СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРОПУСКАЮЩИХ СВЕТ ОБЪЕКТОВ В ПОРОДЕ Российский патент 2002 года по МПК G01N21/87 

Настоящее изобретение относится к разделению пропускающих и непропускающих свет объектов и может быть использовано для отделения от сопутствующей породы пропускающих свет (т.е. прозрачных и с диффузно рассеивающим объемом и поверхностями) объектов, в частности алмазов. Под понятием "объекты" подразумеваются вещества органического и неорганического происхождения, природные и синтетические кристаллы и стекла.

В настоящее время известен ряд способов обнаружения пропускающих свет объектов.

Фотоабсорбционный способ основан на пропускании через исследуемые объекты оптического излучения и регистрации величины его ослабления [1]. По ослаблению прошедшего через кристалл света производится классификация объектов (в частности, минералов). Способ может быть использован для выделения прозрачных объектов хорошего качества, но практически непригоден в случаях сильного различия цветности и размеров минералов и качества поверхности.

Другой способ, основанный на анализе спектров отражения объектов (в частности, минералов), предложен в [2]. Он позволяет различить минералы по их спектральным особенностям. Для сепарации минералов, движущихся в потоке руды, требуется спектральная аппаратура, одновременно регистрирующая весь спектр отражения и производящая анализ этого спектра в миллисекундные времена, что представляет определенную техническую трудность. Кроме того, по спектрам отражения не всегда можно выделить необходимый объект.

Ниже приведен ряд способов обнаружения пропускающих свет объектов на примере обогащения алмазоносной породы.

Лазеролюминесцентный способ основан на возбуждении объектов (в частности, минералов, содержащихся в алмазоносной породе) лазерным излучением и последующей регистрации люминесценции [3]. При этом предлагается использовать непрерывные или импульсные ультрафиолетовые (УФ) лазеры. Использование дорогостоящих УФ-лазеров существенно усложняет технологический процесс. Кроме того, интенсивность люминесценции тем ниже, чем меньше содержание примесей (кристаллы с малым количеством примесей, могут быть потеряны). Кроме того, наличие интенсивной люминесценции сопутствующей породы уменьшает коэффициент обогащения.

Рентгенолюминесцентный способ [4] используется в практике обогащения алмазоносных руд. Его главный недостаток - в возможной потере качественных алмазов, так как качественные образцы не люминесцируют или люминесцируют слабо. Имеется также различие спектров люминесценции алмазов разного качества и так же, как и в лазеролюминесцентном методе, - наличие интенсивной люминесценции сопутствующей породы.

Способ, использующий для сепарации алмазов рамановское (или комбинационное) рассеяние света (КРС) [5], решает проблемы, не решаемые в других оптических методах. Этот способ особенно привлекателен для выборки алмазов из алмазоносной руды, поскольку спектр КРС алмаза состоит из единственной линии 1332 см^-1. Положительные стороны метода: интенсивность рамановского рассеяния тем больше, чем выше качество алмаза [6], т.е. высока вероятность выборки алмазов высокого качества; ширина полосы рамановского рассеяния очень узка (1.6-3 см^-1), поэтому его нетрудно отличить от относительно широкополосного люминесцентного излучения, т.е. имеется возможность стопроцентного обогащения; при применении сканирующего тонкого в сечении (~1 мм) лазерного луча, что практически нельзя осуществить при рентгеновском облучении, имеется возможность выявлять на поверхности камня алмазы размером, равным сечению луча (и менее); одновременно с выборкой из руды алмазов можно осуществлять выборку других драгоценных минералов. Метод рамановского рассеяния ограничен тем, что интенсивность КРС составляет 10^-7-10^-9 от основного излучения, что требует дорогостоящих и не всегда надежных мощных лазеров, а также относительно сложной спектральной аппаратуры.

Наиболее близким решением к предлагаемому способу является фотоабсорбционный метод, использованный для сепарации полезных ископаемых (кварца, флюорита, каменных солей) [1] . Движущиеся минералы поочередно попадают в зону измерения камеры осмотра, а затем по истечении некоторого времени - в зону отстрела разделяющего механизма. При полете минералов через зону измерения на фотоматрице появляется световая картина прошедшего света, которая преобразуется ее элементами в электрические сигналы. Таким образом, на поток частиц направляется световое излучение, а прошедший через объект свет фиксируется фотоприемником.

Предложенный способ заключается в следующем. Облучают минерал световым пучком, сечение которого на поверхности объекта меньше сечения объекта. Оптической системой переносят изображение светящегося объекта в плоскость изображения. В плоскости изображения "ножом Фуко" перекрывают изображение светового пятна, диффузно и зеркально отраженного от поверхности объекта, выделяя при этом из светового потока изображение объемного источника света, образованного за счет рассеяния света на неоднородностях внутри объекта и на его поверхностях. При помощи фотоприемника изображение объемного источника света преобразуют в электрический сигнал, который сравнивают с установленной пороговой величиной. Под термином "оптическая система" подразумевается совокупность оптических деталей - линз, призм, пластинок, зеркал и т.п., скомбинированных между собой определенным образом для получения оптического изображения; "оптическое изображение" - это картина, получаемая в результате прохождения через оптическую систему лучей, распространяющихся от объекта, и воспроизводящая его контуры и детали; "плоскость изображения" - это плоскость, в которой оптической системой формируется изображение объекта; под "ножом Фуко" подразумевается непрозрачный предмет, не пропускающий изображение светового пятна, диффузно и зеркально отраженного от поверхности объекта.

Новыми признаками предложенного способа обнаружения пропускающих свет объектов являются: перенос изображения светящегося объекта в плоскость изображения, выделение в этой плоскости при помощи "ножа Фуко" изображения объемного источника света, образованного за счет рассеяния света на неоднородностях внутри объекта и на его поверхностях, а также сравнения сигнала от объемного источника света с эталоном.

Способ позволяет расширить арсенал средств для регистрации пропускающих свет объектов и обеспечивает основу для создания надежных и относительно недорогих устройств.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении данного способа, состоит в возможности обнаружения пропускающих свет объектов независимо от их спектров поглощения и люминесценции. Предложенный способ не требует регистрации малых и сверхмалых световых потоков, что обусловливает возможность применения маломощных дешевых полупроводниковых лазеров, а также недорогих и простых в эксплуатации фотодиодов в качестве фотоприемников.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими графическими материалами:
фиг. 1 - принципиальная схема способа обнаружения пропускающих свет объектов;
фиг.2,а - зеркальное и диффузное отражение света от непрозрачного объекта; б - отражение света от прозрачного объекта и формирование объемного источника света за счет отражения от дефектов объема и поверхностей образца; в - перераспределение света на матовой поверхности образца;
фиг.3 - схема регистрации изображения объемного источника света.

Предлагаемый способ обнаружения пропускающих свет объектов в породе иллюстрируется фиг.1.

Объект 1 освещают пучком света. Сечение светового пятна 2 на поверхности образца должно быть меньше сечения образца; форма светового пятна и угол между направлением облучения и осью оптической системы (общей осью симметрии всех входящих в оптическую систему элементов) произвольны. Из отраженного от объекта светового потока с помощью оптической системы 3 в плоскости изображения формируют световую картину, состоящую из изображения светового пятна 4, диффузно и зеркально отраженного от поверхности объекта, и изображения объемного источника света 5, образованного за счет рассеяния света на неоднородностях внутри объекта и на его поверхностях. В плоскости изображения "ножом Фуко" 6 перекрывают изображение светового пятна 4, а изображение объемного источника 5 проецируют на фотоприемник 7. При помощи устройства регистрации и сравнения 8 сопоставляют величины W и W₀, где W - амплитуда электрического сигнала с фотоприемника, a W₀ является величиной, задаваемой заранее.

Физический принцип предлагаемого способа сепарации пропускающих свет объектов заключается в использовании особенностей отражения света от прозрачных и частично прозрачных (матовых) веществ по сравнению с непрозрачными. Эти особенности заключаются в следующем. На поверхности освещенного объекта за счет диффузного и зеркального отражения светового пучка формируется источник света размером со световое пятно (точечный источник) с диаграммой направленности, близкой к сферической. Зеркальное отражение от поверхности также формирует точечный источник, но с более узкой диаграммой направленности (фиг.2,а). При попадании света на прозрачный образец, размер которого больше размера светового пятна, отражение от граней приводит к перераспределению света внутри образца, что приводит к свечению объекта как целого (фиг.2,б). Перераспределение света по объему образца может происходить также при рассеянии света на неоднородностях в объеме образца или на его матовых поверхностях (фиг.2,в).

Для отделения изображения светящегося объекта от изображения светового пятна, диффузно и зеркально отраженного от поверхности объекта, реализована оптическая система, схема которой изображена на Фиг.3. Объект 1 с линейным размером y₁ находится в фокальной плоскости линзы 2 с фокусным расстоянием f₁. На него направляется луч света (лазерный пучок), отраженный от зеркала 3, сфокусированный линзой 2. Отраженный от объекта световой пучок, преобразованный этой линзой, направляется на линзу 4 с фокусным расстоянием f₂. Согласно [7] преобразование лучей в оптической системе в параксиальной области (параксиальной называется область около оси оптической системы, где точка изображается точкой, прямая - прямой, а плоскость - плоскостью) можно представить в виде

или

где y_1,2 - координата точки на входе и выходе оптической системы; V_1,2 = nα_1,2 (n - показатель преломления среды, a α_1,2 - угол, под которым распространяется меридиональный луч на входе и выходе оптической системы).

Если оптическая система представлена в виде линзы с фокусным расстоянием f, то преобразование лучей между ее передней и задней фокальными плоскостями (которые являются соответственно входом и выходом оптической системы) описывается матрицей [7]. Это означает, что
α₂ = -y₁/f₁ (3)
y₂ = f₂α₂ (4)
Из уравнения (3) следует, что лучи, выходящие под разными углами из одной и той же точки с координатой y₁, расположенной в фокальной плоскости линзы 2, преобразуются в параллельный пучок, распространяющийся под углом α₂. Из (4) следует, что параллельные лучи, падающие под одним и тем же углом на линзу 4, пересекаются в ее фокальной плоскости в точке с координатой у₂. Применяя (1) и (2) к схеме, изображенной на фиг.3, получим
α₂ = -y₁/f₁,
y₂ = f₂α₂ = -y₁f₂/f₁.
Таким образом, на выходе оптической системы формируется изображение светящегося объекта с линейным размером у₂=-y₁ f₂/f₁, в то время как изображение облучающего пучка представляет собой точку О₂ в фокальной плоскости линзы 4 (она же является плоскостью изображения оптической системы).

В фокальной плоскости линзы 4 формируется световая картина, состоящая из изображения светового пятна, диффузно и зеркально отраженного от поверхности объекта, и изображения объемного источника света, образованного за счет рассеяния света на неоднородностях внутри объекта и на его поверхностях. Установленный в фокальной плоскости линзы "нож Фуко" 5 перекрывает изображение светового пятна, диффузно и зеркально отраженного от поверхности объекта, и на фотоприемник 6 проецируется только свет, излучаемый объемным источником света. Электрический сигнал W с фотоприемника 6 подается на устройство регистрации и сравнения 7 и сравнивается с опорным сигналом W₀.

Для проверки нового способа обнаружения пропускающих свет объектов на лабораторной установке, схема которой изображена на фиг.3, проведена серия исследований коллекции алмазов (различного качества, цветности, прозрачности, поверхностной структуры) и сопутствующей породы. По каждой из позиций исследовано не менее 20 образцов. По результатам измерений вычислялась величина К= W/W₀, где W₀ - определенная заранее пороговая величина. Результаты измерений представлены в таблице.

Результаты, приведенные в таблице, свидетельствуют о том, что при помощи приведенного выше способа возможна выборка пропускающих свет объектов (в частности, алмазов) из непрозрачной породы.

Литература
1. AC СССР 1839114, В 07 С 5/342, 09.01.87.

2. АС СССР 1770859, G 01 N 21/87, 03.07.90.

3. Мейснер, Лазерные методы обогащения и фазового анализа минерального сырья. Разведка и охрана недр 4, с. 12-14 (1994).

4. Гомон Г.О. Алмазы. - Л.: Машиностроение, 1966, с. 146.

5. Патент US 5206699 27.04.93, МКИ отсутствует.

6. Патент СССР 1658829, G 01 N 21/87, 18,08.87.

7. Сивухин Д.В. Оптика. - М.: Наука, 1980, 751 с.

Изобретение предназначено для разделения пропускающих и непропускающих свет объектов, в частности для отделения от сопутствующей породы алмазов и других драгоценных и полудрагоценных минералов. Под понятием "объекты" подразумеваются вещества органического и неорганического происхождения, природные и синтетические кристаллы и стекла. Сущность изобретения: облучают минерал световым пучком, сечение которого на поверхности объекта меньше сечения объекта. Оптической системой переносят изображение светящегося объекта в плоскость изображения. В плоскости изображения "ножом Фуко" перекрывают изображение светового пятна, диффузно и зеркально отраженного от поверхности объекта, выделяя при этом из светового потока изображение источника света, образованного за счет рассеяния света на неоднородностях внутри объекта и на его поверхностях. При помощи фотоприемника изображение объемного источника света преобразуют в электрический сигнал, который сравнивают с установленной пороговой величиной. Изобретение позволяет расширить арсенал средств для регистрации пропускающих свет объектов и обеспечивает основу для создания надежных и относительно недорогих устройств. 3 ил., 1 табл.

Способ обнаружения пропускающих свет объектов в породе, использующий облучение минералов световым пучком, отличающийся тем, что освещают объект пучком света, сечение которого на поверхности объекта меньше сечения объекта, оптической системой переносят изображение светящегося объекта в плоскость изображения, в плоскости изображения "ножом Фуко" перекрывают изображение светового пятна, диффузно и зеркально отраженного от поверхности объекта, выделяя при этом из светового потока изображение объемного источника света, образованного за счет рассеяния света на неоднородностях внутри объекта и на его поверхностях, при помощи фотоприемника изображение объемного источника света преобразуют в электрический сигнал, который сравнивают с установленной пороговой величиной.