 и B2), IIa (малоазотные), Ib (содержат азот в одиночных замещающих положениях - С дефект), IIb (доминирует примесь бора). Основное отличие синтетических и облагороженных природных от чисто природных алмазов состоит в продолжительности времени их пребывания в условиях высокой температуры. Природные кристаллы растут и подвергаются воздействию сравнительно невысоких температур (<1400°C) миллионы лет, в то время как процессы синтеза алмаза и/или его термобарической обработки длятся часы, максимум, сотни часов. При такой длительности невозможна полная трансформация азотных дефектов.
Наиболее информативными методами геммологического анализа алмазов являются оптические методы, такие как оптическое поглощение в УФ, видимом и ИК-диапазонах, Рамановское рассеяние и др. Но самым чувствительным методом является люминесценция. Люминесценция - это излучение видимого (а также ближних УФ и ИК) света, возникающее, когда воздействие источника возбуждения (лазер, УФ-лампа, рентгеновская трубка, электронная пушка и т.п.) вырывает в объёме твёрдого тела электроны из их стабильных «основных» состояний и переводит в «возбуждённые» состояния. Когда электрон возвращается в нормальное, основное состояние, выделяется энергия, часто в виде видимого света. Для геммологического анализа удобнее всего использовать фотолюминесценцию, возбуждаемую источником света, обычно УФ-диапазона. Почти всегда излучённые кванты света имеют в электромагнитном спектре меньшую энергию (то есть большие длины волн), чем свет от источника возбуждения. Люминесценцию разделяют по времени высвечивания на быструю (флуоресценция) и медленную (фосфоресценцию).
На рынке имеются разного уровня сложности приборы, позволяющие с большей или меньшей степенью достоверности решить задачу определения происхождения и истории алмаза. Многие из этих приборов используют фотолюминесценцию алмазов.
В минералогии и геммологии для возбуждения фотолюминесценции кристаллов широко используется ртутно-кварцевая лампа, обычно, низкого давления. Она даёт свет в широком диапазоне излучения - от жёсткого УФ до ближнего ИК диапазонов. Однако её использование имеет несколько недостатков:
1. для поджига разряда в лампе и для её работы требуется высокое напряжение, что неудобно в портативных устройствах и создаёт угрозу электрического поражения персонала;
2. КПД ртутно-кварцевой лампы невысок. Кроме того, из всего электромагнитного излучения лампы на долю УФ-диапазона приходится небольшая часть энергии. Для его выделения приходится использовать УФ-фильтр;
3. для разгорания лампы требуется около 1 минуты. За это время в её объём испаряется ртуть. Это снижает оперативность работы устройства. После выключения лампы она ещё некоторое время излучает свет. Это затрудняет реализацию наблюдения фосфоресценции - приходится использовать быстрозакрывающуюся шторку;
4. разряд в лампе горит нестабильно, что приводит к флуктуациям интенсивности возбуждения;
5. лампы имеют ограниченный срок службы, обычно около 1000 часов, особенно при частом включении и выключении. Требуется экологически безопасная утилизация отработавших ламп. Международное экологическое законодательство постепенно ужесточает требования к использованию ртутных ламп вплоть до полного их запрета;
6. спектр излучения лампы низкого давления содержит как непрерывную компоненту, так и несколько узких линий ртути (578, 546, 436, 405, 365, 254, 185 нм). Для выделения узкополосного излучения (например, линий на 365 и 254 нм) приходится использовать дорогостоящие узкополосные фильтры. Выделение узких полос на других длинах волн (где нет узких линий ртути) даёт очень небольшую интенсивность излучения;
7. работа лампы на воздухе приводит к образованию ядовитого газа озона;
8. практически очень трудно электрически управлять интенсивностью свечения лампы в широких пределах;
9. размер светящейся области в лампе большой, что затрудняет фокусировку её излучения.
Между тем в последние годы наблюдается стремительный прогресс в области УФ-светодиодов. Он основывается на освоении и совершенствовании технологии полупроводниковых соединений GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN. Светодиоды на основе GaN с максимумом излучения на 365 нм (относится к диапазону UV-A) характеризуются компактными размерами, низкой стоимостью, большой световой мощностью, высоким КПД. Происходит стремительный прогресс в продвижении УФ-светодиодов в коротковолновую область (диапазон UV-B и даже UV-C) за счёт использования соединения AlGaN. Такие светодиоды становятся всё более мощными, дешёвыми, эффективными.
Ближайшим аналогом к заявленному решению является устройство измерения параметров драгоценных камней RU 2 664 910 C2. В нём описаны всевозможные варианты измерения оптического пропускания и фотолюминесценции алмазов. В качестве источников возбуждающего излучения используются светодиоды УФ-диапазонов от примерно 300 нм до примерно 520 нм и различные лазеры. Излучение подаётся на кристалл снизу по плотно прижатому к нему жгуту оптических световодов. Регистрация прошедшего излучения и фотолюминесценции осуществляется также преимущественно по световодам. В разных вариантах устройства измеряется спектральный состав света с помощью спектрометров.
Главным недостатком описанного в патенте RU 2 664 910 C2 устройства является невозможность регулировать широкий диапазон интенсивностей люминесценции разных алмазов, невозможность работы сразу с группой камней. Кроме того, не предусмотрено использование источников света с длинами волн меньше 300 нм.
Задачей, на которую направлено заявленное решение, является устранение указанных недостатков.
Техническим результатом является повышение точности идентификации различных по природе и происхождению драгоценных камней с возможностью одновременного анализа большого числа изделий на основе картины фотолюминесценции при УФ-возбуждении.
Данный технический результат достигается тем, что устройство идентификации драгоценных камней включает расположенные в затемненном корпусе устройства, блок питания, передающую видеокамеру с объективом для передачи изображения на устройство визуального отображения информации, источник возбуждающего излучения в виде группы светодиодов длинноволнового УФ-диапазона с длиной волны от 300 нм до 380 нм и группы светодиодов коротковолнового УФ-диапазона с длиной волны от 240 нм до 300 нм и блок управления переключениями светодиодов и регулировкой их яркости, для обеспечения точности идентификации различных по природе и происхождению драгоценных камней на основе анализа картины фотолюминесценции при УФ-возбуждении.
Желательно, чтобы УФ-светодиоды располагались симметрично и в чередующемся порядке на общем держателе вокруг видеокамеры с объективом. Это обеспечивает равномерную засветку поддона большой площади с драгоценными камнями и/или ювелирного изделия большого размера.
Предпочтительно, чтобы в корпусе устройства дополнительно располагались светодиоды подсветки белого (видимого) света.
Как вариант, устройство дополнительно включает выдвижную площадку с поддоном, для размещения на нем исследуемых объектов.
Желательно, чтобы поверхность видеокамеры и поддона были покрыты тёмным, нелюминесцирующим материалом.
Как вариант, УФ-светодиоды оснащены оптическими фильтрами UV-диапазона.
Регулировка яркости светодиодов осуществляется путём изменения постоянного тока или путём широтно-импульсной модуляции тока, проходящего через них.
Схематическое изображение конструкции одного из вариантов устройства показано на Фиг. 1, где указаны следующие позиции устройства
1 - Выдвижная площадка с поддоном.
2 - Светодиоды подсветки.
3 - Светодиоды UVA с набором оптических фильтров.
4 - Светодиоды UVB с набором оптических фильтров.
5 - Передающая видеокамера с объективом и набором оптических фильтров.
6 - Корпус устройства.
7 - Блок управления переключениями и регулировкой яркости светодиодов.
8 - Блок питания.
9 - Приемное устройство (ПК, планшет, мобильный телефон и т.д.).
Наблюдение фотолюминесценции алмазов производится в закрытом, затемненном корпусе 6, в котором размещается выдвижная площадка с поддоном 1 с анализируемыми алмазами или с ювелирными изделиями, содержащими алмазы или другие драгоценные камни. Поверхность поддона 1 и внутренних стенок корпуса 6 покрыты тёмным, нелюминесцирующим материалом. В верхней части корпуса 6 находится чувствительная, цветная, цифровая видеокамера 5 с объективом, направленным на анализируемые алмазы, и набором оптических фильтров видимого диапазона. Эта видеокамера 5 регистрирует изображение люминесцирующих алмазов в видимом диапазоне. Объектив фокусируется на анализируемые кристаллы. В качестве источников возбуждения фотолюминесценции используют две группы УФ-светодиодов 3 и 4. В описываемом варианте устройства УФ-светодиоды 3 и 4 располагаются симметрично в верхней части камеры на общем держателе вокруг видеокамеры 5 с объективом. Их излучение направлено на поддон 1 с анализируемыми алмазами (или любыми другими минералами). Это обеспечивает равномерную засветку поддона 1 с алмазами. Одна группа светодиодов 3 излучает свет в длинноволновом диапазоне (300-380 нм), другая группа светодиодов 4 излучает свет в коротковолновом диапазоне (240-300 нм). Свет от светодиодов 3 и 4 может проходить через оптические фильтры УФ-диапазона (на чертеже не показаны). Они не пропускают электромагнитное излучение видимого диапазона, которое могло бы помешать наблюдать люминесценцию алмазов, что повышает точность идентификации. Цифровая видеокамера 5 передаёт изображение люминесцирующих алмазов по каналу связи (проводному или беспроводному) в компьютер (планшет, смартфон и т.п.). На его экране отображается внешний вид и цвет светящихся алмазов. В описываемом варианте в устройстве дополнительно располагается светодиод подсветки 2 (или несколько светодиодов) белого (видимого) света. Эта подсветка используется для получения изображения кристаллов на поддоне в видимом свете. Регулировка яркости светодиодов 3 и 4 осуществляется путём изменения блоком управления 7 постоянного тока или путем широтно-импульсной модуляции тока, проходящего через светодиоды 3 и 4.
Благодаря использованию двух групп светодиодов 3 и 4 с разными диапазонами излучения и управлению блоком 7 переключениями и регулировкой яркости светодиодов, обеспечиваются различные возможные режимы проверки драгоценных камней, что обеспечивает анализ широкого диапазона уровней фотолюминесценции драгоценных камней, а следовательно их точной идентификации по составу, природе и происхождению с возможностью одновременного анализа большого числа изделий.
Использование описанного устройства позволяет быстро и точно идентифицировать и различать подлинные природные алмазы, синтетические алмазы и облагороженные алмазы, а также иные драгоценные камни. Методы анализа включают в себя исследование флуоресценции и фосфоресценции алмазов под воздействием УФ-излучения. В качестве источников возбуждения фотолюминесценции кристаллов используются две группы полупроводниковых светодиодов - источников длинноволнового УФ (300-380 нм) и коротковолнового УФ (240-300 нм) излучения. Возможна регулировка интенсивности возбуждения путём изменения тока светодиодов. Картина фотолюминесценции кристаллов фиксируется посредством цифровой видеокамеры, снабжённой объективом. Вывод картины люминесценции производится на экран компьютера или другое устройство видеонаблюдения. Детектор света сконфигурирован так, чтобы воспроизвести спектральную чувствительность человеческого зрения. Определение происхождения алмаза осуществляется оператором устройства на основе анализа цвета фотолюминесценции.
УФ-светодиоды располагаются симметрично в верхней части камеры на общем держателе вокруг камеры с объективом. На экране компьютера (планшета, смартфона) отображается внешний вид и цвет люминесцирующих алмазов. Управление цифровой камерой сконфигурировано для точной передачи цвета люминесценции кристаллов. Светодиоды двух УФ-диапазонов (длинноволновой УФ (300-380 нм) и коротковолновой УФ (240-300 нм)), что используется для сравнения картин люминесценции. Путём использования нескольких светодиодов в каждой группе достигается равномерная УФ-засветка поддона с кристаллами. Количество светодиодов может варьироваться, в зависимости от многих факторов, таких, как размер корпуса, мощность светодиодов, возможностей видеокамеры, и пр. Благодаря управлению током питания светодиодов достигается регулировка интенсивности УФ-возбуждения для обеспечения анализа широкого диапазона уровней фотолюминесценции алмазов и других камней, для получения точного результата. Необходимость такого управления вызвана фактом, что при прочих равных условиях интенсивность фотолюминесценции разных кристаллов алмаза может различаться на несколько порядков величины. Главным образом, это определяется большим различием времени жизни неравновесных носителей заряда из-за влияния разнообразных каналов безызлучательной рекомбинации, а также различием концентраций люминесцирующих оптических центров. Свечение сильно люминесцирующих алмазов точнее наблюдать при невысоком уровне возбуждения, а свечение слабо люминесцирующих - при высоком уровне возбуждения.
Визуально люминесценцию алмаза желательно наблюдать в условиях сильного затенения и длительной адаптации зрения пользователя. Кроме того, размеры большинства ювелирных кристаллов составляют несколько миллиметров - разглядеть детали люминесцентной картины кристалла невооружённым глазом трудно. Поэтому, реализованным в описываемом устройстве, правильным решением для наблюдения фотолюминесценции является использование высокочувствительной, цветной, цифровой видеокамеры, снабжённой объективом.
Изображение с видеокамеры по каналу связи (проводному или беспроводному в разных вариантах реализации устройства) передаётся на компьютер (планшет, смартфон…). На экран компьютера можно дополнительно вывести изображение поддона с кристаллами в видимом диапазоне (при подсветке светодиодом белого света) для сопоставления с картиной люминесценции. Также на экран в качестве подспорья можно вывести справочно-информационные материалы о люминесценции кристаллов.
Однако, использование видеокамеры создаёт две проблемы. Первая - видеокамера должна передать на экран компьютера цвет люминесценции без искажений - так, как они воспринимаются глазом. Этого можно достигнуть разными способами. Самый простой - программная коррекция цветовой чувствительности камеры. Вторая проблема сложнее - динамический диапазон чувствительности камеры (от уровня шума до уровня насыщения) гораздо уже, чем у человеческого глаза. Он ограничен разрядностью её аналого-цифрового преобразователя и обычно не превышает двух-трёх порядков величины. В то время как различие интенсивности люминесценции разных кристаллов может быть значительно больше. При низком уровне возбуждения может получиться так, что люминесценция сильно светящегося кристалла укладывается в динамический диапазон чувствительности камеры, но при этом люминесценция слабо светящегося кристалла не видна. А при высоком уровне возбуждения люминесценция слабо светящегося кристалла будет укладываться в динамический диапазон чувствительности камеры, в то время как изображение сильно светящегося кристалла окажется пересвеченным. При пересвете происходит насыщение сигнала во всех трёх разноцветных пикселях триады, что проявляется на изображении в виде белого цвета. То есть при пересвете происходит искажение цвета люминесценции. Такой недостаток наблюдается в большинстве устройств детектирования картины фотолюминесценции кристаллов, в том числе алмазов. В случае анализа одиночного кристалла эту проблему можно решить подбором времени экспозиции. При анализе группы кристаллов, сильно отличающихся по интенсивности люминесценции, этот подход уже не годится. В предложенном устройстве эта проблема решается путём регулировки уровня УФ-возбуждения. Она осуществляется путём изменения тока через светодиоды, поскольку интенсивность свечения УФ-светодиодов почти линейно зависит от тока через него. Пользователь вручную подбирает его таким, чтобы комфортно визуализировать цветную картину люминесценции, но не доводить до пересвета. В разных вариантах конструкции устройства производится либо регулировка постоянного тока, либо его широтно-импульсная модуляция. Ручка управления тока светодиодов выведена на корпус устройства. Также на корпусе устройства располагается выключатель питания и переключатель, позволяющий подавать ток питания на: а) светодиод белого света, б) группу светодиодов длинноволнового УФ (300-380 нм) диапазона, в) группу светодиодов коротковолнового УФ (240-300 нм) диапазона.
Опыт наблюдения фотолюминесценции большого количества алмазов при УФ- возбуждении показал, что практически все природные алмазы люминесцируют фиолетовым, синим и голубым светом (коротковолновая фотолюминесценция - КФЛ), синтетические (ВДВТ, ПФХО) алмазы либо вообще не светятся, либо люминесцируют зелёным, жёлтым, оранжевым или красным светом (длинноволновая фотолюминесценция - ДФЛ). Облагороженные природные и синтетические алмазы ярко люминесцируют зелёным, жёлтым, оранжевым или красным светом (ДФЛ). Кроме того, установлено, что коротковолновое УФ (240-300 нм) возбуждение обычно вызывает эффективную фотолюминесценцию синтетических кристаллов, длинноволновое УФ (300-380 нм) возбуждение обычно вызывает эффективную фотолюминесценцию природных кристаллов. Эти особенности определяются различием примесно-дефектной структуры природных, синтетических и облагороженных алмазов и способностью УФ-излучения разной длины волны возбуждать разные примесно-дефектные оптические центры.
Таким образом, наличие люминесценции алмаза, её цвет и сравнительная интенсивность при возбуждении в длинноволновом УФ (300-380 нм) и коротковолновом УФ (240-300 нм) диапазонах позволяет в соответствии с алгоритмом, представленным в табл. 1, отделить природные алмазы, от синтетических (ВДВТ, ПФХО) и облагороженных алмазов. В табл. 1 представлены все возможные комбинации результатов люминесцентного исследования при возбуждении алмазов в длинноволновом УФ (300-380 нм) и коротковолновом УФ (240-300 нм) диапазонах. Теоретически возможны комбинации результатов, когда при возбуждении в этих двух диапазонах наблюдается люминесценция двух разных цветов: КФЛ (коротковолновая люминесценция) и ДФЛ (длинноволновая люминесценция). В этом случае такие алмазы следует подвергнуть дополнительному исследованию с помощью других методов геммологического исследования.
Таблица 1
Свечение при длинноволновом УФ (300-380 нм) возбуждении
Свечение при коротковолновом УФ (240-300 нм) возбуждении
Результат идентификации алмаза
КФЛ
КФЛ
Природный
КФЛ
Нет
Природный
КФЛ
ДФЛ
Нужно дополнительное исследование
Нет
КФЛ
Природный
Нет
Нет
Синтетический
Нет
ДФЛ
Синтетический или облагороженный
ДФЛ
КФЛ
Нужно дополнительное исследование
ДФЛ
Нет
Синтетический или облагороженный
ДФЛ
ДФЛ
Синтетический или облагороженный
Дополнительным идентификационным признаком является наличие фосфоресценции (длительного послесвечения) алмаза после выключения УФ-возбуждения. Фосфоресценция характерна для синтетических алмазов.
В одном из вариантов устройство для идентификации алмаза работает следующим образом. На поддоне размещают алмазы или ювелирные изделия с бриллиантами. Поддон задвигают в затемнённую камеру устройства. С помощью переключателя подают ток на светодиод белого света и фотографируют картину расположения кристаллов на поддоне. Затем переключатель переводят в положение питания светодиодов длинноволнового УФ (300-380 нм) диапазона. С помощью регулятора тока питания светодиодов увеличивают интенсивность возбуждения. На экране соединённого с устройством компьютера (планшета, смартфона) наблюдают картину фотолюминесценции расположенных на поддоне кристаллов. Когда какой-то из кристаллов начинает люминесцировать, соотносят его с кристаллом на изображении видимого диапазона, отмечают цвет его свечения и определяют, к какому диапазону он относится - КФЛ или ДФЛ? Так поступают со всеми расположенными на поддоне кристаллами по мере увеличения уровня возбуждения. При максимальном уровне возбуждения отмечают все нелюминесцирующие кристаллы. На следующем этапе переключатель переводят в положение питания светодиодов коротковолнового УФ (240-300 нм) диапазона. Повторяют описанную выше процедуру, фиксируя наличие и цвет люминесценции или отсутствие люминесценции. По алгоритму, описанному в табл. 1, определяют происхождение алмазов. Таким образом, проверяют одновременно большое число изделий и получают высокую точность идентификации различных по природе и происхождению драгоценных камней на основе картины фотолюминесценции при УФ-возбуждении.