СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО МЕЧЕНИЯ ДРАГОЦЕННЫХ КАМНЕЙ, ТАКИХ КАК АЛМАЗЫ Российский патент 2009 года по МПК B44B7/00 B28D5/00 G01N21/87 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится, в общем, к способу и системе для лазерного мечения драгоценных камней и, в частности, к способу и системе гравирования кодов аутентификации, состоящих из нескольких микроскопических точечных меток, создаваемым путем воздействия на локализованные внутренние дефекты в объеме драгоценного камня управляемой последовательностью лазерных импульсов.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Мечение драгоценных камней

Предварительное вписывание однозначно определенной идентифицирующей метки или indicium (знак - лат.) на драгоценном камне, который украден, утерян или смешан в куче, очень помогает идентифицировать его в случае виндикации (истребования в судебном порядке) и последующего возвращения законному владельцу. Поэтому страховые компании настоятельно требуют метить драгоценные камни большой стоимости, поскольку многие из этих изделий страхуются. С другой стороны, вписывание indicium (далее - знак), который просто указывает место добычи или страну происхождения драгоценных камней, таких как алмазы, поможет эффективно предотвратить поступление так называемых «конфликтных алмазов» на предприятия по обработке алмазов, осуществляющие деятельность на законных основаниях.

Мечение изделий разного характера в целях их однозначной идентификации, классификации, отслеживания или легкости виндикации уже хорошо освоено.

Меченые знаки могут принимать вид читаемых человеком кодов, таких как логотипы, художественные изображения, пробы или заводские номера, из последовательности буквенно-цифровых знаков.

Можно вписывать и машинно-считываемые коды, такие как обычные одномерные штриховые коды или двухмерные массивы точечных меток, разработанные в соответствии с различными видами символик. Некоторые отличительные особенности драгоценных камней делают их мечение весьма затруднительным. Например, знаки приходится гравировать на поверхности очень мелких изделий, которые обычно имеют большое число еще меньших граней (фасетов), ориентированных в разных направлениях. Кроме того, если драгоценный камень устанавливается в оправу, для мечения доступна лишь ограниченная часть наружной поверхности камня. Эти трудности усугубляются тем фактом, что драгоценные камни, такие как алмазы, представляют собой материал очень высокой твердости, подверженный раскалыванию при резком механическом напряжении или чрезмерном локальном нагреве. И что более важно, вписывание постоянного знака на ограненном и полированном драгоценном камне никоим образом не должно ухудшать его внешний вид, снижать качество и денежную стоимость.

Лазерное мечение знаков на поверхности драгоценных камней

Среди различных способов, разработанных для постоянного мечения драгоценных камней, в промышленности по обработке драгоценных камней давно известно лазерное мечение. Один из предпочтительных способов лазерного мечения основан на использовании лазерного луча с соответствующими характеристиками, причем луч направляют на часть полированной поверхности драгоценного камня. Некоторые ключевые характеристики луча, такие как средняя мощность или энергия каждого импульса, условия фокусирования, длина волны и продолжительность воздействия лазером, подбирают таким образом, чтобы подвергнуть абляции тонкий слой поверхностного материала. Для лазерного мечения предложены и используются различные виды лазерных систем. Например, в патентах США 5149938, 5410125 и 5573684 (все выданные Уинстону (Winston) и др.), 6187213, выданном Смиту (Smith), 6483073, 6593543, 6747242 и 6788714 (все выданные Бендерли (Benderly)) описывается использование эксимерных лазеров, способных передавать ультрафиолетовое лазерное излучение, т.е. лазерное излучение длиной волны менее примерно 400 нм (нм - нанометр, 1 нм = 10^-9 м). Предпочтительными являются лазерные лучи с более короткой длиной волны, поскольку диаметр гравированных участков и ширина гравированных линейных сегментов коррелируют с длиной волны луча. Следует отметить, что большинство самородных алмазов относятся к типу Ia. Их край полосы поглощения ультрафиолетового излучения соответствует длине волны примерно 291 нм, так что они практически прозрачны для длин волн в видимой области спектра - в диапазоне от 400 примерно до 700 нм. Однако в качестве лазерных источников для мечения драгоценных камней оказались привлекательными полупроводниковые лазерные системы, особенно если их первичный выходной луч является удвоенной частоты, чтобы получить окончательную длину волны обычно в диапазоне от 500 до 600 нм в видимой области спектра. Использование лазеров Nd:YAG для гравирования на поверхности драгоценных камней описано в патентах США 4392476 (выданном Грессеру (Gresser) и др.), 4467172 (выданном Эренуальду (Ehrenwald) и др.), 5753887 (выданном Розенвассеру (Rosenwasser) и др.) и 6713715 (выданном Кристенсену (Christensen) и др.), а использование лазеров Nd:YLF раскрыто в патентах США 5932119, 6211484, 6476351 и 6684663 (все выданные Каплан (Kaplan) и др.). Лазерные лучи, имеющие площадь поперечного сечения достаточной величины, при попадании на поверхность изделия могут создавать посредством абляции рисунки сложных форм путем использования маски, в которой механически выполнены вырезы, точно воспроизводящие форму необходимого рисунка. Альтернативно, знаки, имеющие сложные рисунки, можно гравировать лазерным лучом, очень точно сфокусированным на очень маленький участок на поверхности изделия. Для этой цели изделие может устанавливаться оснащенным электроприводом столиком для перемещения в трех направлениях (XYZ) с предварительно запрограммированными перемещениями. Другой подход заключается в использовании устройства управления лучом для сканирования управляемым образом лазерного луча по ограниченной поверхности изделия, которое удерживается неподвижным. Даже при очень точном фокусировании средняя мощность или энергия каждого импульса, подаваемого лазерным источником, может оказаться недостаточной для порога абляции поверхности драгоценных камней, таких как алмаз, которые представляют собой материал очень высокой твердости и обычно прозрачный. В таком случае перед воздействием лазерного луча на поверхность изделия можно нанести светопоглощающий материал, такой как краска или паста для мечения. Альтернативой использованию светопоглощающих покрытий служит использование импульсного лазера, который может излучать лазерные импульсы продолжительностью менее примерно 1 нс (нс - наносекунда, 1 нс = 10^-9 с) для снижения пороговой энергии для испарения большинства материалов, как описано в патенте США 6713715 (выданном Кристенсену и др.).

Знаки, выгравированные с использованием обычного способа, описанного в указанных выше противопоставленных патентах, не ухудшают внешний вид и сортировку драгоценных камней, поскольку эти метки обычно гравируются на части поверхности рундиста (называемого также пояском) драгоценных камней. В частности, эти метки, выгравированные на алмазах, часто создают некоторое потемнение из-за роста поверхностного слоя графита в процессе лазерной абляции. Во многих случаях присутствие графита представляет собой несущественную проблему, и, фактически, оно может помочь обеспечить лучшую видимость знаков, если они предназначены для считывания при помощи лупы малого увеличения. При необходимости в этом слой графита можно удалить поверхностной обработкой. Пример такой обработки приводится в патенте США 4467172 (выданном Эренуальду и др.); она заключается в прикладывании температуры +700°С в сочетании с хлористоводородной (соляной) кислотой. Помимо высококонтрастного внешнего вида знаков, создаваемого присутствием слоя графита на гравированных участках поверхности, любой знак можно сделать более легким для обнаружения и распознания просто путем его увеличения. Преимущество вписывания легковидимых знаков, имеющих достаточно большие размеры, заключается в том, что в некоторых конкретных случаях они могут служить как эффективные средства удерживания от воровства.

К сожалению, видимые знаки, вписанные непосредственно на поверхности драгоценных камней, можно легко подделать путем простой переполировки гравированной части поверхности рундиста или используя другие виды поверхностных обработок. После этой операции, возможно, последует мечение нового, но незаконного знака. Поверхностная обработка с целью убрать знак, выгравированный на поверхности драгоценного камня, будет заключаться, например, в удалении любого следа графита в выгравированном рисунке (при наличии такового) и затем заполнении выгравированных зон определенным видом продукта для заполнения трещин или изломов, хорошо известным в данной области. Даже если мечение на части поверхности пояса не ухудшает внешний вид и сортировку драгоценного камня, знак, вписанный на рундисте, может стать скрытым, если мечение будет перенесено на драгоценный камень перед его установкой в оправу. Многие оправы имеют захваты, которые не дают получить визуальный доступ ко всей поверхности рундиста.

С другой стороны, в некоторых других случаях может потребоваться, чтобы идентификация была как можно менее заметной во избежание неразрешенного обнаружения. Очевидный путь достичь этой цели - вписывать знаки с очень мелкими общими размерами. Как уже отмечалось, размер наименьших деталей, которые можно вписать лазерным лучом, сфокусированным обычной оптикой, по существу ограничивается длиной волны света, достигающей того, что называется пределом дифракции света. К сожалению, мощные, надежные и относительно недорогие лазеры, излучающие на длинах волн короче примерно 190 нм и конструктивно исполненные для промышленного применения, по-прежнему отсутствуют.

Значительное усовершенствование существующих методов лазерного мечения на поверхности драгоценных камней осуществлено путем использования специального метода, известного как ближнеполевая оптика. В патенте США 6624385, патентной заявке США 10/607184 и патентной заявке США 10/607185 (изобретатели Паттон (Patton) и др.) описывается использование ближнеполевой оптики для мечения драгоценных камней самыми различными лазерами, такими как эксимерные лазеры и лазеры Nd:YAG с удвоенной частотой. Этот способ позволяет вписывать «микрознаки», состоящие из элементов, размеры которых намного меньше, чем допускает предел оптической дифракции. Ближнеполевую оптику можно реализовать путем подачи лазерного луча через сужающиеся оптические волокна или, предпочтительнее, путем использования твердой иммерсионной линзы, плоская выходная поверхность которой установлена в тесном контакте с частью поверхности драгоценного камня.

В дополнение к известным недостаткам лазерного мечения на поверхности драгоценных камней мечение микрознаков очень мелких размеров может затруднить их нахождение в течение разумного времени. Обычно должен предоставляться ключ для поиска, или же микрознаки должны вписываться в точных местах относительно некоторых заметных ориентиров на камне, таких как геометрический центр таблички (плоской части короны бриллиантовой огранки). Кроме того, считывание едва различимых микрознаков обычно осуществляется с помощью сложных и дорогих устройств. Наконец, для удаления следов любого незаметного микрознака контрафактор может легко переполировать всю наружную поверхность украденного драгоценного камня.

Лазерное мечение знаков в объеме прозрачных материалов

Независимо от общего размера и сложности знак можно сделать очень трудным, если вообще невозможным, для подделки, если выгравировать его достаточно далеко от поверхности драгоценного камня с оставлением наружной поверхности, не измененной процессом мечения. В этом случае слой материала, находящийся между знаком и наружной поверхностью, служит толстым защитным барьером, так что изменить знак без причинения больших и непоправимых повреждений изделию, меченому таким образом, становится очень трудным. Для мечения изделий свойства, размеры и использования которых радикально отличаются от таковых обычных драгоценных камней, разработаны способы подповерхностного мечения лазерным лучом. Например, в патенте США 5206496, выданном Клементу (Clement) и др., описывается подповерхностное лазерное мечение зон повышенной непрозрачности в теле прозрачных материалов, таких как стекла и пластмассы. Предложен способ мечения тары, которая используется, например, для дорогих парфюмерных изделий, которые продаются в ограниченном количестве в фирменных магазинах. Мечение в объеме материала дает преимущество не только способности выдерживать любую поверхностную обработку (включая переполировку), но очень большой трудности для точного копирования злоумышленниками. Лазерное мечение ниже поверхности алмазов вкратце описано в патенте США 4467172 (выданном Эренуальду и др.), однако в описании изобретения к этому патенту не приводятся сведения о контроле формы, размеров и глубины подповерхностных замкнутых меток.

Вписывание меток (именуемых также «микроструктурами») в объеме различных материалов лазерными лучами - это концепция, являющаяся многообещающей для вписывания двух- и даже трехмерных массивов плотно упакованных точечных меток для постоянного хранения оптических данных. Эта концепция привлекательна и для построения оптических волноводов, служащих для проведения света в объем оптических материалов, таких как кварцевое стекло. Для обоих видов применений, упомянутых выше, требуется использование записывающего лазерного луча с жестко контролируемыми временными и пространственными характеристиками, чтобы вписать микроструктуры точных размеров и форм в объеме прозрачного материала без причинения какого-либо нежелательного повреждения середине материала или его наружной поверхности. В патенте США 5671111, выданном Глезеру, хотя и относящемуся, главным образом, к хранению оптической информации, описывается использование ультракоротких лазерных импульсов для получения не имеющих трещин микроструктур правильной формы с высококонтрастным показателем преломления в различных прозрачных материалах. К этим материалам относятся кварцевое стекло, пластмассы, полупроводники, сапфир и даже мелкие кристаллы и ювелирные изделия. В вышеуказанном патенте рассмотрены три разных режима мечения, первый из которых обеспечивает лучший контроль формы и размеров вписанных микроструктур. Этот режим основан на использовании жестко сфокусированного импульсного лазерного луча с крайне короткой длительностью импульса, т.е. в пределах от нескольких фс (фс - фемтосекунда, 1 фс = 10^-15 с) примерно до 200 пс (пс - пикосекунда, 1 пс = 10^-12 с). Другое требование этого конкретного режима мечения относится к энергии, переносимой каждым лазерным импульсом, которая должна быть сравнимой (или в несколько раз выше ее) с пороговой энергией, требуемой, чтобы вызвать постоянные структурные изменения (повреждения) во вмещающем прозрачном материале при выбранных длине волны лазера и характеристик фокусирования.

Результаты успешной демонстрации этого способа подповерхностного мечения приведены в вышеупомянутом патенте и статьях в журналах, таких как Е. N. Glezer et al. (Глезер и др.), "Three-dimensional optical storage inside transparent materials" («Хранение трехмерной оптической информации внутри прозрачных материалов»), Optics Letters, Vol.21, p.2023-2025 (1996), и Е. N. Glezer et al., "Ultrafast-laser driven micro-explosions in transparent materials" («Вызываемые сверхбыстрым лазером микровзрывы в прозрачных материалах»), Applied Physics Letters, Vol.71, p.882-884 (1997). Например, авторам удалось вписать двухмерный массив микроструктур с низкоконтрастным показателем преломления, отстоящих друг от друга примерно на 2 мкм (мкм - микрометр, 1 мкм = 10^-6 м) и имеющих диаметр в пределах 200-250 нм, если смотреть с поверхности, на которую падал лазерный луч. Микроструктуры были вписаны на глубине 100 мкм от поверхности записывающей среды, изготовленной из кварцевого стекла. Следует, однако, отметить, что в указанных патенте и связанных с ним журнальных статьях не сообщается о какой-либо успешной попытке мечения в объеме алмазного материала. Фактически, в этих противопоставленных материалах лишь упоминается о том, что порог энергии для вызывания структурных изменений в объеме алмазов выше, чем пороги энергии большинства других прозрачных материалов, не менее чем в 100 раз.

Лазерное мечение в объеме алмазов

Заинтригованный не доведенной до своего логического завершения ситуацией, только что описанной выше, и, видимо, не зная о патенте США 4467172 (выданном Эренуальду и др.), Дж.Б.Эшком (J.В.Ashcom) провел более систематизированные экспериментальные исследования, направленные на мечение в теле образов самородных монокристаллических алмазов типа Ia и IIa лазерными импульсами длительностью несколько фемтосекунд. О своих основных результатах он сообщил в главе 4 своей докторской (доктор философии) диссертации, озаглавленной "The Role of Focusing in the Interaction of Femtosecond Laser Pulses with Transparent Materials" («Роль фокусирования во взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с прозрачными материалами») (Гарвардский университет, г.Кембридж, шт.Массачусетс, январь 2003 г.). Эшком отметил, что направление последовательности фемтосекундных лазерных импульсов на один и тот же участок в образце алмаза может вызвать оптические повреждения (микроструктуры) в объеме образца, но только при фокусировании лазерных импульсов объективом микроскопа, имеющим числовую апертуру в пределах примерно 0,25-0,45. Эшком, несомненно, преуспел в мечении микроструктур на глубине примерно 40 мкм ниже поверхности образца алмаза, используя лазерные импульсы, переносившие энергию, которая менялась в пределах примерно от 20 до 90 нДж (наноджоулей). Одним из важных моментов его экспериментальных исследований является то, что даже при самом высоком уровне энергии и самом большом числе импульсов, которое он использовал, были случаи, когда в образцах самородного алмаза не было внутренних повреждений. Кроме того, присутствовала статистически значимая составляющая для начала вызванного лазером повреждения от участка к участку одного и того же образца алмаза, а также от образца к образцу. Высказанными как возможная причина этого стохастического поведения были пространственные изменения концентрации примесей, присутствовавших в образцах самородного алмаза. В диссертации другого участника той же группы (Дж.К.Хванг (J.С.Hwang), Гарвардский университет, г.Кембридж, шт.Массачусетс, январь 2003 г.) сообщается также о том, что созданные микроструктуры имели темный и непрозрачный вид, что гипотетически было объяснено присутствием графита и, более вероятно, образованием аморфного углерода внутри каждой микроструктуры. Зная об этих результатах, Эшком пришел к выводу, что успешное мечение в объеме алмазов маловероятно.

О решающей роли, которую играют примеси и дефекты при создании меток в объеме материала драгоценного камня, более наглядно свидетельствует микрофотоснимок, показанный на фиг.1А. Пять лазерных импульсов длительностью примерно 150 фс были сфокусированы все в одном и том же объеме внутри образца самородного алмаза. Вместо одной метки, отцентрированной на пике профиля интенсивности сфокусированного луча, на фиг.1А показано, что были созданы по меньшей мере три отличных метки, каждая из которых находилась вне объема, в котором записывающий лазерный луч достиг своего самого узкого поперечного размера пятна. Локальный оптический флюенс (интегральная плотность оптического потока) в месте каждого темного пятна, видного на этой фигуре, был затем значительно ниже, чем максимальный флюенс записывающего лазерного луча, но, тем не менее, он был достаточным для инициирования структурных изменений в местах, где в материале присутствовали хорошо локализированные дефекты и примеси. На фиг.1В представлено еще одно свидетельство локализированного характера и случайного распределения естественно существующих дефектов и примесей. На этой фигуре показан микрофотоснимок, сделанный на площади поверхности образца самородного алмаза, по которой жестко сфокусированный фемтосекундный лазерный луч переносился по линейной траектории с постоянной скоростью 1 мм/с. Лазерные импульсы с энергией 50 мкДж подавались с частотой 1 кГц, и след, показанный на этой фигуре, проходит на расстоянии примерно 2 мм. Как видно на этом микрофотоснимке, след, вписанный в объеме этого конкретного образца самородного алмаза, далек от непрерывного, поскольку состоит из мелких темных пятен со случайным распределением вдоль траектории. Поразительной особенностью этого микрофотоснимка является присутствие длинного сегмента следа, находящегося в центральной зоне фигуры, где нет каких-либо темных пятен. С другой стороны, в некоторых местах левой части следа видны плотно упакованные темные пятна. Кроме того, многие из этих пятен находятся либо выше, либо ниже оси траектории, а это означает, что они были образованы в местах, где локальный оптический флюенс луча не был на своем максимальном пиковом уровне.

Исходя из результатов, представленных на фиг.1А и 1В, можно заключить, что для успешного мечения микроструктур в образцах самородного алмаза важен соответствующий выбор энергии импульса. Например, при избыточной энергии импульса, как это было в случае, показанном на фиг.1А, рядом (и чуть выше) с объемом-мишенью в материале могут образовываться несколько смещенных от центра меток. С другой стороны, обстреливание лазерными импульсами, имеющими недостаточную энергию, может привести к неудаче мечения в объемах, где дефекты предположительно отсутствуют. Исходя из вышеизложенного, можно ожидать, что подходящие пределы энергии импульса могут меняться от участка к участку в одном и том же образце самородного алмаза, чтобы избежать локализированного характера и случайного распределения дефектов, с которых начинается образование микроструктур. Кроме того, энергия импульса оказывает большое влияние на последующий рост вписанных меток. Например, на фиг.1C показан микрофотоснимок, сделанный на площади поверхности образца самородного алмаза, в котором последовательностью пяти лазерных импульсов вписан набор меток. Энергия каждого импульса была в диаметре нескольких мкДж и менялась от участка к участку. Метки, видимые на фиг.1C как черные зоны с контурами неправильной формы, были вписаны в образце самородного алмаза, который был предварительно огранен для придания ему формы куба. Кубическая форма позволяет визуально наблюдать метки с любой плоской боковой стенки образца, тем самым давая точную информацию о распространении микроструктур в направлении, параллельном оси распространения записывающего лазерного луча. На фиг.1C записывающий лазерный луч падал на поверхность образца, находящуюся вверху фигуры, и распространялся параллельно направлению вниз на этой фигуре. В этом конкретном примере протяженность микроструктур в вертикальном направлении при самом высоком уровне энергии, использованном в этих испытаниях, достигает более чем 100 мкм, как показано для обеих меток, находящихся с правой крайней части фигуры. Как результат, обе метки видны как темные пятна диаметром примерно 30 мкм, если смотреть с поверхности падения луча образца.

Было установлено, что после инициирования структурного изменения с дефекта или примеси в материале алмаза последующим ростом метки можно управлять путем правильного выбора ключевых параметров процесса мечения, таких как энергия импульса, число лазерных импульсов, направленных на каждый участок внутри образца, и характеристики записывающего лазерного луча. Однако сочетание параметров лазера, установленное как подходящее для конкретного участка в материале драгоценного камня, не обязательно является таковым для любого иного участка в том же драгоценном камне, что не позволяет разработать универсальный протокол лазерного мечения. Фактически, любой рабочий протокол лазерного мечения должен включать контроль в реальном масштабе времени роста каждой отдельной метки с тем, чтобы остановить лазерное мечение, как только метка будет иметь необходимые общие размеры. Этот аспект важен для вписывания меток, которые не ухудшают внешний вид и сортировку качества меченых драгоценных камней.

Принимая во внимание известный уровень техники, отмеченный выше, и различные проблемы и трудности, с которыми сталкиваются при реализации родственных способов лазерного вписывания знаков на поверхности или ниже поверхности драгоценных камней, существует необходимость в способе и системе, которые обеспечили бы надежное, безопасное и управляемое мечение знаков в объеме драгоценных камней, таких как алмазы. Кроме того, существует необходимость в системе, которая учитывает стохастический характер и изменения в процессах мечения, разработанных до настоящего времени, вместе с особыми физическими свойствами самородных алмазов при образовании в них вызываемых лазером микроструктур.

ЦЕЛИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Следовательно, первой целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для вписывания лазером постоянных точечных меток в объеме драгоценных камней, таких как алмазы, на некоторой заданной глубине ниже поверхности таблички и без причинения какого-либо вызванного лазером оптического повреждения на поверхности указанной таблички так, чтобы вписанные метки было невозможно стереть, используя любой вид поверхностной обработки, и одновременно были очень трудными для подделывания злоумышленниками.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа лазерного мечения в объеме алмазов, воспользовавшись преимуществом присутствия дефектов и примесей, случайно распределенных в кристаллической решетке самородных алмазов, для того чтобы инициировать управляемый рост точечных меток путем воздействия на алмазы лазерными импульсами длительностью в фентосекундном диапазоне, несущими энергию намного ниже порога энергии для мечения в объеме в остальных отношениях идеального материала алмаза. Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа безопасного мечения в объеме алмазных драгоценных камней наивысшей чистоты, используя лазерную систему, которая подает лазерные импульсы с энергией, достаточно высокой, чтобы вызвать структурные изменения в объеме идеальной кристаллической решетки алмаза.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для лазерного мечения в объеме драгоценных камней, таких как алмазы, которые бы обладали достаточной универсальностью, чтобы позволить маркировать драгоценные камни с самой разной прозрачностью и качеством, имеющие различные огранки и общие размеры, и которые в момент, когда они метятся, могут быть либо отдельными, либо вставленными в разные виды оправ.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа для вписывания лазером точечных меток в объеме драгоценных камней, причем каждый знак должен быть достаточно мелким, чтобы оставаться не обнаруживаемым при рассматривании с помощью приборов, которыми обычно пользуются сортировщики алмазов, так, чтобы не ухудшить внешний вид, не снизить сортировку и денежную стоимость драгоценного камня, маркированного предлагаемым способом. С другой стороны, еще одной целью настоящего изобретения является разработка размеров и формы меток, чтобы сделать их машинно-считываемыми специальной системой оптического считывания.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа мечения знаков полностью безопасным образом в объеме драгоценных камней, таких как алмазы, причем этот способ должен обеспечивать должный учет стохастического характера образования вызванных лазером меток в объеме самородных алмазов, имеющих концентрации дефектов и примесей, очень сильно меняющиеся от участка к участку в их объеме.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание простой, недорогой и легкой в пользовании системы оптического считывания, основанной на конструкции обычного оптического микроскопа и способной обеспечивать изображения точечных меток, вписанных в объеме драгоценного камня, причем эти изображения должны обладать достаточной контрастностью, чтобы обеспечить надежное и автоматическое обнаружение всего знака средством обработки изображений.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа кодирования данных аутентификации в объеме драгоценных камней, таких как алмазы, путем вписывания лазером однозначно определенного знака, состоящего из очень небольшого числа точечных меток, причем эти метки должны достаточно отстоять друг от друга, чтобы внешний вид, сортировка качества и денежная стоимость драгоценных камней при мечении оставались неизменными.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание драгоценных камней, таких как алмазы, имеющих персонализированный, самосвидетельствующий знак, вписанный в их объеме и сохраняющий их первоначальное качество и денежную стоимость.

Эти и другие цели изобретения станут полнее понятными из приведенных ниже краткого описания изобретения и описания предпочтительного варианта осуществления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаются способ и устройство для мечения знаков, состоящих из небольшого числа непрозрачных, точечных меток в объеме драгоценных камней, причем этими драгоценными камнями предпочтительно являются алмазы. Составляющие метки знака гравированы предпочтительно на одной глубине ниже поверхности крупной ограненной и полированной грани (фасета) бриллианта, причем этой гранью предпочтительно является табличка бриллианта (называемая также площадкой). Как результат, можно метить драгоценные камни, вставленные в любой вид оправы. Вписывание каждой отдельной метки осуществляется с использованием протокола, конкретно направленного на образование метки необходимого размера путем воздействия на поверхность драгоценного камня наименьшего числа фемтосекундных лазерных импульсов, причем каждый импульс несет энергию, которая обычно намного ниже порога энергии для вызывания постоянных структурных изменений в идеальной кристаллической решетке алмаза. Глубина, на которой вписываются метки, управляется путем фокусирования фемтосекундного лазерного луча. Кроме того, точная фокусировка выбирается для мечения в объеме изделия из драгоценного камня вместе с поддерживанием интегральной плотности оптического потока (флюенса) (энергия на единицу площади) на поверхности изделия намного ниже порога повреждения поверхности материала.

При этом мечение в объеме возможно без причинения какого-либо непоправимого оптического повреждения наружной поверхности драгоценного камня. Результаты предыдущих экспериментальных исследований, которые сообщили некоторые группы, относительно структурных изменений в объеме алмаза при воздействии последовательности фемтосекундных лазерных импульсов показали, что эти метки обычно состоят из весьма отличной элементарной формы углерода. При этом микроструктуры, созданные в нем, практически непрозрачны для света в видимой области спектра. Поразительно, эти непрозрачные точечные метки можно сделать не обнаруживаемыми невооруженным глазом или при использовании оптического прибора, имеющего 10-кратное увеличение, даже если они вписаны на глубинах лишь несколько микронов ниже поверхности таблички. Достаточно обеспечить жесткое управление вместе с разумным выбором некоторых ключевых параметров процесса мечения, таких как энергия импульса, эффективная числовая апертура фокусирующего объектива, длительность лазерных импульсов и пространственное качество лазерного луча, что добиться точечных меток диаметром, не превышающим нескольких микронов, предпочтительно, менее 5 мкм.

Основным аспектом изобретения является то, что непрозрачные точечные метки можно вписывать в объеме бриллианта с использованием фемтосекундных лазерных импульсов, имеющих энергию, намного ниже пороговой энергии, необходимой для вписывания в кристаллической решетке алмаза высочайшего качества, т.е. в кристалле, практически не имеющем дефектов или примесей. При вписывании постоянных меток в объеме бриллианта необходима определенная осторожность, поскольку требуемые интегральные плотности оптического потока могут вызвать повреждения на поверхности изделия до того, как будут вписаны метки в объеме. Воздействия на драгоценный камень высокой ценности лазерными импульсами, имеющими потенциально «опасные» уровни энергии, часто можно избежать, воспользовавшись преимуществом присутствия примесей и дефектов со случайным распределением в объеме самородных алмазов, включая алмазы высочайшего качества. Эти примеси и дефекты различного характера способствуют созданию темных и непрозрачных зон при воздействии на них фемтосекундных лазерных импульсов с энергией, существенно ниже пороговой энергии в остальных отношениях идеального материала. Случайное пространственное распределение этих дефектов и примесей в обычных самородных алмазах обуславливает стохастический характер, наблюдавшийся при предыдущих попытках мечения постоянным и воспроизводимым образом в объеме этих камней. Другим важным аспектом настоящего изобретения является учет пространственно меняющейся концентрации дефектов и примесей в самородных алмазах путем разработки схемы кодирования, в которой идентификационные данные кодируются в относительных положениях небольшого числа меток, которые образуют знак.

Несмотря на типичный диаметр точечных меток, который должен быть порядка нескольких микрон, непрозрачность этих меток, когда они образованы в алмазе, позволяет отображать их с подходящей контрастностью с помощью недорогого устройства оптического считывания. Устройство считывания по существу содержит обычный объектив микроскопа с низкой числовой апертурой, который передает увеличенные изображения всего выгравированного знака на плоскость датчика на приборе с зарядовой связью (ПЗС) для съемки изображений. После этого изображения обрабатываются средством обработки для обнаружения нескольких меток, которые образуют знаки, с последующей расшифровкой идентификационных данных, закодированных в знаках. Система подсветки устройства оптического считывания повышает контрастность изображений выгравированных меток, воспользовавшись преимуществом нижних граней (фасет) драгоценного камня, которые действуют, как эффективные отражатели света. Результатом всех вышеупомянутых аспектов, относящихся к устройству оптического считывания, является простота конструкции устройства, легкость его эксплуатации пользователем, который не является ни геммологом, ни микроскопистом, и его низкая себестоимость изготовления, что делает его приемлемым по цене для каждого ювелирного магазина.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение станет понятнее из приведенного подробного описания предпочтительного варианта изобретения и его чертежей. На этих чертежах:

фиг.1А, 1В и 1C представляют собой микрофотоснимки, на которых показаны метки, выгравированные в объеме разных образцов алмаза;

на фиг.2 представлена упрощенная блок-схема полной системы мечения и аутентификации драгоценных камней;

на фиг.3 представлена блок-схема, на которой показаны основные блоки и узлы системы лазерного мечения в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.4 представлен схематический вид различных оптических компонентов и комплектующих блоков системы лазерного мечения в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.5 представляет собой вид сбоку оптического считывающего устройства, которое предоставляет изображения знака, выгравированного в объеме драгоценного камня, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.6 представляет собой вид сбоку алмазного бриллианта, у которого ниже поверхности таблички вписаны две отличные метки;

фиг.7 представляет собой вид сверху алмазного бриллианта, имеющего круглую бриллиантовую огранку и у которого ниже поверхности таблички и вблизи центра таблички вписаны три отличные метки;

на фиг.8 представлена схема, на которой показано фокусирование записывающего лазерного луча в объем драгоценного камня;

на фиг.9 представлен схематический вид знака, состоящего из набора из пяти точечных меток в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.10А и 10В представлена блок-схема последовательности операций, выполняемых системой аутентификации драгоценных камней для вписывания знака в объеме драгоценного камня в соответствии с предлагаемым способом;

фиг.11 представляет собой микрофотоснимок, на котором показан массив из 25 точечных меток, выгравированных в объеме образца самородного алмаза.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

Краткое описание системы аутентификации драгоценных камней

Различные цели настоящего изобретения, указанные в разделе «Цели изобретения», относятся к способам и устройствам, которые нашли свое основное применение в системе для аутентификации драгоценных камней посредством знаков, выгравированных в их объеме. На фиг.2 представлена упрощенная блок-схема, на которой показан вариант осуществления системы аутентификации драгоценных камней. Сердцем системы является центральный процессор (ЦП) 20, которым, по существу, является компьютер, управляющий работой нескольких дистанционных устройств, подключенных к нему связевыми каналами передачи данных 24. Основная задача ЦП 20 - управлять запросами на доступ к информации, хранящейся в базе данных 22, а также управлять занесением новых данных в реестр базы данных. Данные, хранящиеся в базе данных 22, состоят, главным образом, из идентификационных учетных записей, связанных с каждым маркированным драгоценным камнем. Запись включает поток цифровых данных, который соответствует идентификационному коду, выгравированному в драгоценном камне, вместе с другой соответствующей информацией, такой как сводка присущих свойств драгоценного камня (т.е. отчет о сортировке), его нынешний владелец, сведения о прежних владельцах, изготовитель драгоценного камня, место добычи, откуда он происходит.

Дистанционные устройства, которые составляют часть системы аутентификации драгоценных камней, разбиты на две основные группы. Первая группа включает дистанционные станции лазерного мечения 26, которые действуют под управлением ЦП 20. Для простоты на фиг.2 показаны только две станции мечения 26А и 26В. Однако действительная система аутентификации будет состоять из большего числа станций лазерного мечения, которые могли бы быть удобно распределены по всей географической зоне, подлежащей покрытию. Вторая группа включает дистанционные оптические считывающие устройства 28, которые также действуют под управлением ЦП 20. Показаны только три дистанционных оптических считывающих устройства 28А, 28В и 28С, но на практике эти устройства можно было найти во многих местах, включая магазины розничной продажи ювелирных изделий, главные полицейские управления и агентства по торговле алмазами. Оптические считывающие устройства 28 служат, главным образом, для обнаружения присутствия знака аутентификации, выгравированного в объеме обследуемого драгоценного камня, и затем передачи входных данных (по существу, изображения) в ЦП 20 для правильной идентификации этого драгоценного камня. Каждая дистанционная станция лазерного мечения 26 включает и свое собственное оптическое считывающее устройство 28, предназначенное для регистрации каждого драгоценного камня в базе данных 22 системы аутентификации сразу же после его мечения.

Описание предпочтительного варианта осуществления станции лазерного мечения

Роли, которые играют различные комплектующие блоки предпочтительного варианта осуществления станции лазерного мечения 26, будут понятнее из упрощенной блок-схемы, представленной на фиг.3. Стрелками, начерченными на фиг.3 двойной линией, показан лазерный луч, а стрелками одной линией - электрические соединения, необходимые для различных целей, таких как обмен данными, передача сигналов команд и управления и электропитание некоторых блоков. Каждая дистанционная станция лазерного мечения 26 содержит свой собственный блок управления и процессора 44, который может быть реализован в виде персонального компьютера в конструктивном исполнении для промышленного использования. Блок управления и процессора 44 управляет работой большинства комплектующих блоков станций лазерного мечения 26 либо по командам, вводимым оператором через пользовательский интерфейс 62, либо по командам, выдаваемым системным программным обеспечением ЦП 20 системы аутентификации и передаваемым по внешнему связевому каналу 24.

Лазерная система 42 создает лазерный луч в виде импульсов ультракороткой длительности, излучаемых в импульсном режиме периодического действия. Для действия предлагаемого способа необходимо, чтобы длительность лазерных импульсов была в фемтосекундном диапазоне. Конкретнее, длительность импульсов не должна превышать нескольких сотен фемтосекунд; предпочтительно, она должна быть менее примерно 100 фс. Показательными примерами фемтосекундных лазерных систем служат те, которые включают твердотельную среду усиления титан-сапфир (Ti:сапфир) с оптической накачкой полупроводниковыми лазерными диодами. Эти лазерные системы излучают лазерные лучи, имеющие длину волны обычно возле инфракрасной области спектра и, в частности, в диапазоне от 750 до 800 нм. Фемтосекундные лазерные системы со средой усиления Ti:сапфир можно реализовать в виде одного генератора колебаний, который выдает лазерные импульсы, несущие энергию в наноджоулевом диапазоне и излучаемые с частотой следования, обычно равной десяткам МГц (мегагерц). Можно, однако, получать лазерные импульсы с энергиями до нескольких мДж путем связывания выхода лазера с регенеративным оптическим усилителем (оптическим усилителем с положительной обратной связью). Одним из преимуществ предлагаемого способа является возможность мечения драгоценных камней лазерными импульсами, имеющими низкие энергии - порядка нескольких десятков нДж, так что при использовании лазерной системы со средой усиления Ti:сапфир использование регенеративного оптического усилителя абсолютно не требуется. Это преимущество дает в результате существенное упрощение аппаратных средств в сочетании с более низкой стоимостью покупки всей лазерной системы. Поскольку эффективность процесса лазерного мечения зависит от пространственного качества записывающего лазерного луча, излучаемого лазерной системой 42, блок очистки и кондиционирования луча 46 может осуществлять пространственную фильтрацию луча. Этот блок служит также для корректировки пространственных характеристик (т.е. расходимость и поперечный размер луча) лазерного луча, чтобы максимально повысить эффективность процесса преобразования частоты, выполняемого блоком преобразования частоты 48. Этот процесс заключается по существу в удвоении частоты оптического центра лазерного луча таким образом, что лазерный луч с первоначальной длиной волны 775 нм может быть преобразован в луч с длиной волны 388 нм. Блок преобразования частоты 48 является факультативным для мечения некоторых материалов драгоценных камней и основан на схемах генерации вторых гармоник, хорошо известных специалистам в данной области. На фиг.3 показано, что лазерный луч с преобразованной частотой затем проходит оптику лазерного мечения 52, которая позволяет жестко фокусировать лазерный луч на некоторой глубине ниже входной поверхности драгоценного камня, закрепленного в узле установки изделия 54. Блок управления и процессора 44 управляет перемещением узла установки изделия 54 с помощью специальных приводов электродвигателя 58 для мечения в разных местах внутри драгоценного камня.

Пространственные характеристики записывающего лазерного луча предпочтительно контролируются и управляются в реальном масштабе времени блоком управления и процессора 44 с помощью данных и изображения, создаваемых блоком диагностики записывающего луча 50. Блок диагностики записывающего луча 50 необходим для того, чтобы обеспечить легкое обнаружение любого изменения свойств лазерного луча или любого отказа в работе лазерной системы. Оба эти вида событий могли бы пагубно отразиться на процессе мечения или, в наихудшем варианте, причинить непоправимые повреждения драгоценному камню, на который воздействует записывающий лазерный луч. Наконец, одним из аспектов настоящего изобретения является создание протокола лазерного мечения, основанного на контроле в реальном масштабе времени роста точечных меток в объеме драгоценных камней. Этот контроль выполняется с помощью изображений и данных, выдаваемых в реальном масштабе времени блоком контроля процесса 56. Этот блок использует некоторые оптические компоненты оптики лазерного мечения 52 для получения соответствующих световых сигналов из зоны, в которой в данный момент наращивается метка.

На фиг.4 представлена схема размещения, на которой показано предпочтительное размещение оптических компонентов, которые образуют часть различных блоков, необходимых для работы станции лазерного мечения в соответствии с предлагаемым способом. На этой фигуре жирными сплошными линиями показаны оптические пути лазерных лучей, распространяющихся в этой оптической системе. Небольшая часть лазерного луча 70, излучаемого фемтосекундной лазерной системой 42, передается через светоделительную пластинку 80, а затем попадает на светочувствительную поверхность измерителя оптической мощности 82. Показание с измерителя мощности 82 подается в блок управления и процессора 44 (на этой фигуре не показанный) для обеспечения непрерывного контроля работы лазера 42 путем измерения средней оптической мощности его выходного луча 70. Основная часть лазерного луча 70 отражается расщепителем луча 80 и затем проходит через блок очистки и кондиционирования луча 46. В предпочтительном варианте осуществления блок 46 содержит две собирающие линзы 84 и 86 с соответствующими фокусными расстояниями и ирисовую диафрагму 88 и механический затвор 90, открытием которого дистанционно управляет блок управления и процессора 44. В фокальной плоскости линзы 84 помещена ирисовая диафрагма 88, предназначенная для обеспечения действия пространственной фильтрации, управляемого диаметром апертуры. Механический затвор 90 обеспечивает передачу последовательности импульсов ограниченной длительности, которая включает заданное число лазерных импульсов, причем это число определяется конкретным протоколом лазерного мечения, выполняемым в данный момент.

Затем пространственно отфильтрованная последовательность лазерных импульсов 72 отражается плоским зеркалом 92 с высокой отражательной способностью на входную апертуру блока преобразования частоты 48.

Преобразование частоты основано на генерации вторых гармоник, которая происходит в некоторых оптических кристаллах без симметрии инверсии, таких как бетаборат бария, триборат лития, титанилфосфат калия или первичный кислый фосфат калия. Затем энергия импульса лазерного луча 74 с преобразованной частотой задается заданной величины сигналом из блока управления и процессора 44, который подается в регулируемый оптический аттенюатор 94. Этот аттенюатор можно построить, например, в виде пластинки полуволнового замедлителя, установленного на стадии вращения, за которой следует поляризующий куб расщепителя луча. Это конструктивное исполнение хорошо известно специалистам в данной области. Для правильной работы регулируемого оптического аттенюатора 94, выполненного таким образом, необходимо, чтобы входной лазерный луч 74 был линейно поляризованным.

После этого лазерный луч, имеющий необходимую энергию, отражается плоским зеркалом 96 с высокой отражательной способностью на расширитель луча 98. На фиг.4 показан расширитель луча Галилея, который состоит из входной рассеивающей (отрицательной) линзы 100 и выходной собирающей линзы 102. Фокусные расстояния линз 100 и 102 выбраны такими, чтобы поперечный размер лазерного луча 76 был достаточно увеличен для заполнения входного зрачка фокусирующего объектива 118 без чрезмерного отсечения по границам. Адекватное заполнение входного зрачка позволяет фокусирующему объективу 118 работать при его полной числовой апертуре. Основная часть поперечно расширенного лазерного луча 78 проходит через пластинку расщепителя луча 104 и затем отражается дихроичной пластинкой расщепителя луча 116 на входной зрачок фокусирующего объектива 118. Следует отметить, что расширитель луча 98 и фокусирующий объектив 118 являются двумя основными элементами оптики лазерного мечения 52, показанной на блок-схеме на фиг.3.

Расстояние между входной апертурой фокусирующего объектива 118 и входной поверхностью драгоценного камня 120, подлежащего мечению, регулируется, пока плоскость наилучшего фокуса сфокусированного лазерного луча не окажется на необходимой глубине в объеме драгоценного камня 120. Драгоценный камень 120 закреплен в узле установки изделия 54, который предпочтительно содержит держатель 122, подогнанный под размер и форму драгоценного камня, причем держатель 122 установлен на стеке из трех оснащенных электроприводами столиков линейного перемещения 124А, 124В и 124С. Два из этих столиков перемещения перемещают драгоценный камень в поперечных направлениях Х и У, а третий поперечный столик перемещает драгоценный камень в направлении Z, параллельном оптической оси, чтобы точно отрегулировать расстояние между фокусирующим объективом 118 и входной поверхностью драгоценного камня 120. Столики линейного перемещения 124А, 124В и 124С управляются блоком управления и процессора 44 станции лазерного мечения с помощью приводов электродвигателей 58, как показано на фиг.3.

На фиг.4 показано, что часть поперечно расширенного лазерного луча 78 отражается пластинкой расщепителя луча 104 на блок диагностики записывающего луча 50. В предпочтительном варианте осуществления этот блок содержит три оптических канала, каждый из которых используется для контроля конкретной характеристики записывающего лазерного луча 78. Первый канал включает камеру 110 на ПЗС, которая снимает изображения поперечного распределения интенсивности луча в плоскости датчика камеры, а второй канал включает счетчик лазерных импульсов 112. Наконец, третий оптический канал измеряет усредненную по времени энергию импульса путем преобразования показания измерителя оптической мощности 114, учитывая коэффициенты отражения и пропускания разных пластинок расщепителей луча, находящихся на пути лазерного луча. Пластинки расщепителей луча 106 и 108 служат для направления частей записывающего лазерного луча 78 в разные оптические каналы блока диагностики записывающего луча 50.

Кроме того, фиг.4 иллюстрирует предпочтительный вариант осуществления блока контроля процесса 56. Путь света, который регистрируется этим блоком, на фиг.4 показан точечными линиями. Используя оптические приборы, такие как камера 128 на приборах с зарядовой связью и светосильный фотодетектор 132, этот блок служит для анализа изображений и световых сигналов из конкретной зоны, которая в данный момент метится в объеме драгоценного камня 120. Например, изображения в реальном масштабе времени этой зоны могут сниматься камерой 128 на приборах с зарядовой связью. При таком решении фокусирующий объектив 118 является составной частью объектива камеры, который передает увеличенное изображение соответствующей зоны на плоскость датчика на ПЗС камеры 128. Изображения с адекватной контрастностью можно получить при соответствующей подсветке драгоценного камня осветительным устройством 134 в процессе мечения. Кроме того, для регистрации учащенных импульсов света (излучение плазмы), которые создаются, когда материал алмаза подвергается локальным структурным изменениям, вызванным взаимодействием материала с интенсивными сверхскоростными импульсами записывающего лазерного луча, можно использовать светосильный фотодетектор 132. Полосовой оптический фильтр 130, помещенный поперек пути луча света, направленного на светосильный фотодетектор 132, обеспечивает спектрально избирательное обнаружение света, излучаемого, когда начинаются внутренние структурные изменения. Пластинка расщепителя луча 126 направляет части света в два оптических канала, предусмотренных в показанном варианте осуществления, для блока контроля процесса 56.

В пределах сути настоящего изобретения возможны различные изменения описанной выше конструкции устройства лазерного мечения. Например, блок преобразования частоты 48 является факультативным для мечения в объеме драгоценных камней, но в некоторых случаях дополнительное управление ростом точечных меток обеспечивает записывающий лазерный луч с меньшей длиной волны. Кроме того, пространственная фильтрация блоком очистки и кондиционирования луча 46 не требуется, если лазерный луч 70 на выходе фемтосекундной лазерной системы 42 имеет удовлетворительное пространственное качество. Оптическую систему, показанную на фиг.4, можно изменить, чтобы избежать использования плоских зеркал 92 и 96, хотя эти зеркала используются для точной регулировки положения луча. Наконец, несколько линз, присутствующих в оптической системе, показанной на фиг.4, включая фокусирующий объектив 118, можно было заменить сферическими зеркалами.

Описание предпочтительного варианта осуществления оптического считывающего устройства

Фиг.5 представляет собой вид сбоку предпочтительного варианта осуществления оптического считывающего устройства 28, которое образует часть полной системы аутентификации драгоценных камней, показанной на фиг.2. Конструкция оптического считывающего устройства 28 представляет собой относительно широко раскрытый формирователь изображения, в котором знак, выгравированный в объеме драгоценного камня 120, отображается на матричный датчик камеры на ПЗС 166. Как следствие, нет растрового сканирования зондирующего лазерного луча по поверхности драгоценного камня 120. Микропроцессор 186 принимает сигналы данных изображения из камеры на ПЗС 166 и затем обрабатывает файлы данных изображения, после чего направляет их на центральный процессор 20 системы аутентификации по связевому каналу передачи данных 24. Знак, выгравированный в объеме драгоценного камня 120, отображается с адекватным поперечным увеличением на матричном датчике камеры на ПЗС 166, состоящей по существу из объектива 162 микроскопа, установленного на удлинительном тубусе 164. Объективом 162 микроскопа предпочтительно является стандартный серийный объектив, предназначенный для использования с тубусом длиной 160 мм. Точная длина удлинительного тубуса 164 подбирается соответственно. Было установлено, что увеличенные изображения знаков, имеющих удобные общие размеры, хорошо подходят к размеру матричных датчиков на ПЗС при выборе объектива 162 микроскопа, обеспечивающего увеличение в диапазоне 10х - 20х. Этот диапазон обеспечивает удовлетворительное поперечное разрешение, а также удобное рабочее расстояние.

Изображения с адекватной контрастностью можно получать из камеры на ПЗС 166, используя схему подсветки отраженным светом, которая обеспечивает светлопольное освещение меток, выгравированных в объеме драгоценного камня 120. Подсветка отраженным светом означает, в основном, что свет подсветки падает на образец (в данном случае, драгоценный камень 120) с верхней входной поверхности (в данном случае, с таблички драгоценного камня). Фактически, схема подсветки отраженным светом была необходима, чтобы позволить оптическому считывающему устройству 28 работать даже с камнями, вставленными в оправу, для которых свет подсветки, падающий снизу образца, исключен. Подсветку снизу не позволяют осуществлять и некоторые специфические формы драгоценных камней. Одним из аспектов схемы подсветки отраженным светом, предусмотренной для этого предпочтительного варианта осуществления оптического считывающего устройства 28, является кольцевая форма луча подсветки, когда он падает на табличку драгоценного камня 120. Этот луч света показан на фиг.5 стрелками 182. Диаметр кольца подсветки в плоскости таблички выбран достаточно широким, чтобы избежать любой прямой подсветки знака, когда последний находится в центральной зоне поля зрения оптического считывающего устройства. После вхождения в драгоценный камень 120 свет подсветки распространяется вниз и затем внутренне отражается вверх в разных направлениях ограненными и полированными гранями (фасетами), находящимися на нижней части (павильоне) драгоценного камня 120. При этом точечные метки, образующие знак, подсвечиваются снизу, обычно появляясь на изображениях как темные черные пятна на ярком фоне. Кольцеобразная головка 180 устройства подсветки, внутренний диаметр которой соответствует объективу 162 микроскопа, подает луч света подсветки 182 с кольцевой поперечной формой. Кольцеобразные головки устройства подсветки изготавливаются разных размеров многими поставщиками оборудования для систем визуализации изображений и машинного зрения.

В предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг.5, свет подсветки создается широкополосным волоконно-оптическим устройством подсветки 176, а гибкий волоконно-оптический световод 178, сопряженный с выходной апертурой устройства подсветки, передает свет подсветки в кольцеобразную головку 180 устройства подсветки. Устройство подсветки 176, волоконно-оптический световод 178 и кольцеобразная головка 180 устройства подсветки вместе образуют полный блок подсветки 174. Воспользовавшись преимуществом схемы подсветки отраженным светом, показанной на фиг.5, контрастность изображений можно дополнительно увеличить, используя средства предотвращения попадания частей луча подсветки 182 в зону входной поверхности драгоценного камня, которая лежит непосредственно над выгравированным знаком. С этой целью с нижним концом объектива 162 микроскопа сопряжен конический световой экран 184, предназначенный для блокирования любого света подсветки 182, который иначе бы попал в центральную часть входной поверхности драгоценного камня. Апертура на нижнем конце конического светового экрана 184 настроена достаточно широко, чтобы объектив 162 микроскопа мог работать при своей номинальной числовой апертуре.

Драгоценный камень 120, подлежащий обследованию оптическим считывающим устройством 28, закреплен в держателе 168, установленном на опорном основании 170. Держатель 168 можно выполнить так, чтобы он обеспечивал точное позиционирование драгоценного камня 120, при котором знак, выгравированный в центральной зоне таблички, появлялся почти в центре поля зрения оптического считывающего устройства 28. Для центрирования драгоценного камня в держателе 168 можно предусмотреть отдельный прибор (на этой фигуре не показанный), используя, например, увеличитель малого увеличения, содержащий градуированную окулярную сетку, два столика ручного микрометрического перемещения и плиту основания. После того как драгоценный камень правильно отцентрирован на окулярной сетке увеличителя, увеличитель убирают, а остальной узел передвигают на опорное основание 170, пока он не упрется в три отдельных контрольных упора 172, из которых на фиг.5 показан только один. Затем держатель можно прочно закрепить в правильном положении быстросъемным зажимом 188. Наконец, как часть операции установки драгоценного камня 120 в держателе 168, плоскость таблички драгоценного камня выставляется в одной плоскости с контрольной горизонтальной поверхностью узла держателя. Эта стадия необходима, чтобы обеспечить, что вертикальное положение драгоценного камня точно откорректировано, чтобы легко ввести изображения выгравированного знака в фокус.

В держателе 168, таком как конкретный держатель, показанный на фиг.5, можно крепить только отдельные, не вставленные в оправу драгоценные камни. Однако специалист в данной области может легко внести изменения в некоторые части держателя, чтобы можно было считывать знаки, выгравированные в драгоценных камнях в оправе, таких как драгоценные камни, вставленные в кольца, серьги, подвески, кулоны, болтающиеся части сережек и браслеты. При этом оптическое считывающее устройство 28 обычно используется с набором держателей 168, подходящих для драгоценных камней, вставленных в разные оправы.

Узел оптического считывающего устройства 28 может помещаться в корпус самыми разными путями. Например, все компоненты, показанные на фиг.5, в том числе микропроцессор 186 и связанную электронику, можно поместить в один защитный корпус или шкаф. Предпочтительно, шкаф должен иметь приятный внешний вид, подходящий для окружения, такого как прилавок магазинов розничной торговли ювелирными изделиями. Отверстие в дверце, выполненное на лицевой боковой стенке шкафа, позволяет оператору вставлять держатель 168 драгоценного камня в узел, чтобы установить драгоценный камень 120 точно совмещенным с оптической осью оптического считывающего устройства. В лицевой боковой стенке шкафа находится пользовательский интерфейс, состоящий из жидкокристаллического дисплея и панели управления. Кроме того, узел оптического считывающего устройства 28 можно упаковать в виде ручной дистанционной зондирующей головки, подключенной к блоку управления и интерфейса. Это ручное устройство содержит объектив 162 микроскопа, удлинительный тубус 163, камеру на ПЗС 166 и полное устройство подсветки 174, все из которых выпускаются малогабаритными, чтобы их можно было упаковывать в удобное устройство, которое можно держать рукой. Например, устройство подсветки 174 можно выполнить в виде компактного кольцеобразного осветителя, в котором свет создается матрицей твердотельных светодиодов. Кроме того, специальный объектив 162 микроскопа можно разработать таким, чтобы он отображал предмет в плоскости ближе, чем вышеупомянутое стандартное расстояние 160 мм. Ручное конструктивное исполнение обладает тем преимуществом, что не требуется использование держателя 168 драгоценного камня и связанных с ним деталей 170, 172 и 188, поскольку драгоценный камень 120 просто приводится в контакт с передним концом зондирующей головки. С этой целью передний конец содержит плоскую пластинку, изготовленную из твердого прозрачного материала, на которую с плотным контактом укладывается табличка драгоценного камня. Плоская пластинка служит для размещения таблички драгоценного камня на правильном рабочем расстоянии от переднего конца объектива микроскопа. Юстировочные метки, выгравированные на плоской пластинке, помогают отцентрировать драгоценный камень относительно оптической оси считывающего устройства. В этом варианте осуществления зондирующая головка держится в одной руке, а драгоценный камень 120 в другой руке - либо пинцетом в случае отдельного камня, либо за оправы вставленных в оправы драгоценных камней.

Вписывание меток в объеме драгоценных камней

Фиг.6 представляет собой вид сбоку драгоценного камня 120, в объеме которого выгравированы две отличные точечные метки, обозначенные одинаковой позицией 148. В частности, на фиг.6 показан алмаз, имеющий круглую бриллиантовую огранку. Табличкой этого алмазного драгоценного камня является верхняя горизонтальная плоская поверхность 140, на которую при мечении падает записывающий лазерный луч. Алмаз, имеющий круглую бриллиантовую огранку, имеет также корону 142 и павильон 146; обе эти части состоят из нескольких граней (фасет), на этой фигуре не показанных. Рундист 144 - это периферийный поясок, отделяющий корону 142 от павильона 146.

Одним из важных аспектов предлагаемого способа является мечение точечных меток, имеющих регулируемый размер, в объеме драгоценного камня, такого как алмаз. Понятно, что при мечении в объеме поверхность падения (т.е. табличка) драгоценного камня, а также часть объема материала драгоценного камня, находящаяся вдоль внутренней траектории записывающего лазерного луча, ни в коем случае не должны изменяться. Иными словами, вызываемые лазером структурные изменения, которые приводят к образованию постоянных меток, должны начинаться только в тонком слое, находящемся на глубине d ниже таблички 140 драгоценного камня, как показано на фиг.6. Толщина этого воображаемого тонкого слоя определяется общей точностью процесса при мечении на номинальной глубине d ниже таблички 140. Для упрощения обычно желательно, чтобы все метки 148 лежали на одной глубине, поскольку это помогает добиться того, что весь набор меток находился в точном фокусе в изображениях, снимаемых оптическим считывающим устройством 28. Метки 148 распределены в тонком слое в соответствии с рисунком, который зависит от символики (схемы кодирования), выбранной для кодирования данных аутентификации, а также от конкретного идентификационного кода, приписанному данному драгоценному камню. Например, фиг.7 представляет собой вид сверху алмазного бриллианта, имеющего круглую бриллиантовую огранку, на котором показаны три отличные метки 148, образующие знак. Прямоугольник 150, нарисованный пунктирными линиями (с короткими пунктирами), ограничивает наружный контур поля зрения в предметной плоскости оптического считывающего устройства 28, выполненного в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Для этого варианта осуществления, показанного на фиг.5, необходимо, чтобы мечение знака выполнялось в центральной зоне таблички 140.

В другом варианте осуществления предлагаемого способа метки могли бы в пределах сути настоящего изобретения вписываться на разных глубинах драгоценного камня 120, приводя, таким образом, к вписыванию трехмерных знаков. По сравнению с их двухмерными аналогами трехмерные знаки обладают преимуществом большей скрытности, поскольку составляющие знак метки нельзя одновременно привести в фокус, если рассматривать их через оптический прибор, глубина резкости пространственного изображения которых короче, чем диапазон глубин, в котором выгравированы составляющие знак метки. С другой стороны, большая трудность обнаружения трехмерных знаков означает, что конструкцию оптического считывающего устройства 28, схематически показанного на фиг.5, необходимо модернизировать, чтобы можно было отображать плоскости, находящиеся на разных глубинах в объеме драгоценного камня. Такую модернизацию можно было бы осуществить, например, посредством управляемого вертикального перемещения держателя 168. При этом изображения последовательно записывались бы камерой на ПЗС 166 во время вертикального перемещения драгоценного камня 120. Весь знак можно было бы затем восстановить путем объединения подмножества изображений, в которых каждая отдельная метка приведена в резкий фокус, при поддерживании их относительных положений неизменными. Полученное в результате составное изображение можно было бы затем направить в ЦП 20 для последующей расшифровки знака. Этот дополнительный вариант осуществления оптического считывающего устройства 28 обладает тем преимуществом, что устраняется необходимость вписывания меток на очень точных глубинах в объеме драгоценного камня 120.

На фиг.6 и 7 относительные размеры меток 148 показаны очень увеличенными, поскольку на практике они должны оставаться не обнаруживаемыми, если смотреть на табличку невооруженным глазом или через оптический прибор, имеющий 10-кратное увеличение. Очень нужно даже, чтобы метки было трудно обнаружить при рассматривании без какой-либо предварительной поисковой точки через бинокулярные микроскопы, используемые в настоящее время в геммологии. Собственная непрозрачность составляющего материала выгравированных меток 148 особенно усложняет выполнение их скрытными, если будут использоваться вышеупомянутые визуальные средства. Ключ к скрытности меток - выполнить такую операцию лазерного мечения, которая делает возможным подповерхностное вписывание меток, имеющих общие индивидуальные размеры, не превышающие примерно 5 мкм, предпочтительно, менее 2 мкм.

Управление фокусированием записывающего лазерного луча в драгоценный камень

Один из важных аспектов вписывания лазером точечных меток диаметром лишь несколько микрон относится к фокусированию записывающего лазерного луча в объем драгоценного камня 120. Фокусирование записывающего лазерного луча в объем драгоценного камня 120 схематически показано на фиг.8. Стрелками 152 показан общий наружный контур распределения оптической интенсивности записывающего (поперечно расширенного) лазерного луча 78 (см. фиг.4), который распространяется вдоль оптической оси 156 и попадает во входной зрачок фокусирующего объектива 118. Стрелками 154 показан наружный контур записывающего лазерного луча, выходящего из объектива 118, жестко сфокусированного на объеме, находящемся на глубине d ниже таблички 140 драгоценного камня 120.

Чтобы добиться необходимых характеристик луча в объеме драгоценного камня 120, необходимо тщательно выбирать числовую апертуру объектива 118, которая является показателем углового расхождения луча, выходящего из этого оптического компонента. С одной стороны, при увеличении числовой апертуры объектива диаметр W_F профиля интенсивности лазерного луча в плоскости наилучшего фокуса становится меньше. Эта тенденция наблюдается в режиме, в котором сфокусированный лазерный луч 154 не сильно искажен сферическими аберрациями, возникающими при его распространении через различные оптические элементы объектива 118. Кроме того, увеличение числовой апертуры объектива помогает уменьшить риск нанесения вызываемых лазером оптических повреждений поверхности таблички 140. Это является результатом диаметра W_S распределения интенсивности луча в плоскости таблички 140, который можно сделать значительно больше, чем соответствующий диаметр W_F профиля интенсивности луча в плоскости наилучшего фокуса. В результате интегральная плотность оптического потока (флюенса) (энергия на единицу площади) в плоскости таблички 140 может быть намного ниже флюенса, необходимого для инициирования развития точечной метки 148.

С другой стороны, использование объектива 118 с более высокой числовой апертурой приводит к меньшему (и, возможно, неудобному) рабочему расстоянию S, показанному на фиг.8, а сфокусированный лазерный луч может значительно ухудшиться любой остаточной оптической шероховатостью, присутствующей на полированной поверхности таблички 140. Кроме того, при оценке минимального поперечного размера W_F луча в плоскости наилучшего фокуса необходимо учитывать влияния сферических аберраций, вызываемых прохождением записывающего лазерного луча в объективе 118. Практическим решением для фокусирования является объектив 118, имеющий фокусное расстояние в пределах 5-10 мм и числовую апертуру 0,35-0,55. Из-за очень жесткого фокусирования записывающего лазерного луча, для того чтобы получить плоскость наилучшего фокуса на требуемой глубине d ниже таблички 140 вместе с требуемым размером пятна луча W_F в этой плоскости, необходимо выполнить расчеты для построения хода луча, должным образом учитывающие точную оптическую конструкцию фокусирующего объектива 118. Глубина d предпочтительно задается в пределах примерно от 200 до 700 мкм. Вписывание меток на большей глубине ниже поверхности таблички 140 обеспечивает большую скрытность меток. С другой стороны, больший путь распространения записывающего лазерного луча в материал драгоценного камня повышает вероятность возмущения луча природными включениями и другими видами неоднородностей, присутствующими в материале.

Описание предпочтительного варианта осуществления схемы кодирования

Выше подробно рассмотрены некоторые аспекты способа гравирования точечных меток, имеющих общий размер предпочтительно примерно 1 мкм, в объеме драгоценных камней с целью сделать каждую отдельную метку почти незаметной при использовании визуальных средств, обычно применяемых в данной области. К сожалению, нетрудно понять, что если знак состоит из чрезмерно большого числа непрозрачных точечных меток, распределенных на площади ограниченного размера, он может стать легковидимым. Соответственно, еще одним важным аспектом настоящего изобретения является способ кодирования машинно-считываемой идентификационной информации в знаках, образованных лишь из небольшого числа отдельных меток.

На фиг.9 представлен схематический вид знака 198, выполненного по предпочтительной предлагаемой схеме кодирования. Знак 198 содержит пять меток, которые в соответствии с их конкретными ролями в схеме кодирования можно разбить на две группы. Так, первая группа меток, обозначенных позициями 200А, 200В и 200С, образуют углы геометрической фигуры, назначение которой - позволить точно распознать знак 198 компьютерным программным обеспечением, которое обрабатывает изображения, передаваемые предлагаемым оптическим считывающим устройством 28. Конкретной геометрической фигурой, показанной на фиг.9, является треугольник, стороны которого начерчены пунктирными линиями. Путем включения в первую группу дополнительных меток можно построить и другие геометрические фигуры в пределах сути предпочтительной схемы кодирования в соответствии с настоящим изобретением. Вторая группа включает две метки, обозначенные позициями 292А и 202В. Эти метки служат исключительно для кодирования идентификационных данных. Дополнительные метки можно включить и во вторую группу. В предпочтительной схеме кодирования числовые данные, которые однозначно идентифицируют драгоценный камень, кодируются по положениям точек 202А и 202 В. Эти положения выражаются парами пространственных координат (Х₁, Y₁) и (Х₂, Y₂) соответственно. Для кодирования идентификационных данных с целью увеличения числа разных комбинаций, допускаемых схемой кодирования, служат некоторые конкретные атрибуты треугольника, показанного пунктирной линией. В примере, показанном на фиг.9, для создания полного идентификационного кода, приписанного драгоценному камню, к упомянутым выше парам пространственных координат прибавляются значения двух внутренних углов α и β. Полный числовой идентификационный код, полученный из этого знака 198, можно выразить потоком данных (X₁, Y₁, X₂, Y₂, α, β), состоящим из шести элементов. Для увеличения числа отличных идентификационных кодов этот поток данных можно удлинить включением пространственных координат, связанных с дополнительными кодирующими метками.

На первый взгляд, присутствие кодирующих меток 202А и 202В не позволит выполнить надежное машинное распознание знака 198, поскольку по пяти меткам, показанным на этой фигуре, можно построить большое число разных треугольников. Программное обеспечение распознавания может избавить от этой потенциальной трудности. Для этого ему нужно просто дать команду учитывать треугольник, имеющий самую длинную сторону - в данном случае, сторону 208 длиной L, как показано на фиг.9. Это означает, что все равносторонние треугольники из предпочтительной схемы кодирования исключены. Исключение равносторонних треугольников дает также схему распознавания, инвариантную при вращении знака 198 на изображениях, полученных из оптического считывающего устройства 28. Вращательно-инвариантное распознавание знака 198 важно, поскольку метка 200С, которая образует левый конец самой большей стороны 208 треугольника, определяет и начало координат прямоугольной X-Y системы координат, в которой определяются положения кодирующих меток 202А и 202В. Прямоугольная X-Y система координат, связанная со знаком 198, показана на фиг.9 осью Х 204 и осью Y 206. Привязка пространственных координат точек 202А и 202В к положению точки 200С обеспечивает, что и процесс декодирования является инвариантным при перемещении знака. Это преимущественное свойство подразумевает, что знак 198 не требуется располагать в конкретном месте на поверхности таблички драгоценного камня. Кроме того, знак не нужно точно центрировать в выходном сигнале изображений с оптического считывающего устройства 28.

Декодирование идентификационного кода, зашифрованного в знаке 198, делается инвариантным при масштабировании путем выражения пространственных координат кодирующих меток 202А и 202В относительно длины L самой большой стороны 208 треугольника. При этом отдельные пространственные координаты X₁, Y₁, X₂ и Y₂ даются значениями, внутренне ограниченными интервалом от 0 до 1. Осуществление процесса распознавания, являющегося инвариантным при масштабировании изображений, оказывается очень эффективным, если эти изображения снимаются различными оптическими считывающими устройствами 28, оснащенными объективами 162 микроскопа, которые не обязательно дают одинаковое увеличение. Кроме того, точная физическая длина L стороны 208 не влияет на распознавание знака и его последующее декодирование. На практике длина наибольшей стороны 208 треугольника выбирается так, чтобы весь знак 198 мог всегда полностью заключаться в поле зрения на предметной плоскости оптического считывающего устройства 28 независимо от того, как знак повернут относительно контура поля зрения. Однако в некоторых случаях общие размеры знака должны выдерживаться относительно мелкими, поскольку крайне предпочтительно, чтобы вся зона, ограниченная наружным контуром знака, не имела какого-либо природного включения, которое могло бы обнаруживаться в изображениях, снятых оптическим считывающим устройством 28. Отсутствие в знаке какого-либо включения особенно важно в случаях, когда эти включения могут очень напоминать выгравированные метки. При этом отпадает необходимость в фильтрации их с изображений программным обеспечением распознавания перед началом распознавания знака.

В другом варианте осуществления оптического считывающего устройства 28 увеличение объектива 162 микроскопа можно было бы точно откалибровать, чтобы можно было точно измерять фактическую длину L самой большой стороны 208 треугольника, которая служит для распознания знака 198. Измеренное значение L можно затем включить как седьмой элемент в потоке данных (X₁, Y₁, Х₂, Y₂, α, β), который является числовым представлением идентификационного кода, зашифрованного в знаке 198. Добавление измеренного значения L как части идентификационных кодов дает в результате значительное увеличение числа отличных комбинаций, допускаемых схемой кодирования.

В предпочтительной схеме кодирования метки 202А и 202В всегда находятся внутри треугольника, ограничивающего знак 198, так что диапазон допустимых значений для их пространственных координат охватывает лишь ограниченную часть максимального интервала, охватывающего значения от 0 до 1. Интервал изменения для каждой отдельной координаты X₁, Y₁, Х₂ или Y₂ в примере, представленном на фиг.9, зависит, фактически, от предварительного выбора пары углов α и β, которые определяют конкретную форму треугольника. Кроме того, во избежание какой-либо путаницы между идентификационными кодами, отличающимися только значением одной координаты, для любой данной координаты допускаются только дискретные значения. На практике шаг приращения между двумя последовательными значениями, допускаемый пространственной координатой, диктуется общим разрешением схемы оптического считывания. Это разрешение зависит от ряда факторов, таких как собственный размер каждой вписанной метки, разрешение по плоскости (или разрешающая способность) объектива 162 микроскопа оптического считывающего устройства 28, размеры чувствительных фотоэлементов матричного датчика камеры на ПЗС 166 и возможность получения изображения меток в резком фокусе. Например, чтобы обеспечить, чтобы две соседние метки, разделенные шагом приращения, были всегда четко различимы на изображениях, передаваемых оптическим считывающим устройством, для разрешенных пространственных координат меток, имеющих диаметр 1 мкм, можно было задать шаг приращения примерно 4 мкм. Это означает, что если бы треугольник, ограничивающий знак 198, имел самую большую сторону, скажем, L=300 мкм, координата Х кодирующих меток могла бы принимать максимум 75 разных значений. В приведенном выше примере число допустимых значений для каждой координаты на самом деле будет значительно ниже 75, поскольку верхние границы интервалов, в которых могут меняться координаты, определяются двумя другими сторонами треугольника. Это особенно очевидно для координат Y₁ и Y₂, относящихся к вертикальным положениям кодирующих меток 202А и 202В на фиг.9.

Способ лазерного мечения в драгоценных камнях с извлечением выгоды из присутствия внутренних дефектов и примесей

Предпочтительная последовательность операций при вписывании лазером знаков в объеме драгоценного камня приведена на блок-схеме, представленной на фиг.10А и 10В. Эта последовательность операций осуществляется путем обмена сообщениями между ЦП 20 системы аутентификации драгоценных камней, показанной на фиг.2, и дистанционной станцией лазерного мечения 26. На первой стадии 220 центральным процессором 20 создают идентификационный код в соответствии с требованиями и правилами, оговоренными в схеме кодирования, используемой в системе аутентификации. Затем на стадии 230 обеспечивают доступ ЦП 20 к базе данных 22 для проверки, не присвоен ли уже вновь созданный идентификационный код какому-либо ранее меченому драгоценному камню. Если на стадии 240 устанавливают, что он зарезервирован, его сразу же изменяют на стадии 250 и затем снова проверяют на стадии 230, пока окончательно не получают действительный идентификационный код. Затем на стадии 260 исходя из выбранного идентификационного кода создают соответствующий рисунок знака в соответствии с предпочтительной символикой, такой как показана на фиг.9. Построение рисунка для знака заключается, в основном, в установлении относительного пространственного положения каждой из различных меток, которая образует часть знака, так чтобы идентификационный код стал правильно зашифрованным в рисунке. Рисунок знака затем преобразуют в последовательность машинных команд, которую передают на станцию лазерного мечения 26, чтобы на стадии 270 можно было осуществить процесс мечения. Метки гравируют в последовательном порядке, а драгоценный камень при вписывании каждой отдельной метки удерживают неподвижным. После успешного завершения операции мечения любой данной метки оснащенными электроприводами столиками линейного перемещения 124А, 124В и 124С узла установки изделия 54 (см. фиг.4) драгоценный камень 120 перемещают, пока следующее место для мечения точно не совпадет с оптической осью записывающего лазерного луча.

Одним из элементов новизны настоящего изобретения является то, что вызываемые лазером структурные изменения в материале драгоценного камня, приводящие к росту непрозрачного пятна, инициируются дефектами или примесями, присутствующими в объеме материала, где записывающий лазерный луч достигает своего наименьшего поперечного размера или, эквивалентно, своей максимальной интегральной плотности оптического потока. Самородные алмазы обычно содержат самые разные невидимые структурные дефекты и примеси, большинство из которых являются примесными атомами, такими как атомы азота, водорода и бора, причем чаще всего встречающимися являются атомы азота. Инициирование мечения точечных структур с внутренних дефектов начинает процесс мечения фемтосекундными лазерными импульсами, несущими энергию намного ниже пороговой энергии, необходимой для создания структурных изменений в остальных отношениях в идеальном материале алмаза. Как следствие, записывающий лазерный луч может излучаться лазерами с твердотельной средой усиления титан-сапфир (Ti:сапфир) без необходимости в каком-либо последующем оптическом усилении лазерных импульсов. Кроме того, при использовании лазерных импульсов, имеющих «безопасные» уровни интегральной плотности оптического потока в плоскости, совпадающей с табличкой, риски нанесения оптических повреждений табличке драгоценного камня резко снижаются.

Вместе с тем, один из серьезных недостатков инициирования построения непрозрачных меток с естественно встречающимися дефектами и примесями обусловлен случайным пространственным распределением этих дефектов наряду с их концентрацией, которая в одном и том же драгоценном камне значительно меняется от участка к участку. Кроме того, драгоценные камни очень высокого качества, такие как сортированные как внутренне бездефектные, часто имеют зоны в своем объеме, которые практически не имеют каких-либо «нужных» дефектов, тем самым требуя повышенных уровней энергии и (или) большего числа лазерных импульсов. На практике протокол лазерного мечения обычно будет включать постепенное повышение энергии импульса до инициирования роста метки. Максимальная допустимая энергия будет определяться конкретной лазерной системой, используемой в станции мечения, и эта энергия могла бы превышать пороговую энергию для вызывания структурных изменений в объеме идеального материала драгоценного камня. При этом протокол лазерного мечения будет предусматривать возможность вписывания меток в участке, не имеющем каких-либо дефектов или примесей. Однако, как показано на фиг.1А и 1C, при использовании повышенных уровней энергии повышается вероятность инициирования роста нежелательных меток на всем пути записывающего лазерного луча внутри драгоценного камня. Кроме того, максимальная энергия импульса, допустимая для надежного и безопасного вписывания в драгоценных камнях, таких как алмазы, может ограничиваться нелинейными оптическими эффектами, такими как самофокусировка, особенно при использовании фокусирующего объектива с более низкой числовой апертурой.

Предлагаемый способ позволяет избавиться от недостатка, обусловленного случайным распределением внутренних дефектов и примесей в драгоценном камне, подлежащем мечению, путем осуществления контроля в реальном масштабе времени роста каждой отдельной метки. В случае неудачи вписывания любой данной метки на стадии 280 из-за, видимо, отсутствия дефектов в объеме вокруг сфокусированного записывающего лазерного луча, центральному процессору 20 сообщают о событии неудачи и определяют новое положение для гравирования метки, как показано на стадии 290 на фиг.10А. На стадии 300 рассчитывают идентификационный код, измененный в соответствии с вновь определенным положением метки, затем на стадиях 230-240 подтверждают его действительность. Затем на стадии 270 начинают лазерное мечение в новом положении. Операции повторяют, пока метку не удастся успешно вписать, и весь способ применяют ко всему набору меток, образующих знак. В результате идентификационный код и связанный с ним знак, полученные в конце стадии 310 успешной операции мечения, могут существенно отличаться от таковых, созданных в самом начале операции мечения, особенно при гравировании в драгоценных камнях, имеющих очень высокую прозрачность.

Фиг.11 представляет собой оптический микрофотоснимок, на котором показан квадратный 5×5 массив точечных меток, вписанных управляемым образом на глубине примерно 300 мкм ниже таблички самородного алмаза в соответствии с примерным протоколом лазерного мечения. Выбранный протокол предусматривал подачу на драгоценный камень первой пары лазерных импульсов с длиной волны 775 нм и длительностью примерно 150 фс, измеренных прямо на выходе лазерной системы. Эти два лазерных импульса были разделены временным интервалом 1 мс. Лазерные импульсы были сфокусированы объективом, состоявшим из одной асферической линзы, имевшей числовую апертуру 0,5 для поперечного распределения интенсивности луча диаметром примерно 8 мм в ее входном зрачке. Энергия импульсов записывающего лазерного луча, измеренная на входном зрачке фокусирующего объектива, была чуть меньше 1 мкДж. Успешные пары лазерных импульсов с характеристиками, идентичными приведенным выше, направлялись на участки, пока окончательный диаметр каждой метки не достигал примерно 3-5 мкм. В процессе мечения для контроля постепенного роста знака каждый участок отображался на камеру на ПЗС. Метку подходящего диаметра можно было успешно вписывать в каждом из 25 разных участков этого конкретного образца алмаза. Число пар импульсов, необходимых для вписывания метки подходящего диаметра, менялось от участка к участку, но для указанной энергии импульсов ни разу не превышало пяти. Глубина, на которой были вписаны метки, несколько менялась от участка к участку, так что поймать изображения всех меток в резкий фокус на одном и том же микрофотоснимке было невозможно. Расстояние между соседними метками, показанными на фиг.11, составляет примерно 50 мкм. Массив точечных меток охватывает площадь примерно 250×250 мкм, что соответствует типичному общему размеру знака, выгравированного в соответствии с предлагаемым способом.

Возвращаясь к фиг.10В, на стадии 320 оптическим считывающим устройством 28, которое является частью станции лазерного мечения 26, снимают машинно-считываемое изображение знака, вновь выгравированного в объеме драгоценного камня. На стадии 330 из изображения знака центральным процессором 20 извлекают идентификационный код и на стадии 340 этот идентификационный код сравнивают с идентификационным кодом, который на данный момент был действительным в конце операции мечения. Теоретически, оба этих идентификационных кода должны быть идентичными, но возможные неудачи или неисправная работа аппаратных средств станции лазерного мечения 26 могут привести к различиям между требуемым идентификационным кодом и тем, который соответствует знаку, действительно выгравированному в объеме драгоценного камня 120. При возникновении этого события центральным процессом 20 на стадии 350 оператору станции лазерного мечения выдают предупреждение. После этого на стадии 360 вновь выгравированный драгоценный камень регистрируют в системе аутентификации путем записи в базе данных 22 идентификационного кода, извлеченного на стадии 330, вместе с некоторыми другими идентификационными данными. В пакет данных, который вносят в базу данных, могут включать конкретное изображение, которое сняли оптическим считывающим устройством 28, а затем обработали с помощью ЦП 20 для извлечения идентификационного кода драгоценного камня. Наконец, на стадии 370 распечатывают свидетельство аутентификации и на этом последовательность операций завершают.

Хотя выше описан предпочтительный вариант осуществления изобретения с его различными аспектами, это описание необходимо рассматривать как иллюстрацию варианта осуществления изобретения, а не как описание его намеченного объема. Объем станет понятнее из раскрытия в целом.

Изобретение относится к способу и системе для лазерного мечения драгоценных камней и, в частности, к способу и системе гравирования кодов аутентификации. Техническим результатом является вписывание лазером постоянных точечных меток в объеме драгоценных камней. Система для лазерного мечения знаков в драгоценных камнях, таких как алмазы, причем знаки состоят из нескольких микроскопических точечных меток, рост которых может инициироваться при воздействии на естественно встречающиеся внутренние дефекты или примеси в объеме драгоценного камня жестко сфокусированной последовательностью импульсов лазера. Знаки вписывают лазерными импульсами, несущими значительно меньшую энергию, чем пороговая энергия, требуемая для вписывания в объеме идеального материала драгоценного камня. В способе лазерного мечения и кодирования учитывается случайное пространственное распределение дефектов, присутствующих в самородных драгоценных камнях, а также их очень локализированный характер. Данные аутентификации кодируются в драгоценном камне по относительному пространственному расположению точечных меток, которые образуют знак. Точечные метки, выгравированные на глубине ниже поверхности драгоценного камня, можно сделать не обнаруживаемыми невооруженным глазом и с лупой путем ограничения их индивидуального размера несколькими микрометрами. Присутствие знака обнаруживается при использовании специального оптического считывающего устройства. 8 н. и 32 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ адаптивного управления созданием знаков в объеме образца драгоценного камня с использованием последовательности импульсов в фемтосекундном диапазоне, сфокусированных ниже поверхности указанного образца, причем указанными знаками указанный образец идентифицируют, не затрагивая поверхность образца, и указанные знаки делают невидимыми при 10-кратном увеличении, который включает следующие стадии:
стадию, на которой задают отличительные признаки знаков, подлежащих созданию;
стадию, на которой выполняют заданный протокол мечения для указанной последовательности лазерных импульсов с использованием параметров, которые выбирают из группы, включающей длину волны, длительность импульса, число импульсов, частоту следования, энергию импульса, числовую апертуру фокусирующей оптики и координаты мишени;
стадию, на которой в процессе выполнения указанного протокола контролируют создание указанных знаков; и стадию, на которой прекращают дальнейшее выполнение указанного протокола, если при указанном контроле обнаруживают проявление указанными знаками указанных отличительных признаков.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные отличительные признаки выбирают из группы, включающей форму, размер, оптические свойства и расположение в образце.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в указанные отличительные признаки включают размер, и указанным размерам берут размер, который не снижает коммерческую ценность указанного образца.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в указанную стадию контроля включают контроль создания указанных знаков в процессе выполнения указанного протокола и, исходя из результата указанного контроля, изменяют по меньшей мере один их указанных параметров.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в указанный протокол мечения включают несколько наборов указанных параметров для последовательного выполнения указанных наборов.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в каждый последовательный набор включают изменение энергии импульса в превышение энергии импульса в предшествующем наборе в последовательности.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанной контроль выполняют с использованием оптического устройства визуализации для оценки присутствия указанных отличительных признаков.

8. Способ по п.7, включающий также стадию, на которой используют светосильный фотодетектор для обнаружения импульсов света, сигнализирующих о структурных изменениях в указанном образце, и светофильтр.

9. Способ по любому из пп.1, 5 - 8, отличающийся тем, что в качестве указанного образца драгоценного камня берут алмаз.

10. Способ адаптивного управления для управления нанесением знаков в объеме образца драгоценного камня с использованием последовательности импульсов в фемтосекундном диапазоне, сфокусированных ниже поверхности указанного образца, причем указанными знаками указанный образец идентифицируют, не затрагивая поверхность образца, и указанные знаки делают невидимыми при 10-кратном увеличении, который включает следующие стадии:
стадию, на которой под управлением процессора создают идентификационный код для привязки к указанному образцу;
стадию, на которой определяют отличительный рисунок для нескольких знаков, соответствующий указанному идентификационному коду;
стадию, на которой под управлением указанного процессора выполняют протокол мечения для указанной последовательности лазерных импульсов путем прикладывания указанных импульсов с целью последовательного создания каждого из указанных знаков в соответствии с указанным отличительным рисунком; и
стадию, на которой управляют указанным процессором таким образом, что если при выполнении указанного протокола создают один, а не все из указанных знаков в соответствии с указанным обличительным рисунком, посредством указанного процессора обеспечивают создание нового идентификационного кода, соответствующего новому отличительному рисунку, согласующемуся с теми из указанных знаков, которые успешно создали, и при необходимости в этом посредством процессора выполняют протокол мечения для создания дополнительных знаков с целью завершения указанного нового отличительного рисунка.

11. Способ по п.10, включающий также стадию, на которой по очереди контролируют создание каждого из указанных нескольких знаков.

12. Способ по п.10, включающий также стадию, на которой после завершения создания указанного отличительного рисунка знаков или указанного нового отличительного рисунка знаков указанный идентификационный код или указанный новый идентификационный код, в зависимости от обстоятельств, регистрируют в базе данных.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что указанная стадия создания идентификационного кода включает далее стадию, на которой по указанной базе данных проверяют, существует ли указанный идентификационный код, создают дополнительный идентификационный код, и по указанной базе данных проверяют, существует ли указанный дополнительный идентификационный код.

14. Способ по любому из пп.10 - 13, отличающийся тем, что в качестве указанного образца драгоценного камня берут алмаз.

15. Система аутентификации драгоценных камней, содержащая:
устройство мечения для нанесения рисунков знаков в объеме драгоценных камней с использованием последовательности ультракоротких лазерных импульсов, сфокусированных ниже поверхности драгоценных камней, причем указанные знаки невидимы при 10-кратном увеличении;
базу данных, однозначно увязывающую идентификационный код с каждым из указанных рисунков знаков;
несколько считывающих устройств, связанных с несколькими дистанционными расположениями, для обнаружения указанных рисунков знаков; и
процессор, конструктивно исполненный для связи с указанным устройством мечения, указанной базой данных и указанными считывающими устройствами.

16. Система по п.15, отличающаяся тем, что указанная база данных далее увязывает указанный идентификационный код с данными, относящимися к одному из указанных драгоценных камней.

17. Система по п.15, отличающаяся тем, что указанный процессор предназначен для передачи команд указанному устройству мечения на нанесение одного из указанных рисунков знаков в одном из указанных драгоценных камней.

18. Система по п.15, отличающаяся тем, что указанный процессор конструктивно исполнен для связи с указанными дистанционными расположениями, для приема из одного из указанных дистанционных расположений информации, которая идентифицирует один из указанных рисунков знаков, для поиска и извлечения из указанной базы данных указанных данных и передачи указанных данных в одно из указанных дистанционных расположений.

19. Система по п.15, отличающаяся тем, что указанное устройство мечения содержит также оптическое устройство визуализации для оценки создания знаков в реальном масштабе времени, причем указанный процессор конструктивно исполнен для
управления работой указанного устройства мечения в зависимости от состояния создания знаков;
подгонки параметров указанной последовательности лазерных импульсов в соответствии с оценкой создания знаков в реальном масштабе времени; и
сообщения указанной базе данных об успешном нанесении рисунка знаков.

20. Система по п.19, отличающаяся тем, что указанный процессор конструктивно исполнен для выбора альтернативного рисунка знаков в случае, если заданный рисунок знаков не нанесен успешно на указанные драгоценные камни.

21. Система по п.20, отличающаяся тем, что указанный процессор конструктивно исполнен для консультации с указанной базой данных при выборе указанного альтернативного рисунка знаков.

22. Способ адаптивного управления для управления созданием знаков в объеме образца драгоценного камня, причем указанными знаками указанный образец идентифицируют, не затрагивая поверхность образца, и указанные знаки делают невидимыми при 10-кратном увеличении, который включает следующие стадии:
стадию, на которой устанавливают протокол мечения для системы мечения ультракороткими лазерными импульсами, причем в указанный протокол включают несколько заданных наборов параметров, и в каждый набор включают параметры, которые выбирают из группы, включающей длину волны, длительность импульса, число импульсов, частоту следования, энергию импульса, числовую апертуру фокусирующей оптики и координаты мишени;
стадию, на которой предпринимают попытку создать знак путем исполнения первого набора параметров, которые определяют указанным протоколом;
стадию, на которой оценивают, создали ли знак, используя указанный первый набор параметров;
стадию, на которой, если знак не создали, предпринимают попытку создать знак в соответствии со вторым набором параметров, которые задают указанным протоколом.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что в качестве указанного образца драгоценного камня берут алмаз.

24. Устройство для нанесения знаков в объеме драгоценных камней, причем указанные знаки идентифицируют указанные драгоценные камни и невидимы при 10-кратном увеличении, содержащее:
лазерную систему для фокусирования лазерных импульсов длительностью менее 100 фемтос на выбранных глубинах ниже поверхности драгоценного камня;
запоминающее средство, содержащее протокол мечения, содержащий параметры для работы указанной лазерной системы, причем указанные параметры задаются и выбираются из группы, включающей длительность импульса, число импульсов, частоту следования, энергию импульса и числовую апертуру;
центральный процессор (ЦП) для управления работой указанной лазерной системы в соответствии с указанным протоколом мечения; и
блок контроля процесса для оценки создания каждого знака.

25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что указанный ЦП управляет работой указанной лазерной системы в соответствии с оценкой - блоком контроля процесса - создания указанного знака.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что указанный протокол включает несколько наборов указанных параметров для последовательного выполнения, и указанный ЦП действует таким образом, чтобы обеспечить выполнение второго набора указанных параметров, если при первом наборе параметров вызвать создание знака не удается.

27. Устройство по п.26, отличающееся тем, что указанный второй набор имеет другую энергию импульса, чем указанный первый набор.

28. Устройство по п.24 или 27, отличающееся тем, что указанный блок контроля процесса содержит устройство оптической визуализации.

29. Устройство по п.24 или 27, отличающееся тем, что указанный блок контроля процесса содержит светофильтр в сочетании со светосильным фотодетектором.

30. Устройство по п.24 или 27, содержащее также подсистему диагностики записывающего луча, содержащую по меньшей мере один оптический канал, выбранный из группы, включающей средство съемки изображений, счетчик импульсов и измеритель оптической мощности.

31. Устройство по п.24, содержащее также базу данных для однозначного увязывания данных для каждого из нескольких драгоценных камней с рисунками знаков, записанных в указанных драгоценных камнях, отличающееся тем, что указанный ЦП обеспечивает выполнение указанного протокола мечения с координатами мишени, определенными одним из указанных рисунков знаков.

32. Устройство по п.26, содержащее также базу данных для однозначного увязывания данных для каждого из нескольких драгоценных камней с рисунками знаков, записанных в указанных драгоценных камнях, отличающееся тем, что указанный ЦП конструктивно исполнен для выполнения указанного протокола мечения с координатами мишени, определенными одним из указанных рисунков знаков, и, если при выполнении указанного протокола один знак каждого рисунка не создается, для связи с указанной базой данных для поиска и извлечения альтернативного рисунка знаков.

33. Устройство по любому из пп.24 - 27, отличающееся тем, что указанными драгоценными камнями является алмаз.

34. Устройство по п.25, отличающееся тем, что указанный ЦП действует для изменения параметров, по которым указанная работа управляется, в соответствии с оценкой - блоком контроля процесса - создания указанных знаков.

35. Образец драгоценного камня, содержащий подповерхностные знаки для идентификации указанного образца, причем указанные подповерхностные знаки невидимы при 10-кратном увеличении и нанесены способом по пп.1, 10 или 22.

36. Образец по п.35, отличающийся тем, что указанный образец представляет собой алмаз.

37. Образец драгоценного камня, содержащий несколько подповерхностных знаков, помеченных в нем для идентификации указанного образца, отличающийся тем, что указанные несколько знаков закодированы в виде пространственного расположения локализованных зон, и тем, что указанная локализованная зона проявляет оптические характеристики, отличающиеся от таковых окружения указанной локализованной зоны, причем указанные знаки невидимы при 10-кратном увеличении.

38. Образец по п.37, отличающийся тем, что первое подмножество указанных нескольких подповерхностных знаков определяет систему координат, а второе подмножество указанных нескольких подповерхностных знаков кодирует идентификационные данные указанного образца.

39. Способ адаптивного управления для управления нанесением знаков в объеме образца драгоценного камня, причем указанными знаками указанный образец идентифицируют, не затрагивая поверхность образца, и указанные знаки делают невидимыми при 10-кратном увеличении, с использованием последовательности импульсов фемтосекундном диапазоне, сфокусированных ниже поверхности указанного образца, который включает следующие стадии:
стадию, на которой задают отличительные признаки знаков, подлежащих созданию;
стадию, на которой под управлением процессора создают идентификационный код для привязки к указанному образцу;
стадию, на которой определяют отличительный рисунок для нескольких знаков, соответствующий указанному идентификационному коду;
стадию, на которой выполняют протокол мечения для указанной последовательности лазерных импульсов путем прикладывания указанных импульсов с целью последовательного создания каждого из указанных знаков в соответствии с указанным отличительным рисунком с использованием параметров, которые выбирают из группы, включающей длину волны, длительность импульса, число импульсов, частоту следования, энергию импульса, числовую апертуру фокусирующей оптики и координаты мишени;
стадию, на которой в процессе выполнения указанного протокола контролируют создание указанных знаков;
стадию, на которой управляют указанным процессором таким образом, что, если при выполнении указанного протокола создают один, а не все из указанных знаков в соответствии с указанным отличительным рисунком, посредством указанного процессора обеспечивают создание нового идентификационного кода, соответствующего новому отличительному рисунку, согласующемуся с теми из указанных знаков, которые успешно создали, и при необходимости в этом посредством процессора выполняют протокол мечения для создания дополнительных знаков с целью завершения указанного нового отличительного рисунка;
стадию, на которой прекращают дальнейшее выполнение указанного протокола, если обнаруживают проявление указанными знаками указанных отличительных признаков; и
стадию, на которой после завершения создания указанного отличительного рисунка знаков или указанного нового отличительного рисунка знаков указанный идентификационный код или указанный новый идентификационный код, в зависимости от обстоятельств, регистрируют в базе данных.

40. Способ по п.39, отличающийся тем, что в качестве указанного образца драгоценного камня берут алмаз.