DE2011931C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der photometrischen Transmission geschliffener Diamanten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der photometrischen Transmission geschliffener Diamanten, mit einer Aufnahme bzw. einem Halter für die Diamanten unterhalb ihrer Rondiste unter völligem Freiliegen des Oberteiles, mit einer Lichtquelle für monochromatisches Licht, welches über einen oberhalb der Tafel des Diamanten angeordneten Lichtleiter in die Tafel der Diamanten eintritt, im Stein gemäß der Schliffgeometrie reflektiert wird und durch die Oberteilfacetten austritt, und mit einer Einrichtung zur Aufnahme und Messung des reflektierten Lichtes.

Neben Schliff, Reinheit und Gewicht ist die Farbe das Hauptmerkmal für die genaue Bestimmung, speziell für die Qualitätsbestimmung von geschliffenen Diamanten. Zwar gibt es heute schon eine ganze Anzahl von Vorrichtungen, mit denen Reinheit, Schliff und Gewicht genügend präzise bestimmt werden können, jedoch ist eine genaue und vor allen Dingen wiederholbare Farbbestimmung nach wie vor problematisch.

Es ist eine jedem Fachmann bekannte Tatsache, daß die Farbe eines Diamanten von strukturellen Inhomogenitäten abhängig ist, d. h, daß das in den Stein einfallende und in ihm reflektierte Licht eine Absorption erfährt, durch die die Färbung verursacht wird. Will man diese Absorption messen und schaltet dabei nicht die Anteile der Oberflächenreflexion eines einfallenden Strahles aus, so wird dies immer zu falschen Meßergebnissen hinsichtlich absoluter Werte für die

Farbe führen.

In dem Bestreben, die bei der Farbbestimmung mit bloßem Auge auftretenden Fehlerquellen, insbesondere infolge Abhängigkeit von subjektiven Einflüssen, ^r> auszuschalten, ist ein Remissions-Spektralphotometer entwickelt worden, das unter Zuhilfenahme der sog. Ulbricht-Kugel arbeitet (»Zeitschrift der DEUTSCHEN GESELLSCHAFT FÜR EDELSTEINKUNDE«, Heft 61, Herbst 1967, S. 67 bis 74). Dieses Gerät ist jedoch

ι» nicht nur technisch-konstruktiv sehr aufwendig und im praktischen Gebrauch unwirtschaftlich und umständlich, sondern vor allem für die Farbbestimmung von Diamanten nicht zuverlässig genug. Denn üblicherweise wird die Ulbricht-Kugel für Oberfli>chenmessungen

^|r> verwendet, während es bei Diamanten insbesondere auf den im Diamanten totalreflektierten Lichtanteil ankommt. Bei einer solchen Remissionsmessung kann man aber nicht die Anteile des an der Tafel reflektierten Lichtes einerseits und des in die Tafel eingetretenen, an

-'<> den Unterteilfacetten des Diamanten reflektierten und aus den Oberteilfacetten ausgetretenen Lichtes andererseits differenzieren, so daß eine eindeutige Aussage über das Absorptionsverhalten des Diamanten nicht möglich ist. Vielmehr wird infolge der Messung

^^r> des oberflächenreflektierten Lichtes der ermittelte Wert stets zu günstig gegenüber ausschließlich im Stein reflektiertem Licht ausfallen.

Außerdem ist die Lageposition des Diamanten zur Austrittsöffüung der Kugel nicht eindeutig wiederhol-

)o bar, so daß man, um einigermaßen reproduzierbare Meßwerte zu erhalten, hinsichtlich der Justierung unverhältnismäßig viel Zeit aufwenden muß.

Es ist weiter eine Vorrichtung bekannt (LIS-PS 29 60 909), mit der die Absorption des durch einen

<> Edelstein hindurchtretenden Lichtes, also des sog. Durchlichtes, gemessen und ein Quotient aus den Meßbeträgen von Licht zweier Wellenlängen gebildet werden kann. Diese Vorrichtung besteht aus einer Lichtquelle, einer dieser vorgeschalteten, selektiv blaues

4i) oder gelbes Licht erzeugenden Einrichtung in Form eines Filterrades, einer das gefilterte Licht auf den Diamanten leitenden Optik, einer Aufnahme für den Diamanten, einem lichtelektrischen Empfänger und einem von diesem gespeisten elektronischen Schaltkreis

4¹S mit Meßwertanzeige. Da aber der Schliff von Diamanten, insbesondere von Brillanten, gerade auf eine Totalreflexion des in die Tafel eintretenden Lichtes im Stein und den Austritt des totalreflektierten Lichtes durch die Oberteilfacetten hinzielt, wäre die Ausbeute

so des reinen Durchlichtes zu gering, würde man mit gerichtetem, senkrecht in die Tafel eintretenden Licht arbeiten. Vielmehr ist bei der bekannten Vorrichtung, um eine Totalreflexion im Stein weitgehend zu verhindern ein Diffusor vorgesehen, durch den eine

« Auflösung der gerichteten Strahlenbündel bewirkt und Streulicht erzeugt wird, das nicht mehr der eigentlich gewollten Geometrie des Strahlenganges gehorcht, wohl aber den Lichtausbeuteanteil des durch die Unterteilfacette beim Brillanten hindurchtretenden

w) Lichtes wesentlich erhöht. Aus den erhaltenen Meßwerten des ein- und austretenden Lichtes wird ein Quotient gebildet, der ein Maß für die Lichtabsorption im Stein angibt. Die erhaltenen Quotienten stellen jedoch keine Konstante für den Stein dar, da man bei Lageveränderung des Steines völlig andere Meßwerte erhält. Denn die Intensitäten des einfallenden und austretenden Lichtes ändern sich nicht etwa proportional, sondern die Unterschiede sind abhängig von den verschiedenen

Lichtweglängen im Stein und den geänderten Winkelverhäitnissen. Vor allem aber eignet sich diese Vorrichtung nicht für die Farbbestimmung geschliffener Diamanten, weil mit ihr das Durchlichi und damit ein Lichtanteil gemessen wird, der überhaupt für die Farbbestimmung unbedeutend ist. Weiter treten durch die Verwendung einfacher Farbfilter unterschiedliche Licht-Streuwerte auf, die eine einwandfreie Reproduzierbarkeit verhindern.

Um eine bessere Reproduzierbarkeit, als sie mit den bekannten Geräten erst möglich ist, zu erzielen, ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen worden (DTPS 17 72 105), bei der das über einen faseroptischen Lichtleiter in die Tafel des Diamanten eingeleitete Licht nach Totalreflexion im Stein von einem photoelektrischen Empfänger aufgenommen wird, der entweder um den Lichtleiter herum angeordnet ist oder sich seitlich davon befindet und das totalreflektierte Licht von einem um den Lichtleiter herum angeordneten Spiegel empfängt Obgleich man mit dieser Vorrichtung durchaus brauchbare Werte für die Farbbestimmung erhält, ist die Messung noch nicht so weitgehend von äußeren Einflüssen unabhängig, als daß sie jederzeit und an jedem Ort reproduzierbare Werte erbrächte. So treten durch die Übertragung des im Stein totalreflektierten Lichtes durch das Medium Luft zur Photozelle hin Streuverluste und nicht definierbare Absorptionsverluste auf, die Meßwertungenauigkeiten ergeben und beispielsweise von der Feuchtigkeit der Umgebungsluft abhängig sind. Weiter ist es bei dieser Vorrichtung möglich, daß Lichtanteile zur Photozelle gelangen, die entweder an der Tafel oder den Oberteilfacetten oberflächenreflektiert wurden. Diese Lichtanteile ergeben ebenfalls Meßfehler und machen eine Wiederholbarkeit der Messungen nur bei genauestem Festhalten aller Parameter möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der in beliebig reproduzierbarer Weise ein Wert für die Farbe von geschliffenen Diamanten, insbesondere zum Vergleich mit der international bekannten und handelsüblichen Farbskala für geschliffene Diamanten zu ermitteln ist, wobei insbesondere die subjektiven Durchführungsfehler vermieden und durch Oberflächenreflexionen, Umgebungsverhältnisse sowie wechselnde Einstellungen des Diamanten bedingte Abweichungen ausgeschaltet werden.

ErfindungsgemäQ wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein optischer Übertrager, bestehend aus einem gegenüber Luft optisch dichteren Medium, für das im Diamanten reflektierte und aus dem Oberteil austretende Licht vorgesehen ist, der den Lichtleiter mindestens teilweise umschließt, und daß mindestens entweder die Austrittsfläche des Lichtlei'.ers oder die Eintrittsfläche des Übertragers plan gegen die Tafel anliegen.

Damit wird nicht nur ein konstruktiv und baulich einfaches, jederzeit und an verschiedenen Orten reproduzierbare Meßergebnisse erzielendes und für den Edelsteinpraktiker leicht zu handhabendes Gerät geschaffen, mit dem man die Absorption des im Stein totalreflektierten Lichtes zweier bestimmter Wellenlängen messen und die ermittelten Meßwerte zueinander ins Verhältnis setzen kann. Sondern man erzielt einen die Farbe jedes Steines exakt definierenden Wert, der von Fehlerquellen des Gerätes oder der bedienenden Person weitestgehend unabhängig ist, indem man in einer Einstellung des Diamanten und des Meßgerätes den Schwächungsbetrag der beiden vorgegebenen Wellenlängen mißt, und durch Quotientenbildung aus den ermittelten Transmissionen eine aussagekräftige Konstante für jeden Stein erhält, im Gegensatz zu dem bekannten Remissions-Spektralphotometer, bei dem ^r> man, um einigermaßen reproduzierbare Meßwerte zu erhalten, allein hinsichtlich der Justierung des Diamanten erfahrungsgemäß einen zeitraubenden Aufwand von ca. 5 Minuten treiben muß, geht die Betätigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bedeutend schneller

κι vonstatten und beträgt etwa '/io der Zeit, also ca. '/2 Minute. Auch können die Anforderungen an die meßtechnischen Qualifikationen des Bedienungspersonals niedriger gehalten werden, weil das erfindungsgemäße Gerät schnell und einfach zu bedienen und vor

i'> allen Dingen in seinen wesentlichen Funktionen zu überschauen ist.

Weitere Ausfühningsformen der Erfindung sind insbesondere aus Gründen technisch-konstruktiver Einfachheit vorgesehen und verbessern die Herstellung und die Bedienbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. So können vorzugsweise die Austrittsfläche des Lichtleiters und die Eintrittsfläche des Übertragers in einer optisch planen Ebene liegen, gegen die die Tafel des Diamanten, ggf. unter Federdruck, anliegt. Auf diese

Weise bilden Lichtleiter und Übertrager einen glatten Abschluß. In diesem Zusammenhang ist wiederum vorteilhaft, wenn Lichtleiter, Übertrager und Aufnahme eine konstruktive Einheit bilden, weil man so ein leicht austauschbares und zu handhabendes Bauelement

κι erhält, das ein Minimum an Platz einnimmt und eine exakte, gleichbleibende Lage zwischen den einzelnen Funktionsteilen gewährleistet. Hinsichtlich der Funktionsfähigkeit des Gerätes, d. h. speziell hinsichtlich der Lichtleitung, ist es besonders günstig, wenn Lichtleiter

)*> und Übertrager aus Faseroptiken bestehen, die mindestens teilweise flexibel sind, so daß sich dadurch ein einfacher, funktionsgerechter Einbau innerhalb des Gerätes erzielen läßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der

Erfindung und deren Funktionsweise wird im folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert.

In konstruktiver Einheit erkennt man einen Lichtleiter 1 für die einfallenden Strahlen, eine Aufnahme 2 für einen Diamanten 24, der hier die Schlifform eines Brillanten besitzt, und einen optischen Übertrager 5. Diese konstruktive Einheit, insbesondere der optische Übertrager 5, ist vorzugsweise zylinderförmig und nach außen hin durch eine entsprechende Hülle oder Mantel 6 abgedeckt.

■so Lichtleiter 1 und optischer Übertrager 5 sind so angeordnet, daß ihre diarnantseitigen Flächen in einer optisch planen Ebene 4 liegen. Um Intensitätsverluste zu vermeiden, ist der zwischen Oberfläche des Halters 2 und der optisch planen Ebene 4 gebildete Raum von einem Spiegel 3 abgeschlossen. Der Halter 2 wird, wenn in ihn ein Diamant 24 eingelegt ist, fest gegen die optisch plane Ebene 4 gedrückt, was durch jede hierfür geeignete Vorrichtung, beispielsweise durch eine Andrückfeder, geschehen kann. Es kommt immer darauf

bo an, daß die Tafel des geschliffenen Diamanten, hier des Brillanten, in optisch eindeutiger Weise gegen die Ebene 4 anliegt, um Reflexionen oder sonstige Lichtstreuungen zu vermeiden.

Der Halter 2 für den Diamanten 24 ist so ausgebildet.

b5 daß der Diamant unterhalb seiner Rondiste bzw. Faserkante gehalten wird und das Oberteil des Diamanten, d. h. das Teil, welches sich oberhalb der Rondiste befindet, völlig frei ließt, so daß alles Licht.

welches nach der Geometrie des Strahlenganges im geschliffenen Stein aus dem Oberteil reflektiert werden wird, frei austreten und in den optischen Übertrager 5 gelangen kann. Wie man aus der Zeichnung erkennt, besitzt der Halter 2 einen der Schlifform des Unterteiles ■> des Diamanten 24 entsprechenden Schliffkegel, so daß der Stein ohne Schwierigkeiten eingelegt werden kann und die Anwendung des Halters ohne weiteres für große und kleine Steine einer Schlifform, also beispielsweise für große und kleine Brillanten, möglich ist, da iu bekanntermaßen die Spitzenwinkel des Unterteiles bei Brillanten gleich sind. Natürlich wird man für andere Schlifformen von Diamanten, welche von dem Brillantschliff unterschiedlich sind, diesen angepaßte Halterungen bzw. Aufnahmen verwenden, was dem Fachmann aber ohne besondere Schwierigkeiten und technischen Aufwand möglich ist.

Der Lichtleiter 1, der übrigens ebenso wie der optische Übertrager eine flexible Faseroptik oder auch ein Lichtleitstab sein kann, wird von einer ihn vorgeschalteten lichterzeugenden Einrichtung gespeist, die im wesentlichen aus einer Lichtquelle 23 und einem zwischen dieser Lichtquelle und dem Lichtleiter 1 angeordneten Filterrad 8 besteht, während dazwischen in bekannter Weise eine abbildende Optik 9 angeordnet ist. Auf dem Filterrad 8 sind zwei Filter 71, 72 angeordnet, die jeweils nur ein Licht einer gewünschten Wellenlänge durchlassen. Im vorliegenden Beispiel wird also der Lichtleitstab 1 und damit auch der Diamant 24 nur mit Licht zweier Wellenlängen beaufschlagt, doch jo ist es selbstverständlich auch möglich, mehr als zwei Filter vorzusehen, so daß man monochromatisches Licht von mehr als zwei Wellenlängen erzeugen kann. — In der dargestellten Ausbildungsform ist der Filter 71 für Licht der dem Absorptionsmaximum von Diamanten J5 entsprechenden Wellenlänge λ> = 415,5 nm vorgesehen, während der zweite Filter Licht der Wellenlänge A₂ = 520 nm durchläßt.

An den optischen Übertrager 5 schließt sich eine weitere abbildende Optik 10 an, in der das Licht 4u gebündelt und dann auf einen lichtelektrischen Empfänger U geworfen wird, der ein Photowiderstand sein kann oder aber, wie im vorliegenden Falle, ein Photomultiplier in Form eines Sekundär-EIektronen-Vervielfachers. Dieser lichtelektrische Empfänger 11 ist ein in seiner Empfindlichkeit bzw. Verstärkung variabel steuerbares Element.

Der lichtelektrische Empfänger 11 ist mit einem Demodulator 12 verbunden, von dem zwei Kanäle 18,19 für die durch den Demodulator 12 geteilten Signale ausgehen und der zwecks Synchronsteuerung mit dem Filterrad 8 verbunden ist. Die beiden Kanäle 18,19 sind durch eine Meßwertanzeige 16 miteinander gekoppelt, wobei in den Kanal 19 eine Abgleicheinrichtung 15 eingeschaltet ist, während sich im Kanal 18 eine Regeleinrichtung 14 mit einem Sollwertgeber 13 befindet. Diese Regeleinrichtung 14 ist ihrerseits mit dem lichtelektrischen Empfänger 11 rückgekoppelt.

Die Arbeitsweise bzw. Handhabung des Gerätes ist folgende:

Zunächst erfolgt die Eichung bzw. der Abgleich der Vorrichtung, wobei statt eines Steines 24 unter 45° ein Spiegel unterhalb der planen Ebene 4 angeordnet wird. Aus der Lichtquelle 23 fällt, von der abbildenden Optik 9 gebündelt, Licht auf die beiden Filter 71 und 72 des sich tf> drehenden Filterrades 8, wobei die beiden Filter jeweils nur Licht einer bestimmten Wellenlänge durchlassen. Das Licht wird durch den Lichtleiter 11 auf den Spiegel und von diesem über den optischen Übertrager 5 line die zweite abbildenden Optik 10 auf den lichtelektrischen Empfänger 11 geworfen. Von diesem wird es ir ein elektrisches Transmissionssignal 22 umgewandeli und zu dem Demodulator 12 geleitet, der die Signale 22 entsprechend der von dem Filterrad 8 abgeleiteten und über die Verbindung 21 übertragenen Synchronisierung die Signale 22 demoduliert und auf den jeweils zugehörigen Kanal 18 oder 19 verteilt. Der Abgleich erfolgt nun auf den Betrag oder die Höhe eines Signals, das vom Sollwertgeber 13 auf den Regler 14 gegeben wird und über die Rückkopplung 17 dafür sorgt, daß die Empfindlichkeit des lichtelektrischen Empfängers U so eingestellt wird, daß das Signal im Kanal 18 die gleiche Höhe hat wie das im Kanal 19. Die Eichung des Gerätes ist dann erfolgt, wenn der auf der Meßanzeige abgebildete Wert = 1 ist, d. h., wenn die beiden Intensitäten der beiden verwendeten Wellenlängen gleich sind und damit der Quotient aus ihnen = 1 wird.

Nach erfolgter Eichung wird dann der geschliffene Diamant 24 in den Halter 2 eingelegt und mit seiner Tafel fest gegen die optisch plane Ebene 4 zur Anlage gebracht. Der Strahlenverlauf ist jetzt selbstverständlich der gleiche wie bei der Eichung, jedoch erhält man auf Grund der Struktur des Steines bei den beiden verwendeten Wellenlängen zwei verschiedene Signale in den Kanälen 18 und 19. Das Signal im Kanal 18 wird mit dem Signal des Sollwertgebers 13 verglichen und gegebenenfalls durch die Rückkopplung 17 nachgeregelt Da durch diese Rückkopplung 17 die Empfindlichkeit des lichtelektrischen Empfängers 11 geändert wird, ändert sich das Signal im Kanal 19 um den gleichen Betrag. Die Änderung dieses Betrages wird auf der Meßanzeige 16 abgebildet und entspricht dem Quotienten der beiden gemessenen Transmissionen. Dieser Quotient ist eine Konstante des gemessenen Diamanten, die zu beliebiger Zeit an beliebigem Ort von anderen Personen erneut gemessen werden kann.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß selbstverständlich die Auflagefläche des optischen Übertragers 5 immer größer als der Tafeldurchmesser des zu messenden Diamanten 24 sein muß, während der Austrittsquerschnitt des Lichtleiters 1 kleiner oder höchstens gleich dem Tafeldurchmesser sein sollte. Durch diese Größenverhältnisse ergibt sich eine Selbstjustierung des Steines in bezug auf die optisch plane Ebene 4, und jegliches Kippen wird ausgeschaltet, so daß man immer eindeutige Verhältnisse hinsichtlich Einstrahlung und Ausstrahlung erhält, wobei sich die Erfindung weiter die Tatsache zunutze macht, daß alles totalreflektierte Licht in den optischen Übertrager fallen muß, weil der Lichtleiter 1 als lichtabgebendes Element keine Strahlen aufnehmen kann. Dem liegt das physikalische Prinzip zugrunde, daß ein Quellelement keine Senke sein kann.

Dem Fachmann wird auch ohne weiteres verständlich sein, daß für den optischen Übertrager 5 jegliches homogene lichtdurchlässige Material verwendet werden kann, wie selbstverständlich auch ein innen verspiegelter Zylinder in Frage kommt. Ebenfalls kann der lichtelektrische Empfänger unmittelbar auf dem optischen Übertrager 5 angeordnet sein, so daß damit die Konstruktion des Gerätes noch einfacher wird, weil die abbildende Optik 10 praktisch wegfällt.

Zu der geschilderten Meßmethode mit den beiden Weilenlängen ist zu bemerken, daß deren eine, also A_t, das Absorptionsmaximum des Diamanten bei 415,5 nm erfaßt, während die andere, im Beispiel mit A₂ - 520 nm

angegeben im Bereich des sichtbaren Spektrums oberhalb 500 nm liegen sollte. Der Grund für die Verwendung gerade dieser Wellenlängen ist darin zu suchen, daß der kommerziell relevante Grad der Gelbsättigung geschliffener Diamanten eine Folge besonders starker Absorption im blauen Bereich des Spektrums einerseits und besonders geringer Absorption im grüngelben Bereich des Spektrums ist, d. h., daß der Gelbgehalt eines Steines gerade durch die Stärke des Absorptionsmaximums bestimmt wird. Die zweite Wellenlänge stellt dabei eine Bezugswellenlänge dar.

Um eine noch sicherere Fehlercliminierung zu erreichen und auch Diamanten mit anderen Farbtönun-

gen, beispielsweise bräunlicher oder grünlicher Grundfärbung, die kommerziell ebenfalls in die handelsübliche Skala der Gelbsättigung eingeordnet werden, bestimmen zu können, ist es aber ebenso gut möglich monochromatisches Licht von mehr als zwei Wellenlängen zu verwenden, wobei dann eine das Absorptionsmaximum des Diamanten bei λ = 415,5 nm erfassen und die anderen im Bereich des sichtbaren Spektrums oberhalb 500 nm liegen werden. Bei z. B. drei Wellenlängen bildet man hier den Quotienten der für A= 415,5 nm und für eine der beiden höheren Wellenlängen ermittelten Werte, während die dritte Messung der Ermittlung eines Korrekturfaktors dient.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der photometrischen Transmission geschliffener Diamanten, mit einer Aufnahme bzw. einem Halter für die Diamanten unterhalb ihrer Rondiste unter v. ,em Freiliegen des Oberteiles, mit einer Lichtqut.ie für monochromatisches Licht, welches über einen oberhalb der Tafel des Diamanten angeordneten Lichtleiter in die Tafel der Diamanten eintritt, im Stein gemäß der Schliffgeometrie reflektiert wird und durch die Oberteilfacetten austritt, und mit einer Einrichtung zur Aufnahme und Messung des reflektierten Lichtes, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Übertrager (5), bestehend aus einem gegenüber Luft optisch dichteren Medium, für das im Diamanten (24) reflektiei .c und aus dem Oberteil austretende Licht vorgesehen ist, der den Lichtleiter (1) mindestens teilweise umschließt, und daß mindestens entweder die Austrittsfläche des Lichtleiters (1) oder die Eintrittsfläche des Übertragers (5) plan gegen die Tafel anliegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsfläche des Lichtleiters (I) und die Eintrittfläche des Übertragers (5) in einer optisch planen Ebene (4) liegen, gegen die die Tafel des Diamanten (24) anliegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (1), der Übertrager (5) und die Aufnahme (2) eine konstruktive Einheit bilden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtleiter (1) und Übertrager (5) aus Faseroptiken bestehen, die mindestens teilweise flexibel sind.