Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор состояния вопроса и постановка задачи исследования 11
1.1. Физические свойства алмазов 11
1.2. Классификация алмазов по форме и видам огранки. Бриллиантовая огранка
1.3. Система классификации цвета бриллиантов и алмазов 14
1.4. Оценка и измерение цвета алмазов и бриллиантов 21
1.5. Равноконтрастные колориметрические системы. Определение цветового различия 32
1.6. Условия зрительной работы оценщиков бриллиантов 38
1.7. Обоснование выбора колориметрической системы для расчета цветовых различий 49
2. Прохождения излучения в круглом бриллианте и стразе. геометрические параметры стразов 59
3. Исследование источников света и материалов для закладок, используемых при визуальной оценке цвета бриллиантов 66
3.1. Постановка задачи 66
3.2. Экспериментальные исследования спектров люминесцентных ламп 69
3.3. Влияние спектров люминесцентных ламп на колориметрические параметры бриллиантов 74
3.4. Измерение спектральных характеристик белых бумаг. 80
4. Методика расчета и расчет колориметрических параметров стеклянных образцов экспериментальные исследования и подбор стеклянных имитаторов эталонных бриллиантов цвета 90
4.1. Методика расчета и расчет колориметрических параметров стразов 90
4.2. Разработка и оптический расчет экспериментальной установки 101
4.3. Измерение спектральных коэффициента яркости стразов 106
4.4. Подбор метамерных стеклянных эталонов 116
Выводы 124
Список литературы 126
Приложения 132
- Классификация алмазов по форме и видам огранки. Бриллиантовая огранка
- Прохождения излучения в круглом бриллианте и стразе. геометрические параметры стразов
- Экспериментальные исследования спектров люминесцентных ламп
- Разработка и оптический расчет экспериментальной установки
Введение к работе
География добычи алмазов достаточно велика: Южная Африка, Якутия, Южная Америка, Австралия, Канада и др.
Суммарная годовая добыча алмазов в мире составляет 50...60 млн. карат (10... 12 тонн). Общая стоимость 6...6,5 млрд. долларов. В России добывают по данным [58] 20%, а по данным [59] - 25...28% мирового объема.
В мировом алмазно-добывающем комплексе Россия занимает особое место. Во-первых, она является одним из крупнейших производителей природных алмазов; во-вторых, имеет развитую ограночную промышленность - 65 крупных предприятий (по данным на 1999 год), в третьих, бриллианты российских производителей характеризуются традиционно высоким качеством ("русская огранка") и занимают устойчивую позицию на мировом рынке (8...10% мирового производства [59]).
Актуальность работы. Как известно [1, 2], стоимость бриллиантов определяется четырьмя параметрами: массой, которая измеряется в каратах (1 кар = 200 мг); типом и качеством огранки; дефектностью и цветом. В международной практике эту классификацию называют правилом "четырех си" {four cis) и обозначают Ac {carat, cut, clarity, color). Следует отметить практически равноценный вклад каждого из перечисленных параметров в стоимость бриллиантов, но в данной работе речь пойдет об их цвете.
Кристаллы делятся на разные цветовые группы, и этим группам присваивается соответствующий "цветовой" коэффициент; калодая цветовая группа имеет свое обозначение (буквенное или числовое) и подробное описание. Число цветовых групп и их границы постоянно пересматриваются в зависимости от складывающейся конъюнктуры рынка, а при непосредственной продаже бриллиантов за границей они оцениваются в соответствии с нормами, принятыми в соответствующих странах.
Название (словесное описание) цветовых групп имеет, отчасти, вспомогательное значение, так как в настоящее время они физически представлены эталонными бриллиантами [1, 2]. Такие бриллианты отбираются массой 0,4...0,5 (не менее 0,25) кар, правильной огранки, желтых оттенков, без люминесценции; "пороки" в них допускаются, но только не влияющие на восприятие цвета. Бриллианты выбираются с цветами, средними для цветовых групп, либо граничными (вблизи верхних или нижних границ цветовых групп).
Следует отметить, что комплект эталонов достаточно дорог, особенно если учесть, что существует целая система образцовых мер: эталоны различных разрядов, образцовые и рабочие меры, причем комплект рабочих мер имеет каждый профессиональный оценщик. В результате в производстве "замораживаются" значительные материальные средства. Кроме того практически невозможно обеспечить идентичность рабочих эталонов, поэтому целесообразно рассмотреть возможность замены бриллиантовых образцов цвета на иные.
В настоящее время за рубежом выпускаются наборы соответственно окрашенных кристаллических стразов (из монокристаллов ZrC>2 и др.) [54], которые имеют ряд существенных недостатков, не позволяющих широко использовать их в качестве эталонов цвета бриллиантов, так как:
Технология выращивания кристаллов достаточно сложна, требует длительного времени, значительных материальных затрат, специального оборудования, поэтому стоимость таких эталонов сопоставима со стоимостью бриллиантов.
Кристаллические стразы требуют отбора по цвету аналогично бриллиантовым эталонам: нет гарантии получения бездефектных кристаллов и кристаллов с идентичными цветовыми характеристиками.
Поэтому в данной работе рассматривается возможность имитации цветов кристаллов образцами из цветного оптического стекла со стандартными паспортизированными спектральными характеристиками. Это дает следующие преимущества:
1. Возможность создания эталонов с заданными цветовыми характеристиками путем расчета геометрических параметров имитаторов и подбором марок цветного оптического стекла.
Создание бездефектных эталонов, т.е. эталонов, не содержащих трещины, цветные и графитовые включения, что присуще бриллиантам.
Высокую идентичность рабочих эталонов друг другу.
4. Соответствие цвета рабочих образцовых мер цвету эталонов.
Создание нелюминесцирующих эталонов, так как для использования в качестве бриллиантовых эталонов не пригодны люминесцирующие камни.
Создание эталонов любой из существующих в мире цветовых систем (GIA, Dee Beers, Скандинавской, Германской и др.) с минимальной затратой времени и материальных средств.
Минимальные временные и материальные затраты для изготовления новых рабочих эталонов в случае изменения границ цветовых групп бриллиантовых эталонов.
Меньшая стоимость стеклянных эталонов.
Значительный экономический эффект от продажи бриллиантовых эталонов. Цена на бриллианты очень высока: круглый бриллиант среднего качества массой 1 карат стоит 3...4 тыс. долларов, т.е. 15...20 тыс. долларов за грамм (золото - около 12 долларов за грамм) [59].
Следует иметь в виду, что применяемые красители в оптических стеклах по физико-химическим показателям и, соответственно, по спектральных характеристикам отличаются от окрашивающих примесей в алмазах и бриллиантах, тем более, что примеси в алмазах могут быть различными. Поэтому цвета образцов, заменяющих бриллиантовые меры цвета (имитирующих цвет), следует рассматривать лишь как метамерные, совпадающие (в пределах допустимой погрешности) с цветами бриллиантов.
Условие совпадения метамерных цветов образцов с разными спектральными характеристиками - равенство координат цвета и, соответственно, цветности.
Этого равенства можно добиться в расчете на определенный спектр проходящего через образцы излучения. При изменении спектра излучения метамерные цвета меняются по-разному, и условие метамерного равенства цветов нарушается [10, 15]. Поскольку в настоящее время выпускаемая продукция оценивается при искусственном освещении, то необходимо определить, в какой мере "разброс" спектральных характеристик источников излучения и замена одних источников на другие нарушит метамерное равенство стеклянных и бриллиантовых образцов.
Форма имитаторов цвета может быть подобной форме бриллиантов (имитаторы в виде стразов с измененными в соответствии с показателем преломления материала имитатора углами наклона граней). Размер имитаторов (диаметр страза) должны выбираться в соответствии со спектральным показателем поглощения материала и с учетом освещения и наблюдения имитаторов.
Таким образом, основной целью диссертационной работы является разработка методики расчета и подбора образцовых мер цвета бриллиантов желтой тональности из цветных оптических стекол.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Обосновать критерий выбора колориметрической системы для после дующих колориметрических расчетов, оценки и измерения цвета бриллиантов и алмазов.
На основе анализа прохождения излучения в бриллианте классической огранки разработать методику расчета геометрических параметров стеклянных стразов, обеспечивающие одинаковые условия прохождения излучения в бриллианте и стразе.
Исследовать влияние спектров и «разброса» спектральных характеристик источников излучения, используемых при визуальной оценке цвета бриллиантов, на колориметрические параметры освещаемых ими образцов.
4. Исследовать влияние спектральных характеристик материалов закладок, используемых при визуальной оценке цвета бриллиантов, на колориметрические параметры стразов и бриллиантов.
На основе анализа спектральных характеристик цветных оптических стекол подобрать марки стекол для образцовых мер цвета бриллиантов, разработать методику расчета колориметрических параметров стеклянных стразов, обеспечивающих метамерное равенство с бриллиантовыми эталонами.
Разработать лабораторную установку, на которой условия измерений спектральных характеристик бриллиантов и стразов максимально приближены к условиям визуальной оценки цвета бриллиантов.
Провести экспериментальные исследования, подтверждающие возможность замены бриллиантовых эталонов на стеклянные имитаторы цвета.
Решение поставленных задач нашло свое отражение в структуре диссертационной работы, которая содержит:
Классификация алмазов по форме и видам огранки. Бриллиантовая огранка
Бриллиант - алмаз, которому придана специальная форма, максимально выявляющая естественный блеск камня.
Бриллианты характеризуются формой и типом огранки. Форма бриллианта определяется контуром при осмотре бриллианта сверху, а тип огранки - характером расположения граней и их формой (треугольник, ромб, трапеция и т.п.).
Средняя часть бриллианта, называемая рундистом, представляет поясок, охватывающий наибольшее сечение окружности бриллианта и делящий бриллиант на верхнюю и нижнюю части. Форма и размер рундиста определяют форму и размер бриллианта. Высота рундиста определяет качество огранки. Бриллианты высокого качества должны иметь тонкий равномерный рундист (не более 1,5% от диаметра бриллианта). Диаметр рундиста служит исходной величиной для расчета всех основных элементов огранки (высоты верхней, средней и нижней частей бриллианта, размера площадки), углы наклона основных граней верхней и нижней частей бриллианта рассчитываются относительно плоскости рундиста.
Площадка - верхняя грань - расположена перпендикулярно оси бриллианта, она имеет форму правильного восьмиугольника.
На верхней части бриллианта помимо площадки тремя поясами размещено 32 грани. Первый пояс от рундиста - 16 граней треугольной формы - называют нижними клиньями верха. Второй пояс - 8 основных граней ромбовидной формы. Третий пояс - 8 граней, имеющих форму равнобедренных треугольников, называют верхними клиньями.
Низ бриллианта - часть бриллианта, расположенная между плоскостью рундиста и вершиной — называется шипом. На первом поясе от рундиста расположены 16 граней треугольной формы, называемые клиньями низа. На втором - 8 четырехугольных граней. Грани низа сведены в точку. В некоторых случаях вместо точки может быть плоскость, называемая калеттой. Калетта расположена параллельно площадке и повторяет ее форму.
Цвет бриллиантов круглой и фантазийных огранок оценивается по цвету бриллиантовых эталонов классической круглой полной огранки. При этом бриллианты фантазийной огранки рассматриваются с "наименьшей" стороны.
Система классификации цвета кристаллов впервые была разработана в Северной Америке, которая импортировала около 75% мировой добычи ювелирных алмазов, Американским геммологическим институтом (GIA); эта система была принята также различными европейскими странами. Последующие уточнения дополнили, но не заменили "старую" систему [21. В ряду цветовых градаций от бесцветной до желтой термины GIA ("старые" термины) даны в следующей последовательности: \)JAGER; 2) RIVER; 3) TOP WESSELTON; 4) WESSELTON; 5) TOP CRYSTAL; 6) CRYSTAL; 7) TOP CAPE; 8) CAPE; 9) LIGHT YELLOW; 10) YELLOW.
Большая часть этих обозначений связана с происхождением кристаллов - это названия бывших алмазных месторождений. Так, для обозначения алмазов (и ограненных из них бриллиантов), добытых в реках, был принят термин RIVER; обычно эти кристаллы имеют окраску лучшую (менее насыщенную), чем из других месторождений. В месторождении "Вессельтон" добывались алмазы, несколько хуже, чем RIVER, но лучшие, чем из соседних месторождений; они получили название WESSELTON. Термин CRYSTAL происходит, вероятно, от "хрустального" стекла, имеющего легкий желтоватый оттенок. Термин САРЕ происходит от названия прибрежной области в Южной Африке "Кейп оф Гуд Хоуп" (Мыс Доброй Надежды); алмазы, добываемые там, имеют более интенсивную желтую окраску.
В 1935 г. система этих терминов, содержащая девять цветовых групп желтой тональности, была дополнена описанием цветов и их толкованием (табл. 1.1); система зафиксирована в форме соглашения RAL (имперская комиссия по условиям поставки и гарантиям качества при Германском комитете промышленности, норм и стандартов). Мелкие кристаллы обычно окрашены слабее, что связано с меньшей длиной пути лучей в них. К тому же и их цвет распознается намного хуже, что связано с усложнением зрительной работы наблюдателя. Поэтому система классификации мелких бриллиантов упрощена, для них уменьшается число цветовых групп желтой тональности. RIVER Бело-голубой При просмотре через площадку бриллианты этой цветовой группы воспринимаются "глазом" как бесцветные. TOP WESSELTON Чистый белый WESSELTON Белый TOP CRYSTAL Слабоокрашенныйбелый При просмотре через площадку мелкие бриллианты этой цветовой группы воспринимаются "глазом" как бесцветные; более крупные - свыше 0,2 кар - имеют оттенок некоторой цветовой насыщенности. CRYSTAL Окрашенный белый TOP CAPE (SILVER CAPE) Слабый желтоватый CAPE Желтоватый/ коричневатый При просмотре через площадку бриллианты этой цветовой группы воспринимаются "глазом" как имеющие цветовую насыщенность с увеличивающейся интенсивностью. LIGHT YELLOW/ LIGHTBROWN Слабыйжелтый/слабыйкоричневый YELLOW Желтый/ коричневый Кристаллы могут люминесцировать. Алмазы и бриллианты обычно флуоресцируют. Люминесцирующие кристаллы встречаются часто, они могут иметь различные цвета при облучении ультрафиолетовым излучением. Бесцветные, слабо люминесцирующие синим светом кристаллы получили дополнительное обозначение JAGER. Люминесцирующие синим светом кристаллы, имеющие желтые оттенки разной насыщенности, дополнительно обозначаются как OVER-BLUE ("сверхсиние") или PETROL - COLOURED (производят впечатление "цвета сгорающего бензина") или PREMIER (так люминесцируют многие алмазы из месторождения "Премьер").
Помимо системы GIA существуют и другие системы: CIBJO (Confederation Internationale de la Bijouterie, Joaillerie, Orfevrerie des Diamants, Perles et Pierres - международная конфедерация, объединяющая специалистов Америки, Канады, Японии и Южной Африки по алмазам, жемчугу, камням и изделиям с этими материалами), RAL (германская система), Scan D.N. (скандинавская система, применяемая в Дании, Финляндии, Норвегии и Швеции) и др. Термины этих систем приведены в табл. 1.2 (обозначения в строках могут не совпадать).
Следует отметить, что в табл. 1.2 появились буквенные шифры цветовых групп. В более поздних системах (CIBJO, а также, видимо, и GIA) отказались от указания цветовой тональности в группах, они отличаются только насыщенностью цвета и называются ИСКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ БЕЛЫЙ (), ПРЕВОСХОДНЫЙ БЕЛЫЙ (F), БЕЛЫЙ (Н), СЛАБО ОКРАШЕННЫЙ БЕЛЫЙ (I...J), ОКРАШЕННЫЙ БЕЛЫЙ (K...L), ОКРАШЕННЫЙ ЦВЕТНОЙ (M...Y), ЦВЕТНОЙ (2). Заметна тенденция к дроблению цветовых групп на более мелкие. Большое количество цветовых групп уже очень сложно описать словами; очевидно, границы групп задаются эталонными бриллиантами.
Границы между цветовыми группами бриллиантов устанавливаются по величине насыщенности цвета и отличия ее от белого, например, источника излучения, освещающего бриллианты (в табл. 1.1 при толковании цветов TOP CRYSTAL, CRYSTAL, ТОР САРЕ указано "имеют оттенок некоторой цветовой насыщенности", а для групп CAPE, LIGHT YELLOW/LIGHT BROWN, YELLOW - "имеющие цветовую насыщенность с увеличивающейся интенсивностью").
Бриллиант с желтым, зеленым, аквамариновым, фиолетовым, коричневым оттенками оцениваются по желтой шкале (см. толкование цветов табл. 1.3). Конечно, исключение составляют насыщенные фантазийные цвета - красный, синий, зеленый и т.п., которые являются весьма редкими.
Прохождения излучения в круглом бриллианте и стразе. геометрические параметры стразов
Наиболее известную геометрию круглого бриллианта, которая обеспечи вает наивысшую красоту и игру камня, рассчитал М. Толковский [1]. В настоящее время в России и за рубежом форму огранки, предложенную Толковским, называют "идеальной", а круглый бриллиант, ограненный по параметрам идеальной огранки, - классическим. Любые отклонения в геометрии бриллиантов от идеальной приводят к снижению их стоимости. Идеальными считаются следующие параметры бриллиантовой огранки (рис. 2.1), диаметр рундиста бриллианта D принят за 100 %: Верхняя часть бриллианта: Нижняя часть бриллианта: Высота 0,162 Высота 0,431 D Угол наклона основных граней а 34,5 Угол наклона основных граней Р 40,75 Размер площадки 0,53 D
Высота рундиста (0,01 - 0,02) D 4 Отклонения от нормы рассматриваются как дефекты огранки.
На "игре" бриллианта особо сказывается соблюдение определенных углоб наклона граней низа и верха бриллианта к плоскости рундиста. При идеальной огранке все лучи, попадая во внутреннюю часть бриллианта, после полного отражения от его внутренних граней выходят через верх бриллианта (рис. 2.1, 2.2, а). Бриллианты, ограненные с углом наклона граней низа менее 40(рис. 2.2, в)у приобретают "стекловидный" блеск. При "глубоком" низе (угол наклона, более 42) излучение "темнеет", что, безусловно, снижает качество бриллианта. а - бриллиант, ограненный по параметрам идеальной огранки: б бриллиант, ограненный с глубокой нижней частью; в - бриллиант, ограненный с низкой нижней частью. а) б) в) Рис. 2.2. Прохождение пучка лучей в круглом бриллианте различной огранки В отечественной промышленности и за рубежом используют "практиче. скую" бриллиантовую огранку, позволяющую с целью рационального использования алмазного сырья производить огранку дефектных алмазов с более широким диапазоном геометрических параметров: размер площадки в пределах (0,5 - 0,6) Д высота рундиста в пределах (0,015 - 0,05) Д ». о о угол наклона граней верхней части 30 - 40 , о о угол наклона граней нижней части 38 - 43 .
Огранке бриллиантов всегда уделялось особое внимание, особенно в последние годы, когда стали использовать компьютеры, и особый спрос появился на бриллианты с "оптическими эффектами" [1, 2, 71, 72, 80, 81], например, некоторые грани низа выполняют с такими углами наклона и такой формы, что часть излучения, прошедшее их, дает на экране изображение в виде стрел ("стрелы амура"), в форме сердец и т.д. Однако, авторы всех приведенных решении сходятся в одном: для максимального проявления оптических свойств алмаза должны быть обеспечены определенные углы наклона основных граней низа и верха. Остальные клинья можно использовать для повышения "игры" камня, получения дополнительных оптических эффектов и т.п.
И еще одно важное уточнение: при оценке цвета бриллиантов обеспечи ваются такие условия освещения и наблюдения, при которых исключается "игра" и блеск камня, поэтому отражение от второстепенных клиньев низа и верха не играет своей роли, а форма эталона может быть упрощена до формы двух конусов — полного внизу и усеченного вверху.
Поэтому геометрические параметры бриллиантов рассчитываем по упрощенной модели, обеспечивающей выполнение двух условий: полное внутреннее отражение от граней низа и максимальная масса бриллианта. В данной работе построение и расчет хода лучей выполним для следующих условий: 1. Излучение падает на бриллиант под углом 90 к поверхности площадки. 2. Принимается значение показателя преломления алмаза n = 2,42 и соот ветствующее ему значение критического угла ф кр = 24,4 . 3. Расчет и построение проводятся для геометрии бриллианта, учитывающей углы наклона основных граней верха и низа бриллианта 4. Толщина рундиста принимается равной нулю. 5. Расчет и построение проводятся для идеальной и практической огранки бриллианта. При расчете хода световых лучей в бриллианте рассмотрены возможные варианты преломления, отражения и выхода лучей из кристалла: 1. Проходящие через основные грани верха световые лучи полностью отражаются от граней низа бриллианта и после преломления выходят через основные грани (рис. 2.3, а) или площадку (рис. 2.3, б). Г-Ґ Рис. 2.3. Ход лучей в бриллианте 2. Проходящий через площадку- световой луч полностью отражается от граней низа бриллианта и после преломления выходит через основные грани верха (рис.2.4, а) или площадку (рис. 2.4, б). Рис. 2.4.2-й вариант хода лучей в бриллианте 3. Проходящий через площадку и основные грани световой луч после одного полного отражения от нижней грани бриллианта и преломления выходит через основные грани верха (рис.2.5, а) и площадку (рис.2.5, б). Рис.2.5. 3-й вариант хода лучей в бриллианте Принятые обозначения: D - диаметр рундиста бриллианта; а - угол наклона основных граней верха бриллианта; Р - угол наклона граней низа бриллианта; / - угол падения светового луча на верхнюю основную грань бриллианта; J - угол преломления светового луча верхней основной гранью; Ф - угол падения луча на внутреннюю грань низа бриллианта; ф - угол падения отраженного светового луча на внутренние грани низа бриллианта; у - угол падения отраженного луча на внутреннюю часть грани верха или площадки; у -іугол выхода светового луча из бриллианта; у" - угол отклонения вышедшего луча от нормали к площадке бриллианта.
Считаем, что пучок лучей, падающих на нижнюю грань бриллианта, полностью отражается (ф Ф Кр= 24,4), а падающих на верхние грани - выходит из бриллианта (у ф кр. )
На основании проведенного анализа была составлена программа расчета хода светового луча в круглом бриллианте, по которой выполнен расчет хода светового луча в бриллианте практической и "идеальной" огранок (см. приложение табл. 2.1 - 2.5).
Как показали расчетные исследования (табл. 2.2), огранка М. Толковского не является идеальной, так как выходящие лучи не параллельны оси бриллианта: угол отклонения составляет-(9... 12).
Очевидно, что требование параллельности выходящих лучей [1, 2] оси не является жестким, так как, по всей вероятности, огранка Толковского обеспечивает не только максимальное использование оптических свойств алмаза, но и максимальный выход бриллианта по массе с некоторым ущербом для его "игры". Очевидно, эту же цель преследует практическая огранка бриллиантов.
Тем не менее можно признать, что огранка с углами наклона граней а = 34,3... 34,5 и р = 39,8... 40, обеспечивающая углы отклонения выходящих лучей от оси бриллианта на -(0+.2), с точки зрения максимального использования оптических свойств алмаза является более оптимальной (см. приложение табл. 2.2 — 2.4).
Для контроля цвета бриллиантов предлагается использовать стразы, изготовленные из оптического цветного стекла со стандартными спектральными характеристиками. При этом следует обеспечить одинаковые условия прохождения светового луча в стразе и бриллианте, т.е. обеспечить условие полного внутреннего отражения излучения от граней низа страза, так как в противном случае большая часть излучения будет уходить через нижние грани.
В результате исчезает "насыщенность" образца светом, которая обеспечена в бриллианте. Это затруднит или сделает невозможным проведение оценки цвета бриллианта по стеклянным стразам: стразы будут иметь серый оттенок, что исключается в эталонах высших групп цвета.
Экспериментальные исследования спектров люминесцентных ламп
Если в качестве образцовых мер цвета использовать стеклянные образцы, то спектральная характеристика источников излучения будет играть значительную роль. Изменение спектра освещения нарушает метамерное равенство образцов - бриллиантовых и стеклянных, т.к. не существует полной аналогии в спектральных характеристиках бриллиантов и оптических стекол.
Усредненные спектральные характеристики отечественных люминесцентных ламп известны [23], однако они зависят от завода-изготовителя и, в частности, от состава используемого им люминофора. Следует также отметить, что ГОСТ 6825-96 не распространяется на колориметрические параметры люминесцентных ламп улучшенной цветопередачи (типа ЛДЦ и др.), которые производятся по ТУ завода-изготовителя.
Спектральные характеристики люминесцентных ламп измерялись на спектрометре SPEKOL — 210, позволяющем производить измерения с погрешностью 0,1%. Предварительно установка градуировалась по спектральной чувствительности. В качестве эталонного источника света использовался источник типа Л (цветовая температура 2856 К).
Для экспериментальных исследований были отобраны люминесцентные лампы, наиболее часто используемые при оценке цвета бриллиантов на СПО "Кристалл". Это лампы: Daylight фирмы Сильвания, отечественные лампы ЛД и ЛДЦ производства Смоленского электролампового завода.
Результаты экспериментальных исследований спектров люминесцентных ламп (средние значения по результатам пяти измерений) представлены на рис. 3.2-3.4 и в табл. 3.2.
По результатам спектральных измерений были рассчитаны колориметрические параметры люминесцентных ламп в системах МКО 1931 и МКО 1976.
Полученные результаты позволили отметить следующее: 1. Люминесцентные лампы ЛДЦ мощностью 15 Вт одного завода изготовителя отличаются уровнями световых потоков, т. е. световыми отда чами. Различие достигает 20% (рис. 3.2). 2. Вид спектральных характеристик люминесцентных ламп подобен известным в литературных источниках [23], хотя имеются и некоторые отличия (см. рис.3.3). В частности, спектр лампы ЛДЦ имеет дополнительный максимум в спектральной области 640...660 нм, что связано, по всей вероятности, с различным составом люминофоров заводов-изготовителей. 3. По спектральной характеристике лампа Daylight фирмы "Сильвания" подобна отечественной лампе ЛД (рис. 3.4), но выгодно отличается световым потоком, который в 1,8 раза выше светового потока лампы ЛД (табл. 3.2). Мощность всех ламп 15 Вт. Таблица 3.1
Проведенные экспериментальные исследования и анализ литературных данных показали, что спектры люминесцентных ламп даже одного типа отличаются друг от друга (например, спектры трех л.л. ЛДЦ рис.3.2. или спектры однотипных л.л. ЛД и Daylight рис 3.4). Возникает вопрос: каким образом спектры люминесцентных ламп и их "разброс" влияют на цвет бриллиантов?
Для ответа на этот вопрос были рассчитаны колориметрические параметры эталонных бриллиантов по отношению к различным источникам излучения Распечатка результатов расчета приведена в приложении, а на диаграмме цветности показано положение эталонных бриллиантов при освещении л.л. ЛД ЛДЦ, Daylight, ЛЕ, ЛХЕ, ЛДЦ-УФ, D65 и голубым небом (рис.3.5, Аи и ДУ - отклонение цветности эталонов от цветности источников излучения; приведень линии постоянного цветового тона X = 560,570 нм; рис. 3.5,а- для эталонов 2-4 групп цветности; рис.3.5,6 - для эталонов 5-8 групп цветности).
Выбор данных типов л.л. сделан из следующих соображений: Daylight рекомендована Де Бирс в качестве источника излучения при оценке цвета бриллиантов; наиболее близки к ней по спектру л.л. ЛД и ЛДЦ; л.л. ЛДЦ-УФ широко используется для оценки желтизны образцов, т.к. имеет значительный световой поток в синей области спектра, близки в ней по спектру л.л. ЛЕ и ЛХЕ.
Цветность бриллиантовых эталонов зависит от спектрального состава источников излучения, освещающих их. В большей степени эта зависимость выражена для эталонов низших групп цвета 7-й и 8-й; наибольшее различие по насыщенности цвета (Ае) по отношению к белому излучению составляет 0,00021 (для л.л. Daylight, ЛД и ЛДЦ) и 0,0012 (для л.л. ЛЕ и ЛХЕ).
Разработка и оптический расчет экспериментальной установки
В результате такие приборы либо измеряют коррелированный цвет, т.е. связанный определенным, специфическим для каждой схемы образом с результатами зрительной оценки цвета, либо требуют предварительной градуировки по эталонам, либо измерения необходимо проводить в режиме компаратора.
Для устранения указанных недостатков и приближения условий измерений к условиям визуальной оценки цвета бриллиантов в разрабатываемой установке исследуемый образец 1 (рис. 4.6) помещается на основание 2 полусферы 3. В этом случае обеспечивается диффузное освещение образца и фона источ ником излучения 4 с защитным экраном 5, исключающим попадание прямого излучения на образец. Такая система освещения исключает влияние окружающих предметов (стены помещения, одежда оценщика и т. п.), излучение которых может рассеиваться на образцах и менять их цвет.
В данной установке в отличие от известных объективных приборов для измерения цвета бриллиантов: 1) бриллиант располагается площадкой вниз на белой закладке; 2) система (бриллиант-закладка) освещаются равномерно рассеянным светом; 3) наблюдение осуществляется перпендикулярно граням низа бриллианта; 4) цвет бриллианта определяется по отношению к белой закладке; 5) установка позволяет измерять цвета дефектных бриллиантов.
Таким образом, условия измерения цвета максимально приближены к условиям визуальной оценки цвета бриллиантов.
Аналогичные схемы измерения спектральных характеристик прозрачных образцов известны в фотометрии. Однако предлагаемая схема (рис.4.6.) имеет отличия от известных, которые заключаются в том, что, во-первых, измеряются образцы любой формы, в том числе алмазы, бриллианты, стразы. Известные установки предназначены, как правило, для измерения плоских образцов.
Во вторых, в процессе измерений образец остается неподвижным, что обеспечивает фотометрирование одного и того же участка. Это очень важно при измерении цвета бриллиантов, в которых могут присутствовать различные цветные, дымчатые, графитовые включения, трещины, и незначительное смещение образца приведет к искажению результатов измерений. В известных устройствах образец вводится и выводится из светового луча при каждой смене длины волны спектрального прибора.
В третьих, в предложенной схеме используется устройство, позволяющее фотометрировать любой участок исследуемого образца. Это очень важно при измерении спектральных характеристик бриллиантов, так как позволяет измерять те участки, которые не содержат дефекты.
В такой схеме можно определить спектральный коэффициент яркости образцов как отношение спектральной плотности яркости излучения, прошедшего образец к спектральной плотности яркости фона, например, закладки. При этом спектр освещения безразличен.
В фотометрии этот метод называется методом замещения, а его реализация в установке осуществляется поворотом зеркала 6, позволяющего с помощью объектива 7 проецировать изображение либо образца (положение зеркала 6а), либо подложки (положение зеркала 65) на входной щели 9 монохроматора.
Диафрагма Гартмана 8 перед входной щелью монохроматора предназначена для выделения по высоте необходимого для измерения участка в изображении образца, например, части шипа круглого бриллианта, что соответствует условиям визуальной оценки цвета бриллиантов.
Основой установки является фотометрический блок. Исходными данными для оптического расчета его являются: 1. Диаметр основания полусферы должен в 8... 10 раз превышать наибольший размер измеряемого образца [32], т.е. должен быть приблизительно равен мм, т.к. диаметр рундиста бриллианта весом в 1 кар. равен 6 мм, а массовым является производство бриллиантов весом менее 1 кар. 2. Параметры объектива выбираются оптимальными на основании оптиче ского расчета. Варьируются видимое увеличение объектива и расстояние от объектива до предмета. При этом следует иметь в виду, что для спектральных измерений используется часть шипа страза, диаметр рундиста которого 1,5...3 мм, ширина входной щели монохроматора, на которую проецируется изображение страза, согласно [23] не должна превышать 1 мм. Кроме того, большое увеличение уменьшает яркость изображения и, следовательно, фиксируемый сигнал. Поэтому наиболее приемлемым следует считать увеличение объектива р = 1...2. 3. Объектив должен быть достаточно неселективным, т.е. не искажать цвет исследуемых образцов. Этому требованию соответствуют фотообъективы. 4. Установка должна быть, по возможности, компактной.
Для удобства эксплуатации желательно иметь габаритный размер установки (а + а ) в пределах 200...250 мм, что соответствует (согласно таблице 4.4) фокусному расстоянию объектива 50...58 мм. Из [22] выбираем фотообъектив "Индустар-61" с фокусным расстоянием / = 52 мм, относительным отверстием D : f = 1 : 2,8, угловой апертурой 2оз = 45 и вершинным фокусным расстоянием S f = 40,7 мм. Параметры этого объектива необходимо согласовать с параметрами входного зеркала (световое отверстие D3 = 45 мм и фокусное расстояние/ = 280 мм) монохроматора ДМР-4, который используется в разрабатываемой установке в качестве спектрального прибора. Для этого рассчитаем параметры а и с? установки, воспользовавшись следующими соотношениями [30,31].
Положение зеркала, т.е. расстояние / от зеркала до фотообъектива подбиралось при юстировке установки. При этом учитывалось, что зеркало должно быть установлено вне интегрирующей полусферы, а диаметр светового пятна от объекта измерения не должен превышать диаметр зеркала. Для зеркала диаметром 20 мм это расстояние составило приблизительно 40 мм.
Для визуального контроля изображения измеряемого образца на ножах входной щели в установке предусмотрен окуляр, расположенный под углом 45 к плоскости входной щели монохроматора.
Так как спектр применяемого источника излучения безразличен, то наиболее целесообразно использовать в полушаре миниатюрный источник света, например, лампу накаливания КГМ-10-20, которая питается от стабильного источника ТЕС.