专利名称：一种用于宝石检测的反射光谱测量取样系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种宝石鉴定系统及方法，特别是一种用于宝石检测的反射光谱测量取样系统及方法。
背景技术：
当前对宝石鉴定工作的要求越来越高，而随着宝石人造技术的飞速发展，宝石鉴定工作的难度也越来越大。宝石鉴定通常有以下五种检测方法1、肉眼观察鉴定法(颜色、形态、光泽、解理等)；2、物理性质测试鉴定法(相对密度、折射率、硬度)；3、以晶体光学性质为依据的偏光显微镜鉴定法；4、化学成分分析法(化学简分析、化学全分析、电子探针成分分析等)；5、晶体结构分析法(X射线衍射分析、红外光谱分析、电子探针、拉曼光谱仪器、宝石分光镜、紫外分光光度计等)。在方法1、2、3的检测过程中，其分析结果需要严重依赖检 测者经验，主观因素干扰过大，不利于形成客观衡量宝石真伪的标准；方法4的缺点是速度慢，而且经常会损坏被测样品，由于宝石的特殊性，不能随意刻划、破坏、侵蚀，所以化学分析方法的应用受到了很大的局限。在目前的宝石鉴定中，更多地使用方法5中的现代大型仪器进行鉴定，但目前方法5中所普遍使用的宝石鉴定设备均存在着设备价格昂贵、分析成本偏高、分析速度偏慢等缺点。在传统的晶体结构分析仪器中，使用较多的是紫外分光光度计，而该设备在测量中还存在以下几个问题
I、在检测形状不固定(通常称为随形)的宝石时，入射光线在宝石表面的任意方向都可能有反射光，而传统紫外分光光度计采样系统的光路固定，对于随形的物体很难确保反射光的高效采集，故对于随形的样品测量存在不确定性。2、传统的紫外分光光度计均采用前置分光，即光源发出的复合光通过分束器、单色器分光后变成单色光投射到样品上，然后经过光电探测元件记录信息。为了实现不同波长下光度值的连续记录，就需要通过机械装置旋转和调整，若要保证波长分辨率就需要延长扫描时间，测量速度慢，效率低。同时，由于采用了精密机械旋转装置，现有的测量仪器对调试和安装的要求高，造成仪器工艺复杂、造价昂贵。这种测量方法显然已经不能完全适应当前宝石检测行业的发展趋势。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种方便、准确地对随形样品进行检测，而且测试速度极快的用于宝石检测的反射测量光谱取样系统。本发明还提供了一种方便、准确地对随形样品进行检测，而且测试速度极快的用于宝石检测的反射测量光谱取样方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种用于宝石检测的反射光谱测量取样系统，包括第一光源、第二光源、滤光兀件、积分球、光导纤维、分光检测�？椤⒛Ｊ荒？榧笆荽碇斩耍龌智蛏仙栌腥肷淇�、采样口及反射光出射口；
所述第一光源和第二光源发出的光通过滤光元件滤光，得到紫外-可见-近红外的连续复合光后，通过积分球上的入射孔入射到积分球内部，并在积分球内部经过多次漫反射后，通过采样口照射到测试样品上并在测试样品上发生反射，进而得到反射光线，反射光线以及经积分球漫反射的反射光线通过连接在反射光出射口的光导纤维导入分光检测�？椋止饧觳饽？槎苑瓷涔庀呓蟹止夂蠼屑觳猓瓷涔庀叩墓庾有畔⒁啦ǔに承蜃晃缧藕牛缓蠼玫缧藕磐üＪ荒？樽晃中藕藕螅涞绞荽碇斩瞬⑿纬墒凳惫馄淄�。进一步，所述分光检测�？榘ㄈ肷湎练�、准直镜、光栅、第二聚光镜及CCD感光阵列，反射光线通过入射狭缝入射后到达准直镜，经准直镜准直后照射到光栅上，经光栅分光的光线到达第二聚光镜进行聚焦后，照射到CCD感光阵列上。
进一步，还包括第一光学透镜组，所述滤光元件为一个二色镜，所述入射孔为第一入射孔，所述采样口设置在积分球的顶部，所述第一入射孔及反射光出射口分开设置于积分球的侧面及底部；
所述第一光源和第二光源发出的光通过二色镜进行滤光后，依次通过第一光学透镜组及第一入射孔入射到积分球内部。进一步，还包括第二光学透镜组及第三光学透镜组，所述滤光元件包括第一滤光片及第二滤光片，所述入射孔包括第二入射孔及第三入射孔，所述采样口设置在积分球的顶部，所述反射光出射口设置在积分球的底部，所述第二入射孔及第三入射孔分别设置于积分球的两侧面；
所述第一光源发出的光依次经过第一滤光片、第二光学透镜组及第二入射孔入射到积分球内部，所述第二光源发出的光依次经过第二滤光片、第三光学透镜组及第三入射孔入射到积分球内部。进一步，所述反射光出射口处设置有第一聚光镜和/或所述采样口处设置有高透光的石英片。本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是
一种用于宝石检测的反射光谱测量取样方法，包括
51、将第一光源和第二光源发出的光进行滤光后得到入射光线，将入射光线通过积分球上的入射孔入射到积分球内部；
52、入射光线在积分球内部经过多次漫反射后，通过采样口照射到测试样品上并在测试样品上发生反射，进而得到反射光线；
53、通过反射光出射口采集反射光线以及经积分球漫反射的反射光线，并通过光导纤维导入到分光检测模块中；
54、分光检测�？槎苑瓷涔庀呓蟹止夂蠼屑觳猓瓷涔庀叩墓庾有畔⒁啦ǔに承蜃晃缧藕牛�
55、将电信号通过模数转换�？樽晃中藕藕螅涞绞荽碇斩瞬⑿纬墒凳惫馄淄�。进一步，所述步骤S4,其具体为
反射光线通过入射狭缝入射后到达准直镜，经准直镜准直后照射到光栅上，经光栅分光的光线到达第二聚光镜进行聚焦后，照射到CCD感光阵列上，CCD感光阵列进行检测，进而将反射光线的光子信息依波长顺序转换为电信号。进一步，所述步骤SI,其具体为
将第一光源和第二光源发出的光通过二色镜进行滤光后得到紫外-可见-近红外的连续复合光作为入射光线，将入射光线通过第一光学透镜组进行会聚后通过第一入射孔入射到积分球内部。进一步，所述步骤SI,其具体为
将第一光源发出的光通过第一滤光片进行滤光后得到第一入射光线，将第一入射光线通过第二光学透镜组进行会聚后通过第二入射孔入射到积分球内部，将第二光源发出的光将入射光线通过第二滤光片进行滤光后得到第二入射光线，将第二入射光线通过第三光学透镜组进行会聚后通过第三入射孔入射到积分球内部。 进一步，所述步骤S3,其具体为
通过反射光出射口处设置的第一聚光镜采集反射光线以及经积分球漫反射的反射光线，并通过光导纤维导入到分光检测模块中。本发明的有益效果是本发明的一种用于宝石检测的反射光谱测量取样系统，将第一光源和第二光源发出的光进行滤光后作为入射光线，入射到积分球中，入射光线在积分球中直接或者通过积分球漫反射后，照射到测试样品上。系统对测试样品反射的光线进行采样并进行处理，最后得到实时光谱图，本发明可采集经宝石反射后的光线的实时光谱，且可有效获得用户所选的波长范围的“全光”信息，解决了随形样品测量过程中出现的不确定性问题，省去了单色扫描、机械分光等繁琐的操作步骤，极大地提高了宝石检测分析测试的效率。本发明的另一有益效果是本发明的一种用于宝石检测的反射光谱测量取样方法，将第一光源和第二光源发出的光进行滤光后作为入射光线，入射到积分球中，入射光线在积分球中直接或者通过积分球漫反射后，照射到测试样品上。对测试样品反射的光线进行采样并进行处理，最后得到实时光谱图，本发明可采集经宝石反射后的光线的实时光谱，且可有效获得用户所选的波长范围的“全光”信息，解决了随形样品测量过程中出现的不确定性问题，省去了单色扫描、机械分光等繁琐的操作步骤，极大地提高了宝石检测分析测试的效率。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图I是本发明的一种用于宝石检测的反射光谱测量取样系统的一实施例的结构框 图2是本发明的一种用于宝石检测的反射光谱测量取样系统的另一实施例的结构框
图3是本发明的分光检测�？�10的结构框 图4是本发明的一种用于宝石检测的反射光谱测量取样方法的流程 图5是用本发明的方法测试天然金珍珠时所得到的实时光谱 图6是用本发明的方法测试天然钻石时所得到的实施光谱图。
具体实施例方式为了便于下文的描述，首先对下列名词进行解释
CO) :Charge_coupled Device,电荷稱合兀件,可直接将光学信号转换为模拟电信号。参照图1，本发明提供了一种用于宝石检测的反射光谱测量取样系统，包括第一光源I、第二光源2、滤光元件、积分球S、光导纤维9、分光检测�？�10、模数转换�？�11及数据处理终端12，所述积分球S上设有入射孔、采样口 6及反射光出射口 7 ；
所述第一光源I和第二光源2发出的光通过滤光元件滤光后，通过积分球S上的入射孔入射到积分球S内部，并在积分球S内部经过多次漫反射后，通过采样口 6照射到测试样品13上并在测试样品13上发生反射，进而得到反射光线，反射光线以及经积分球S漫反射的反射光线通过连接在反射光出射口 7的光导纤维9导入分光检测�？�10，分光检测�？�10对反射光线进行分光后进行检测，进而将反射光线的光子信息依波长顺序转换为电信 号，然后将该电信号通过模数转换�？�11转换为数字信号后，传输到数据处理终端12并形成实时光谱图。进一步作为优选的实施方式，参照图3，所述分光检测�？�10包括入射狭缝21、准直镜22、光栅23、第二聚光镜24及CXD感光阵列25，反射光线通过入射狭缝21入射后到达准直镜22，经准直镜22准直后照射到光栅23上，经光栅23分光的光线到达第二聚光镜24进行聚焦后，照射到CXD感光阵列25上。这里，分光后的光线经第二聚光镜24进行聚焦后，照射到CXD感光阵列25的不同位置时，每个位置处的CXD将对入射到该CXD上的光线进行检测，通过合理设置CCD感光阵列的CCD数量及分布，可检测出光线中各波长光的强度。优选的，这里光栅23可以采用平面光栅。进一步作为优选的实施方式，参照图2，还包括第一光学透镜组41，所述滤光元件为一个二色镜31，所述入射孔为第一入射孔51，所述采样口 6设置在积分球S的顶部，所述第一入射孔51及反射光出射口 7分开设置于积分球S的侧面及底部；
所述第一光源I和第二光源2发出的光通过二色镜31进行滤光，得到紫外-可见-近红外的连续复合光后，依次通过第一光学透镜组41及第一入射孔51入射到积分球S内部。优选地，在以上实施例中，第一光源I采用氘灯光源，第二光源2采用卤钨灯光源，所述二色镜31是一个对波长在400nm以下的光具有高透过率，而对波长400nm以上的光具有高反射率的二色镜。氘灯光源主要提供400nm以下的紫外光，但也有400nm以上有尖峰的光，卤钨灯光源主要提供350nm-2200nm的可见近红外光，而氘灯发出的400nm以上的有尖峰的光，跟卤钨灯光源发出的光能量不在同一个数量级。因二色镜31是一个对波长在400nm以下的光具有高透过率，而对波长400nm以上的光具有高反射率的二色镜，氘灯光源和卤钨灯光源发出的光通过二色镜31后，选择性地滤除了氘灯光源发出的400nm以上的光以及卤钨灯光源发出的400nm以下的光，使两个光源的光平衡后形成波长范围涵盖200-2200nm的复合光。因为宝石对特定的波长峰值或者波段具有吸收特性，因此可采集经宝石反射后的实时光谱图与行业公布的相应宝石的标准谱图进行对比，进而鉴别宝石的真伪。进一步作为优选的实施方式，参照图3，还包括第二光学透镜组42及第三光学透镜组43，所述滤光元件包括第一滤光片32及第二滤光片33，所述入射孔包括第二入射孔52及第三入射孔53，所述采样口 6设置在积分球S的顶部，所述反射光出射口 7设置在积分球S的底部，所述第二入射孔52及第三入射孔53分别设置于积分球S的两侧面；所述第一光源I发出的光依次经过第一滤光片32、第二光学透镜组42及第二入射孔52入射到积分球S内部，所述第二光源2发出的光依次经过第二滤光片33、第三光学透镜组43及第三入射孔53入射到积分球S内部。优选地，在以上实施例中，第一光源I采用氘灯光源，第二光源2采用卤钨灯光源，这里，第一滤光片32及第二滤光片33所起的作用与二色镜31相同，第一滤光片32滤除了氘灯光源发出的400nm以上的光，而第二滤光片33滤除了卤钨灯光源发出的400nm以下的光，使最终进入积分球S的两路光覆盖波段为200-2200nm，且能量较为均衡。本实施例中用两个滤光片来替代二色镜31，并采用两个光学透镜组分别将两个光源发出的光进行会聚后，从积分球S的两个侧面入射到积分球S的内部。进一步作为优选的实施方式，所述反射光出射口 7处设置有第一聚光镜8和/或所述采样口 6处设置有高透光的石英片。安装第一聚光镜8时，可从反射光出射口 7处入 射一束光线，使光线会聚到采样口 6处，则此时第一聚光镜8的位置为合适位置。根据光路可逆定理，则采样口处返回的反射光线将被第一聚光镜8进行收集。这里，加入第一聚光镜8可更好的采集反射光线以及经积分球漫反射的反射光线。在实施中，令聚光镜8以8°角采集样品反射回来的反射光线以及经积分球S漫反射的反射光线，可达到最好的采集效果。而在反射光出射口 7处设置有第一聚光镜8，可将测试样品直接放置在石英片上，因此可测试任意形状的测试样品。参照图4，本发明还提供了一种用于宝石检测的反射光谱测量取样方法，包括
51、将第一光源I和第二光源2发出的光进行滤光后得到入射光线，将入射光线通过积分球上的入射孔入射到积分球S内部；
52、入射光线在积分球S内部经过多次漫反射后，通过采样口6照射到测试样品13上并在测试样品13上发生反射，进而得到反射光线；
53、通过反射光出射口7采集反射光线以及经积分球S漫反射的反射光线，并通过光导纤维9导入到分光检测�？�10中；
54、分光检测�？�10对反射光线进行分光后进行检测，进而将反射光线的光子信息依波长顺序转换为电信号；
55、将电信号通过模数转换模块11转换为数字信号后，传输到数据处理终端12并形成实时光谱图。得到珠宝样品的紫外、可见或近红外和部分红外反射光谱图后，通过比对反射光图谱中宝石所对应的特征吸收峰或吸收带，就可以科学准确快速地判定出宝石样品的真伪。这里宝石还可包括各种珠宝，例如钻石、金珍珠、红珊瑚及翡翠等。图5是用本方法测试天然金珍珠时所得到的实时光谱图，而根据珠宝行业公布的判定标准，天然金珍珠对光线的特征吸收峰值在360nm及420nm处，因此，可根据测试得到的光谱图进行鉴定。图6是用本方法测试天然钻石时所得到的实时光谱图，而根据珠宝行业公布的判定标准，天然钻石对光线的特征吸收峰值在300nm左右及415nm处，因此，可根据测试得到的光谱图进行鉴定。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤S4，其具体为
反射光线通过入射狭缝21入射后到达准直镜22，经准直镜22准直后照射到光栅23上，经光栅23分光的光线到达第二聚光镜24进行聚焦后，照射到CXD感光阵列25上，CXD感光阵列25进行检测，进而将反射光线的光子信息依波长顺序转换为电信号。进一步作为优选的实施方式，所述步骤SI，其具体为
将第一光源I和第二光源2发出的光通过二色镜31进行滤光后得到紫外-可见-近红外的连续复合光作为入射光线，将入射光线通过第一光学透镜组41进行会聚后通过第一入射孔51入射到积分球S内部。进一步作为优选的实施方式，所述步骤SI，其具体为
将第一光源I发出的光通过第一滤光片32进行滤光后得到第一入射光线,将第一入射 光线通过第二光学透镜组42进行会聚后通过第二入射孔52入射到积分球S内部，将第二光源2发出的光将入射光线通过第二滤光片33进行滤光后得到第二入射光线，将第二入射光线通过第三光学透镜组43进行会聚后通过第三入射孔53入射到积分球S内部。进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3，其具体为
通过反射光出射口 7处设置的第一聚光镜8采集反射光线以及经积分球S漫反射的反射光线，并通过光导纤维9导入到分光检测�？�10中。在实施中，令聚光镜8以8°角采集样品反射回来的反射光线以及经积分球S漫反射的反射光线，可达到最好的采集效果。以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
权利要求
1.一种用于宝石检测的反射光谱测量取样系统，其特征在于，包括第一光源(I)、第二光源(2)、滤光元件、积分球(S)、光导纤维(9)、分光检测模块(10)、模数转换�？�(11)及数据处理终端(12)，所述积分球(S)上设有入射孔、采样口(6)及反射光出射口(7); 所述第一光源(I)和第二光源(2 )发出的光通过滤光元件滤光后，通过积分球(S )上的入射孔入射到积分球(S)内部，并在积分球(S)内部经过多次漫反射后，通过采样口(6)照射到测试样品(13)上并在测试样品(13)上发生反射，进而得到反射光线，反射光线以及经积分球(S)漫反射的反射光线通过连接在反射光出射口(7)的光导纤维(9)导入分光检测�？�(10)，分光检测�？�(10)对反射光线进行分光后进行检测，进而将反射光线的光子信息依波长顺序转换为电信号，然后将该电信号通过模数转换�？�(11)转换为数字信号后，传输到数据处理终端(12)并形成实时光谱图。
2.根据权利要求I所述的一种用于宝石检测的反射光谱测量取样系统，其特征在于所述分光检测�？�(10)包括入射狭缝(21)、准直镜(22)、光栅(23)、第二聚光镜(24)及CXD感光阵列(25)，反射光线通过入射狭缝(21)入射后到达准直镜(22)，经准直镜(22)准直后照射到光栅(23)上，经光栅(23)分光的光线到达第二聚光镜(24)进行聚焦后，照射到CCD感光阵列(25)上。
3.根据权利要求I所述的一种用于宝石检测的反射光谱测量取样系统，其特征在于还包括第一光学透镜组(41)，所述滤光元件为一个二色镜(31)，所述入射孔为第一入射孔(51)，所述采样口(6)设置在积分球(S)的顶部，所述第一入射孔(51)及反射光出射口(7)分开设置于积分球(S)的侧面及底部； 所述第一光源(I)和第二光源(2)发出的光通过二色镜进行滤光，得到紫外-可见-近红外的连续复合光后，依次通过第一光学透镜组(41)及第一入射孔(51)入射到积分球(S)内部。
4.根据权利要求I所述的一种用于宝石检测的反射光谱测量取样系统，其特征在于还包括第二光学透镜组(42)及第三光学透镜组(43)，所述滤光元件包括第一滤光片(32)及第二滤光片(33)，所述入射孔包括第二入射孔(52)及第三入射孔(53)，所述采样口(6)设置在积分球(S)的顶部，所述反射光出射口(7)设置在积分球(S)的底部，所述第二入射孔(52)及第三入射孔(53)分别设置于积分球(S)的两侧面； 所述第一光源(I)发出的光依次经过第一滤光片(32 )、第二光学透镜组(42 )及第二入射孔(52)入射到积分球(S)内部，所述第二光源(2)发出的光依次经过第二滤光片(33)、第三光学透镜组(43)及第三入射孔(53)入射到积分球(S)内部。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的一种用于宝石检测的反射光谱测量取样系统，其特征在于所述反射光出射口(7)处设置有第一聚光镜(8)和/或所述采样口(6)处设置有高透光的石英片。
6.一种用于宝石检测的反射光谱测量取样方法，其特征在于，包括 S1、将第一光源(I)和第二光源(2)发出的光进行滤光后得到入射光线，将入射光线通过积分球上的入射孔入射到积分球(S)内部； S2、入射光线在积分球(S)内部经过多次漫反射后，通过采样口(6)照射到测试样品(13)上并在测试样品(13)上发生反射，进而得到反射光线； S3、通过反射光出射口(7)采集反射光线以及经积分球(S)漫反射的反射光线，并通过光导纤维(9)导入到分光检测模块(10)中； · 54、分光检测�？�(10)对反射光线进行分光后进行检测，进而将反射光线的光子信息依波长顺序转换为电信号； ·55、将电信号通过模数转换�？�(11)转换为数字信号后，传输到数据处理终端(12)并形成实时光谱图。
7.根据权利要求6所述的一种用于宝石检测的反射光谱测量取样方法，其特征在于，所述步骤S4，其具体为 反射光线通过入射狭缝(21)入射后到达准直镜(22)，经准直镜(22)准直后照射到光 栅(23)上，经光栅(23)分光的光线到达第二聚光镜(24)进行聚焦后，照射到CXD感光阵列(25)上，CCD感光阵列(25)进行检测，进而将反射光线的光子信息依波长顺序转换为电信号。
8.根据权利要求6所述的一种用于宝石检测的反射光谱测量取样方法，其特征在于，所述步骤SI，其具体为 将第一光源(I)和第二光源(2)发出的光通过二色镜(31)进行滤光后得到紫外-可见-近红外的连续复合光作为入射光线，将入射光线通过第一光学透镜组(41)进行会聚后通过第一入射孔(51)入射到积分球(S)内部。
9.根据权利要求6所述的一种用于宝石检测的反射光谱测量取样方法，其特征在于，所述步骤SI，其具体为 将第一光源(I)发出的光通过第一滤光片(32)进行滤光后得到第一入射光线,将第一入射光线通过第二光学透镜组(42)进行会聚后通过第二入射孔(52)入射到积分球(S)内部，将第二光源(2)发出的光将入射光线通过第二滤光片(33)进行滤光后得到第二入射光线，将第二入射光线通过第三光学透镜组(43)进行会聚后通过第三入射孔(53)入射到积分球(S)内部。
10.根据权利要求6所述的一种用于宝石检测的反射光谱测量取样方法，其特征在于，所述步骤S3，其具体为 通过反射光出射口(7)处设置的第一聚光镜(8)采集反射光线以及经积分球(S)漫反射的反射光线，并通过光导纤维(9)导入到分光检测�？�(10)中。
全文摘要
本发明公开了一种用于宝石检测的反射光谱测量取样系统及方法，该系统包括第一光源、第二光源、滤光元件、积分球、光导纤维、分光检测�？�、模数转换�？榧笆荽碇斩耍龌智蛏仙栌腥肷淇�、采样口及反射光出射口。本发明可采集经宝石反射后的光线的实时光谱，且可有效获得用户所选的波长范围的“全光”信息，解决了随形样品测量过程中出现的不确定性问题，省去了单色扫描、机械分光等繁琐的操作步骤，极大地提高了宝石检测分析测试的效率。本发明作为一种性能优良的用于宝石检测的反射测量光谱取样系统及方法可广泛应用于珠宝鉴定行业中。
文档编号G01N21/87GK102967604SQ20121043904
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月6日 优先权日2012年11月6日
发明者宋光均, 郑祥利, 吴剑峰, 高玲 申请人:广州标旗电子科技有限公司
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