JP2007163460A - 宝石の特性を判定するためのデータを生成する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】人間の目で認知可能なカット・ダイヤモンドなどの宝石の視覚特性を判定する際に使用する画像データを生成する装置を提供すること。
【解決手段】本発明の装置は、対称軸が観察位置を通過する軸Ｘと平行になるように対称軸を有する宝石を支持する支持構造体と、配置された宝石を多様な光のパターンにより照明する照明手段と、軸Ｘを中心に光のパターンと支持構造体との間に相対的な回転を生じさせる回転手段と、光の電子画像を取り込み、画像データとして出力するカメラと、支持構造体の複数の異なる回転位置における光のパターンに対する回転中に、軸Ｘに沿って画像をカメラが取り込むように、回転手段およびカメラを制御する制御手段とを備え、照明手段は宝石へと光を反射する凹面を有する反射器を備え、凹面は相対的反射性の領域および相対的非反射性の領域を有し、それにより光のパターンを生成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、カットされたダイヤモンドなどの宝石の特性を判定するためのデータを生成する電子装置に関する。詳細には、これには限定されないが、本発明は、宝石の複数の画像が分析のために異なる照明条件の下で取り込まれる、宝石の特性を判定するためのデータを生成する電子装置に関する。

カットされたダイヤモンドなどの宝石の美しさは、その宝石の光を操る能力によって引き出される。目を引きつけるものは、巧みにカットされたダイヤモンドによって行われる、入射光が宝石の多数のファセット（面）に反射・屈折される「光のゲーム（ｇａｍｅ ｏｆ ｌｉｇｈｔ）」である。ダイヤモンドおよびその他の宝石は、例えばスタンダード・ラウンド・ブリリアント・カット、オーバル、ぺア、マーキス、ラジアント、プリンセス、ハート、エメラルド・カットなどの多くの異なる標準化されたカット・パターンに従ってカットすることができる。最も人気のあるカットは、図１に示すようなスタンダード・ラウンド・ブリリアント（ＳＲＢ）・カットである。ダイヤモンドのカットおよび研磨は非常に熟練を要する技術であり、優れた光学性能を有する巧みにカットされたダイヤモンドには、貧弱な光学性能を有する粗悪なカットのダイヤモンドよりも高い価格プレミアムが付く。

訓練されていない観測者にカット・ダイヤモンドを示す場合には、宝石のカラット重量、クラリティ、カット、およびカラーからなる宝石の４Ｃを参照することが多い。カラット重量、クラリティ、カット、およびカラーは、客観的に測定することが比較的容易にでき、したがって、一般に有用である。また、カットは、さまざまなファセットの幾何形状に関して特定または測定されてもよい。しかし、本当に重要なのは宝石の光を操る能力であり、宝石のブリリアンス（戻ってくる光の強さ）、シンチレーション（ダイヤモンドが照明条件に対して移動する際の、戻ってくる光のすばやい局所的な揺らぎ）、ファイア（スペクトル色への白色光の分散）、およびシンメトリー（いわゆる「ハート・アンド・アロー（ｈｅａｒｔｓ ａｎｄ ａｒｒｏｗｓ）」などの光のパターンのシンメトリー）などの、カット・ダイヤモンドのより主観的なパラメータが参照されることが多い。これらの主観的なパラメータを個人で評価することは、特に訓練されていない観測者にとっては困難な場合がある。また、同じカラット重量、クラリティ、およびカラーを有する２個のダイヤモンドの光を操る能力を比較することは困難であり、したがって、なぜ一方が他方よりも高価であるのかを認識することが難しい場合がある。

実験観察によるにせよ、理論上のコンピュータ・モデリングによるにせよ、さまざまな照明条件の下でブリリアンス、ファイア、およびシンメトリーなどの特性が求められるべきであるということが認識される。さらに、シンチレーションの特性については、さまざまな照明条件の下でダイヤモンドを観察する、またはモデル化することが不可欠であることは明らかである。分析のために、さまざまな照明条件の下で宝石の画像を取り込む電子装置が知られている。

本出願人は以前に、宝石の特性を測定するように設計された装置のために欧州特許出願第ＥＰ１３１９９４２号を出願した。この出願では、空間的に多様な光のパターンに対して、複数の回転位置で宝石の画像を取り込むことによって宝石の特性が判定されることが記載されている。空間的に多様な光のパターンは、一方が比較的反射性であり、もう一方が比較的非反射性である２つの領域を有する反射器によって生成される。２つの領域間の境界は、宝石の観察がそれに沿って行われる軸と平行な平面内にある。すなわち、２つの領域間の境界の長さは最小長であり、宝石がそれを介して観察される反射器の中心から反射器の最も近い縁部までの直線によって形成される。

国際特許公開第ＷＯ９６／２３２０７号は、分析チャンバ内に配置され、宝石を複数の異なる角度から照明することができるように、軸に沿って移動することができる均一な環状光によって照明される宝石のカラー画像を取り込むデバイスを記載している。このデバイスは、宝石の色を判定するために調整可能な光帯域通過フィルタを使用して取り込まれた画像の分光分析を実行する。また、宝石のデジタル画像を格納、表示、またはデータ網を通じて送信することもできる。

米国の企業ＧｅｍＥｘ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．のウェブサイト（ｗｗｗ．ｇｅｍｅｘ．ｃｏｍ）は、撮像分光光度計として記述されるＢｒｉｌｌｉａｎｃｅＳｃｏｐｅ Ａｎａｌｙｓｅｒと呼ばれるデバイスを記載している。ダイヤモンドのカラー画像は、６つの照明角度からなる制御された照明環境において取り込まれ、６つの照明角度のうちの５つは反射光を提供し、６つの照明角度のうちの１つが拡散照明を提供する。次いで、これらの画像を分析して、ダイヤモンドについての報告を作成することができる。ＢｒｉｌｌｉａｎｃｅＳｃｏｐｅ Ａｎａｌｙｓｅｒデバイスは、宝石が分析チャンバ内に配置され、宝石を複数の異なる角度から照明するように、軸に沿って移動することができる均一な環状光によって照明するという点で、前述の国際特許公開第ＷＯ９６／２３２０７号に記載されているデバイスと同じ原理で動作する。画像はコンピュータによって分析することができ、ダイヤモンドの「白色光」、「有色光」、および「シンチレーション」の特性が判定され、「低」から、「中」、「高」までの３つのラインチャートの目盛り上に表示される。取り込まれた画像を、１つの表示領域内に反復シーケンスで示し、光の移動の効果を与えることもできる。２つの宝石の画像は、比較のために並べて表示させてもよい。

国際特許公開第ＷＯ９９／６１８９０号は、宝石の標準化されたグレーディング用システムを記載している。宝石は、複数の入射光源にさらされ、分析のために画像が取り込まれる。ＳＲＢカット・ダイヤモンドなどの宝石の画像は、パビリオンから、クラウンから、および側面からなどのさまざまな視点から取り込むことができる。さまざまな回転位置からのプロファイルおよびカラー画像を取得し、内部のフローおよびインクルージョンを検出するために、宝石は、側面視点からの画像を取り込んでいる際に回転させる回転可能な台によって支持される。宝石の上下から画像を取り込む際には、基準位置からそれぞれ下位置および上位置まで軸に沿って台を移動させる。台を上位置、下位置、基準位置の間で移動させる際には、固定焦点距離カメラも、宝石に焦点を合わせるために軸に沿って移動させる。取り込まれた画像は、カラーの測定値（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）と宝石のブリリアンスおよびシンチレーションの評価（ｍｅａｓｕｒｅ）とを取得するためにプロセッサによって分析することができる。

米国特許第４，９００，１４７号は、ラマン分光法を使用するダイヤモンドの結晶構造をマップするための方法と装置を記載している。
米国特許出願第２３３２７５５号は、ブランドマークまたはダイヤモンドの表面の一部を表示するためのブランディング・ビューア（ｂｒａｎｄｉｎｇ ｖｉｅｗｅｒ）を記載している。

欧州特許出願第ＥＰ１３１９９４２号 国際特許公開第ＷＯ９６／２３２０７号 ｗｗｗ．ｇｅｍｅｘ．ｃｏｍ 国際特許公開第ＷＯ９９／６１８９０号 米国特許第４，９００，１４７号 米国特許出願第２３３２７５５号

本発明の一目的は、宝石のファイア、ならびにブリリアンス、シンチレーション、およびシンメトリーの改善された判定のためのデータを生成する電子装置を提供することである。

本発明の別の目的は、２つのダイヤモンド、およびそれらのファイア特性、ならびにブリリアンス、シンチレーション、およびシンメトリーの特性を観測者がより容易に比較できるようにする電子装置を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、人間の目で認知可能なカット・ダイヤモンドなどの宝石の視覚特性を判定する際に使用する画像データを生成する装置が提供され、この装置は、観察位置に配置される宝石を支持するための支持構造体であって、対称軸が観察位置を通過する軸Ｘと平行になるように、対称軸を有する宝石を支持することができる支持構造体と、そのように配置された宝石を空間的に多様な光のパターンによって照明するよう構成された照明手段と、概ね軸Ｘを中心に光のパターンと支持構造体との間に相対的な回転を生じさせるように構成された回転手段と、宝石によって戻される光の電子画像を取り込み、画像データとして前記画像を出力するように構成されたカメラと、カメラが、支持構造体の複数の異なる回転位置それぞれにおける光のパターンに対する前記相対的な回転中に、概ね軸Ｘに沿って宝石の電子画像を取り込むように、回転手段およびカメラを制御するように構成された制御手段とを備え、照明手段が、概ね宝石の方へ光を反射するように構成された凹面を有する反射器を備え、凹面が、少なくとも１つの比較的反射性の領域および少なくとも１つの比較的非反射性の領域を有し、それにより前記光のパターンを生成する、装置であって、比較的反射性の領域と比較的非反射性の領域の境界の長さが、最小長よりも長いことを特徴とする。

宝石の対称軸を中心に、支持される宝石に対して空間的に多様な光のパターンを回転させ、複数の回転位置で画像を取り込むことによって、この装置は特に、ＳＲＢカット・ダイヤモンドなどの、放射状に対称のカット・パターンを有するカットされた宝石の特性を判定するように適合されている。宝石のいずれかの特定空間領域に戻される光の色成分比率は、回転運動に影響されやすい。このため、ファイアが、より容易に、正確に、そして客観的に測定可能である。

好ましい実施形態では、光のパターンが、少なくとも１つの比較的明るい領域および少なくとも１つの比較的暗い領域を含み、これらの領域は軸Ｘを中心に放射状に配置されている。好ましくは、光のパターンは、軸Ｘを中心に概ね対称形である。また好ましくは、光のパターンは、４回対称性または８回対称性などのｎ回対称性を有する。ここで、ｎはｓの整数倍数または因数であり、標準化された宝石のカットはｓ回対称性を有する。

したがって、宝石を照明する光のパターンは、特定の形状および特定の配列の放射状に対称のファセットを有するＳＲＢカットなどの特定の宝石カット・パターンに密接に対応し、その結果、取り込まれる画像は、回転運動に対する感度がより高まって、宝石のいずれかの特定の空間領域に戻る光の色成分比率がより卓越したものとなる。これにより、ファイアが、より容易に、正確に、そして客観的に測定可能となる。宝石を照明する光のパターンは、例えば指輪などの宝飾品の部材に取り付けられた場合に、通常の日常使用で宝石を照明することになる光をより現実的に模したものである。従来技術の手法の場合では、光は通常、ダイヤモンドの対称軸周辺で均一ではなく、対称軸からの狭い角度範囲でのみ入射する。その代わりに、本発明の場合では、光は通常、ダイヤモンドの対称軸からの広い角度範囲で入射し、対称軸周辺で均一ではない。

その他の好ましい実施形態では、概ね軸Ｘを中心に前記装置に反射器が回転可能に取り付けられ、これにより、概ね軸Ｘを中心とする光のパターンと支持構造体との相対的な回転が可能となる。あるいは、概ね軸Ｘを中心に前記装置に支持構造体が回転可能に取り付けられ、これにより、概ね軸Ｘを中心とする光のパターンと支持構造体との相対的な回転が可能となる。好ましくは、照明手段は、凹面に向けて光を発するよう構成された環状光源と、光が直接宝石に達するのを防止するように構成された環状バッフルとを備える。

したがって、この装置は、単一の静止光源、および支持される宝石に対する光のパターンの回転を可能にする回転可能な反射器または回転可能な支持構造体のみを必要とし、これにより、機構がより簡略化されると同時に、サイズ、重量、および製造コストが削減される。

また、この装置は、前記電子画像のうちの２枚に対応する画像データを使用して、第１の回転位置で取り込んだ第１の画像の１つ以上の画素の色成分の比率を、第１の回転位置とは異なる第２の回転位置で取り込んだ第２の画像の１つ以上の画素の色成分の比率と比較することによって、宝石のファイアの評価を求めるように構成されたデータ処理デバイスを備えることもでき、第１の画像の前記１つ以上の画素は、第２の画像の前記１つ以上の画素と同じ宝石の１つの領域または複数の領域に対応している。

したがって、空間的に変化のある光のパターンの異なる回転位置で得られた複数の画像からのデータを使用して、ファイアの客観的な測定を改善することが可能となる。クラウンに３２面の異なる角度のファセットを有し、パビリオンに２４面の異なる角度のファセットを有するＳＲＢカットなどの、多くの放射状ファセットのあるカット・パターンを有するカットされた宝石の場合、特に、戻ってきた光の色成分の比率は、光源の入射角の変動よりも、宝石に対する光のパターンの回転運動の方に大きく影響されるので、ファイアをより正確に測定することができる。

装置が小型、軽量で、費用のかからない構成であるため、購入する見込みのある顧客がいる宝石店などの店舗で、宝石の分析および比較を行うことができる。

本発明のさらに別の態様および特徴は、添付の特許請求の範囲において述べられ、さらに別の利点は、例としてのみ与えられる以下の説明から明らかとなるであろう。

図１ａおよび図１ｂは、スタンダード・ラウンド・ブリリアント（ＳＲＢ）・ダイヤモンドの幾何形状を示している。図１ａは、斜め上から見たからダイヤモンドを示している。ダイヤモンドの最も上のドーム形部分は、クラウン１０として知られている。ダイヤモンドの最も下の円錐部分は、パビリオン１２として知られている。クラウン１０の頂部の中心にあるのは、テーブル１４として知られている比較的大きいファセットである。パビリオン１２の最も下の箇所は、キューレット１６として知られている。図１ｂは、上方より、テーブル１４の中心からキューレット１６を通る軸に沿って見たＳＲＢダイヤモンドを示している。ＳＲＢカット・ダイヤモンドのクラウン１０には、テーブル１４を含めずに３２面のファセットがあり、パビリオンには、キューレット１６を含めずに２４面のファセットがある。ＳＲＢカット・ダイヤモンドの放射状のファセット（合計５６面にテーブルの１面およびキューレットの１面が加わる）は、テーブル１４の中央およびキューレット１６を通る軸を中心に８回対称性を有することがわかる。

図２は、本発明による宝石の特性を判定するためのデータを生成する装置の断面図を示している。カット・ダイヤモンド２０などの宝石は、そのテーブル側の面を下にして、台（図示せず）上の観察位置に配置される。台は、装置内に配置された一定の厚さの光学的に透明なガラス平面であるので、装置が水平位置にある場合、台もほぼ水平になる。台には、ぎらつきを抑えるために、反射防止コーティングを被覆し、下に小さな環を設けることができる。装置は、外部光がダイヤモンド２０に達するのを防止し、埃が機械部品および光学部品に侵入するのを防止する筐体（図示せず）内に載置される。筐体は、測定する宝石を配置し取り出すための進入用蓋を台の上に有する。実質的に少しの光も、宝石または台の方へ蓋または筐体から反射されて戻らないように、台の領域より上の筐体および蓋の内面は、非反射性材料で被覆される。

ダイヤモンド２０は、蛍光灯の光またはハロゲン光などの環状光２４によって照明される。環状光２４は、日光と同等の周波数の可視光を発する。適切な環状光は、５５００°Ｋの色温度を有するＷｈｉｔｅ ５５００ＨＣ蛍光リング・ライトを用いるＳｔｏｃｋｅｒ ａｎｄ Ｙａｌｅ社の顕微鏡照明器であり、この蛍光リング・ライトは北昼光に近い光を発生させる。環状光２４からの光は、環状光２４とダイヤモンド２０の間に配置された環状バッフル２８によって、直接ダイヤモンド２０に達しないようにされている。しかしながら、環状光２４からの光は、反射器の凹面２６に反射し、概ねダイヤモンド２０の方へ向かう。反射器は、シェルの内面が凹面２６となっている、観察位置を中心とする半球形シェルとすることができる。

凹面２６が台に対して垂直な軸２２を中心にして回転可能であるように、またダイヤモンド２０が観察位置に配置される場合に、ダイヤモンド２０のテーブルおよびキューレットの中心が軸２２に沿ってほぼ位置するように、反射器が装置内に載置される。環状光２４および環状バッフル２８は固定されており、それらも軸２２に対して垂直、かつ軸２２が中心となるように装置内に配置される。軸２２を中心にして反射器および凹面２６を回転させるために、ステッパ・モータ（図示せず）が設けられる。

反射器および凹面２６が軸２２と交わるそれらの底部には、のぞき穴３４がある。電荷結合デバイス（ＣＣＤ）センサ・アレイ、または相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサ・アレイを有し、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）によって制御可能なデジタル・カメラが、軸２２に沿ってダイヤモンド２０の画像を取り込むことができるように装置内に配置される。このカメラは、固定された焦点距離と、少なくとも６４０×４８０の解像度と、少なくとも１つの画像を格納可能なメモリと、取り込んだ画像データをＰＣなどの外部のデバイスに転送するために、ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）、ＲＳ４２２パラレル・ポート、またはＩＥＥＥ１３９４「Ｆｉｒｅｗｉｒｅ」規格などの規格に適合したデータ通信インタフェースとを有するカラー・カメラである。カメラは、ダイヤモンド２０が配置される台の最上面が形成する平面に合焦し、測定されることが当然予測される最大サイズの宝石の鮮明な画像を取り込めるように、適切な被写界深度を有する。装置内には、光学的に透明なミラー３２を配置することができ、したがってカメラ３０とダイヤモンド２０の間の光路が直線である必要はなくなり、それによって装置をさらに小型化することが可能となる。適切なデジタルＣＣＤカメラは、６４０×４８０の解像度を有するＵｎｉｂｒａｉｎ Ｆｉｒｅ−ｉ Ｄｉｇｉｔａｌ ＣＣＤカラー・カメラ、または同様の解像度を有するＵｎｉｂｒａｉｎ Ｆｉｒｅ−ｉ４００ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｖｅｒｓｉｏｎである。適切なデジタルＣＭＯＳカメラは、２０５６×１５６０の最大解像度を有し、１画素当たり１２ビットの色深度を有するＳｉｌｉｃｏｎ Ｉｍａｇｉｎｇ ＭｅｇａＣａｍｅｒａ ＳＩ−３１７０ ＲＧＢカメラである。

光２４、バッフル２８、凹面２６を有する反射器、ミラー３２、ステッパ・モータ、カメラ３０、および筐体を含むが、ＰＣは含まないこの装置は、サイズが小さく（約１２３ｍｍ×１１２ｍｍ×２００ｍｍの寸法を有する）、軽量（約３．８７５ｋｇ）である。

カメラ３０およびステッパ・モータは、ＰＣ３６に接続されており、ＰＣ３６によって制御可能である。ＰＣ３６は、Ｉｎｔｅｌ Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標） ＩＩＩ中央演算処理装置（ＣＰＵ）、１２８メガバイトのメモリ、ＬＣＤパネル・スクリーン、および１０ギガバイトのハード・ディスク・ドライブを有するラップトップまたはノートブック・コンピュータなどの携帯型ＰＣであってもよい。ＰＣ３６は、カメラおよびステッパ・モータに接続するためのＵＳＢポート、パラレル・ポート、および／またはＩＥＥＥ１３９４「Ｆｉｒｅｗｉｒｅ」ポートを有し、フレーム取り込み用の２Ｄビデオ処理チップセットを有する。以下でより詳細に説明するように、適切なコンピュータ・プログラムにより、ＰＣ３６は、ステッパ・モータを制御して一連の所定の回転位置を通じて凹面２６を回転させる。また、ＰＣ３６は、凹面２６の一連の回転位置の各々で画像を格納することができるように、カメラ３０を制御して適切なフレーム・レートでダイヤモンド２０の画像を取り込む。カメラ３０で取り込んだ画像データは、表示および分析のために、ビットマップまたはその他の適切な画像ファイル形式の形でＰＣ３６に転送される。画像データは、連続的なライブ画像供給としてＰＣ３６に送信される。

凹面２６を回転させる角度の範囲は、凹面２６で反射する光のパターンのシンメトリーに依存する。例えば、４回対称性を有する光のパターンの場合、凹面２６を９０°の範囲で回転させながら、複数の回転位置で画像を取り込む。この範囲内で、分析に用いるために異なる回転位置で取り込む画像数は、測定する宝石のカット・パターン、または測定する可能性の高い、最もファセットが形成された宝石のカット・パターンに依存する。一般に、画像数は、凹面２６が回転する範囲内にある異なる角度のファセット数の少なくとも４倍とすべきである。このため、クラウンおよびパビリオンに異なる角度の３２面のファセットを有し、したがって、９０°の範囲内に異なる角度の８面のファセットを有するＳＲＢカット・ダイヤモンドの場合、９０°の範囲にわたって少なくとも３２枚の画像（４×８）を取り込むべきである。一般的な目的のためには、取り込むべき画像の概ね適切な数は４５枚であることがわかっている。このため、凹面２６は、９０°の範囲にわたって２°ずつ回転させる。宝石のカット・パターン、必要な測定の精度、およびＰＣ３６の処理能力に見合うように、より多数の画像またはより少数の画像を使用してもよいことが理解されよう。

図３ａおよび図３ｂは、軸２２に沿ってダイヤモンドの観察位置から見下ろした凹面２６を示している。凹面２６は、表面に相対的（比較的）反射性の材料と相対的（比較的）非反射性の材料とを被覆することによって形成した、複数の相対的反射性の領域４０と相対的非反射性の領域４２とを有する。

図３ａは、領域４０および４２の一構成を示しており、この構成では、凹面２６は、軸２２を中心にして配置された均等な８つのセクタに分割され、それらは交互に、相対的反射性と相対的非反射性になっている。凹面上の相対的反射性のセクタと相対的非反射性のセクタの境界は、最小長よりも長い。すなわち、本実施形態では、境界は、境界経路に沿って一定の角度で凹面２６の中心から外に延びる螺旋として形成される。したがって、平面が観察位置全体にわたって位置する回転中の各箇所で、平面と境界の角度は、本実施形態では、プラス４５°〜マイナス４５°の範囲にある。平面と境界の角度がプラス３５°〜マイナス３５°の範囲、またはプラス２５°〜マイナス２５°の範囲にある別の例を使用することもできる。これにより、凹面２６上の相対的反射性の領域と相対的非反射性の領域と境界に沿って境界の長さが長くなる。

図３ｂは、相対的反射性の領域と相対的非反射性の領域と境界の異なる構成を示している。この構成では、境界は、図３ａの螺旋（または渦巻き）を境界の長さ全体にわたって前後に８回折り返すことによって形成されている。

図３ｃは、凹面２６上の相対的反射性の領域と相対的非反射性の領域の境界のさらに別の構成を示している。この構成では、図３ｂに示した不連続の数が減らされて、螺旋（または渦巻き）が５回だけ前後に折り返されている。

相対的反射性の領域と相対的非反射性の領域の境界の形を大幅に変更できることが理解されるであろうが、相対的反射性の領域と相対的非反射性の領域の境界の長さを最小長よりも長くすることが重要な側面であるということを忘れてはならない。

図３ｄは、領域４０、４２のさらに別の構成を有する図３ａの改変型を示しており、この構成では、凹面２６が、軸２２を中心にして配置された、交互に相対的反射性の領域と相対的非反射性の領域になっている均等な１６のセクタに分割されている。図３ａ〜図３ｃの領域４０および４２それぞれの構成は、軸２２を中心に４回対称性を有するのに対して、図３ｄの領域４０および４２それぞれの構成は、軸２２を中心に８回対称性を有することがわかる。図３ｄの８回対称性は、図３ｂおよび図３ｃの構成にも適用することができる。また、相対的反射性の領域４０および相対的非反射性の領域４２のその他の構成も、本発明の範囲内で想定される。例えば、相対的反射性の領域と相対的非反射性の領域の境界は、まっすぐなジグザグ、湾曲したジグザグ、またはそれらの組み合わせなどの他のパターンから形成することができる。凹面２６は、マット仕上げを有していてもよい。

装置の動作中、凹面２６で反射して観察位置にあるダイヤモンド２０へ向かう光は、相対的反射性の領域４０および相対的非反射性の領域４２の構成によって決定される空間的に多様なパターンを有していることがわかる。具体的には、台の平面で観察される光のパターンは、この構成に対応する光強度の一連の放射状の山および谷を有する。このため、図３ａの構成の場合、光のパターンは４つの放射状の山ラインおよび４つの放射状の谷ラインを有する。同様に、図３ｂの構成の場合、光のパターンは、８つの放射状の山および８つの放射状の谷を有する。さらに、テーブル側を下にして台の上に置いたダイヤモンド２０の場合には、日常使用のためにダイヤモンドが指輪およびその他の宝飾品に取り付けられている場合に主に生じるように、光は、軸２２に対して広範囲の入射角で概ねクラウンに向かって反射する。

相対的反射性の領域４０および相対的非反射性の領域４２の特定の構成の選択は、ダイヤモンド２０の標準化されたカットに依存する。例えば、前述のようにＳＲＢカットのダイヤモンドが８回対称性を有すると、領域４０および４２の適切な構成は、４つの相対的反射性のセクタ４０と４つの相対的非反射性のセクタ４２の合計８つのセクタがある図３ａに示すようなものとなるであろう。このため、宝石の（４５°の）隣接する対称的なセクタが、隣接する山および谷を有する（４５°の）対応する放射状光のパターンセクタを受けるという点で、４つの放射状の山および４つの放射状の谷を有する凹面２６の光のパターンの反射は、カットされた宝石のシンメトリーに対応する。凹面２６を９０°にわたって回転させると、台の平面において軸Ｘを中心とする任意の放射状線で観察される光の強度は、単一の山および単一の谷を有する完全な単一のサイクルを経過する。

ＰＣ３６は、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ社のＷｉｎｄｏｗｓ(登録商標) ＸＰなどの標準的なオペレーティング・システムを実行することができる。また、ＰＣ３６は、ステッパ・モータを制御して凹面２６を回転させ、カメラ３０を制御してそれぞれの所定の回転位置でのダイヤモンド２０の画像、例えば合計９０°の範囲にわたって２°ずつ回転させながら撮影した４５枚の画像を取り込んでＰＣ３６に転送するように構成されたコンピュータ・プログラムも実行する。ステッパ・モータの制御は、Ｍｏｔｏｒｏｌａ社のＭＣ ３４７９ステッパ・モータ・コントローラなどの従来のステッパ・モータ制御回路を使用してＰＣ３６とステッパ・モータとの間をインタフェースし、ＰＣ３６上で対応するプログラム要素を実行してデジタル制御信号をステッパ・モータ制御回路に送信することによって達成される。カメラ３０の制御は、カメラの内蔵制御インタフェースを使用し、ＰＣ３６上で対応するプログラム要素を実行してデジタル制御信号をカメラ３０に送信することによって達成される。

ステッパ・モータおよびカメラ３０を制御するプログラム要素は、それら自体がＰＣ３６上で実行するメイン・コンピュータ・プログラムの制御下にあり、ユーザ・インタフェースを介してユーザ命令を受信して、一連のダイヤモンド２０の画像を取り込み、カメラ３０からＰＣ３６へと転送して、さまざまなアルゴリズムを使用して画像を分析して、ダイヤモンド２０の光学特性の測定値を取得し、ＰＣ３６の画面上に画像を表示することができる。図４は、コンピュータ・プログラムのメイン・メニュー画面のスクリーン・ショットを示している。メイン・メニュー画面の右側および左側にあるのは、別々の走査動作で取り込まれた２つの異なるダイヤモンドの画像である。メイン・メニュー画面の右側または左側のダイヤモンド画像は、カメラ３０によって現在取り込んでいる「ライブ」画像であってもよく、以前に走査動作中に取り込まれ、ＰＣ３６のハード・ディスク・ドライブに格納された「ビデオ」画像であってもよい。「ビデオ」画像は、ダイヤモンドが連続する回転位置で示される動画として提示してもよい。各画像の下にあるのは、数値形式（０から１００まで）で棒グラフとして表されている、ブリリアンス、シンチレーション、およびシンメトリーというダイヤモンドの光学特性の測定値である。これらの測定値を算出するためのアルゴリズムについては、以下で説明する。また、これら３つの測定値の平均は、「合計」と標示して提供されて、３つの光学特性の総合的な評価を与える。このため、購入する見込みのある顧客などのユーザは、２回の別々の走査動作で走査した２つのダイヤモンドを、両方が見えるようにＰＣ３６の画面上に並べて、ブリリアンス、シンチレーション、およびシンメトリーという光学特性の客観的な測定値に関して比較することができる。

コンピュータ・プログラムおよび装置のユーザ制御のために、画面の中央には５つの押しボタンが提示されている。「走査」押しボタンは、コンピュータ・プログラムにダイヤモンド２０の走査を開始させるために設けられている。まず、ダイヤモンド２０を、テーブル側を下にして軸２２を中心に台の上に手で配置する。ＰＣ３６の画面に表示されたダイヤモンドのライブ画像を観察することにより、これを補助してもよい。次に、ステッパ・モータを制御して、凹面２６を「ホーム」位置に回転させ、次いで、一連の回転位置、例えば９０°の範囲にわたって２°毎の４５の位置それぞれに回転させる。これらの位置それぞれでカメラ３０から取り込んだフレームは、後の表示および分析のためにＰＣ３６のハード・ディスク・ドライブに格納される。次いで、分析の結果、すなわちブリリアンス、シンチレーション、およびシンメトリーの測定値が表示される。

「較正」押しボタンは、システムを較正して、環状光２４によって生成される光の強度のばらつきを補償するために設けられている。較正を行うには、凹面２６を所定位置に回転させ、角度を付けたミラーを台の上の所定位置に置き、それによりカメラ３０が凹面２６の既知の部分をとらえるようにする。凹面２６の既知の部分は、相対的反射性の領域４０および相対的非反射性の領域４２を含むことができる。次いで、全画素にわたって光強度レベルを積分して全体の受光強度レベルを求めることにより、カメラ３０によって取り込まれた凹面２６の既知の部分の画像を分析する。次いで、全体の光強度レベルを使用して、カメラ３０の利得および輝度設定を調節する。較正は、一定の間隔で、走査の直前に行うのが好ましい。

「カメラ」押しボタンは、カメラのデフォルト設定を変更するために設けられている。「ツール」押しボタンは、ａ）コンピュータ・プログラムが自動的に宝石の円周を求めるか、あるいは手動によって求めるか、ｂ）手動の場合、それを示すためのユーザ・インタフェース手段を設ける、ｃ）どれくらいの速さで凹面２６を回転させるか、ｄ）異なる回転位置で取り込んだ格納したフレームをＰＣ３６の画面上に順次表示する頻度などの、コンピュータ・プログラム用のさまざまなオプションを選択するために設けられている。また、「終了」押しボタンは、コンピュータ・プログラムの終了を終えるために設けられている。

格納した画像から、ブリリアンス、シンチレーション、およびシンメトリーの３つの評価を算出するために、３つの別々のアルゴリズムが使用される。いずれの場合においても、メイン・コンピュータ・プログラムは、まず、画像を分析してダイヤモンド２０の円周およびその中心点を求める。円周を求めるには、まず、異なる回転位置における画像、例えば４５枚の画像のすべてにわたり各画素の光強度レベルを合計して、複合画像を得る。次いで、（黒い背景のレベルよりもわずかに高い光レベルを表す）所定の閾値を上回る光強度レベルを有する複合画像の画素をすべて選択する。次いで、選択した画素すべてを含む最小の円を求めて、これをダイヤモンド２０の円周として規定する。

一旦、ダイヤモンド２０の円周および中心を求めたならば、３つのアルゴリズムを実行して、円周内に含まれる画素に関してのみ、円周外の画素は除外して、３つの光学特性の測定値を算出する。図５は、異なる回転位置で取り込んだカット・ダイヤモンドの４つの画像を、ダイヤモンドの円周を規定する円および中心点の印となる十字と共に示している。明るい領域および暗い領域のさまざまな幾何形状パターンが形成され、異なる回転位置で、それらの領域は、相対的に明るいか相対的に暗いかのいずれかとして現れることがわかる。

ダイヤモンド２０のブリリアンスの評価を算出するためには、ダイヤモンド２０の円周内の各画素で、異なる回転位置における格納した画像それぞれについて平均光強度レベル（すなわち輝度）を求める。このため、ダイヤモンド２０の円周内にｎ個の画素があり、異なる回転位置における４５枚の画像がある場合、合計で４５×ｎ個の画素で光強度レベルを平均化する。これにより、異なる回転位置における全画像でダイヤモンド２０の平均光強度レベルがもたらされ、これがダイヤモンド２０のブリリアンスの客観的な評価を与える。

ダイヤモンド２０のシンチレーションの評価を算出するためには、（第１の回転位置で取り込んだ）第１の画像からの画素と、それに対応する（第１の回転位置の１回転ステップ後の第２の回転位置で取り込んだ）第２の画像からの（同じ座標位置における）画素との間の光強度レベル（すなわち輝度）の差を求める。これを、第１および第２の画像におけるダイヤモンド２０の円周内の全画素に対して、および、１回転ステップ離れた回転位置で取り込んだ第１および第２の画像のすべての対に対して繰り返す。このため、ダイヤモンド２０の円周内にｎ個の画素があり、異なる回転位置における４５枚の画像がある場合、４４×ｎの差が算出される。円周内の全画素に対して、および、１回転ステップ離れた画像のすべての対に対して光強度レベルの絶対的な差が所定の閾値よりも大きくなっている回数を数える。画素対の合計数、４４×ｎに対するこの数の比が、ダイヤモンド２０のシンチレーションの客観的な評価を与える。

異なる回転位置それぞれにおける格納した画像からなる複合画像に対するダイモンド２０のシンメトリーの評価を算出するためには、ダイヤモンド２０の円周内の画素を、ダイヤモンド２０の中央を中心にして８つのほぼ均等な放射状セクタに分割する。セクタの数は、ＳＲＢカット・ダイヤモンドの８回対称性に対応するように選択する。このため、ある画像においてダイヤモンド２０の円周内にｎ個の画素がある場合、各セクタは約ｎ／８個の画素を有する。次いで、ある画像の８つのセクタそれぞれにおける各画素と、それに対応する同じ画像のその他７つのセクタにおける画素（すなわちｉ×４５°回転した対応する画素、ただしｉ＝１〜７）との間の光強度レベル（すなわち輝度）の差を求める。このようにして、（７＋６＋５＋４＋３＋２＋１）×ｎ／８＝７×ｎの差が算出される。次いで、これらの差の絶対値の平均を算出して、ダイヤモンド２０のシンメトリーの客観的な評価を得る。

本発明のこの実施形態では、シンチレーションを求めるためのものと類似のアルゴリズムを使用して、ダイヤモンド２０のファイアの評価を算出することができる。しかし、光強度レベルの差を測定する代わりに、（第１の回転位置で取り込んだ）第１の画像からの画素と、それに対応する（第１の回転位置の１回転ステップ後の第２の回転位置で取り込んだ）第２の画像からの（同じ座標位置における）画素との間の色成分（すなわち赤、緑、および青（ＲＧＢ））の相対比率の差を求める。これを、第１および第２の画像におけるダイヤモンド２０の円周内の全画素に対して、および、１回転ステップ離れた回転位置で取り込んだ第１および第２の画像のすべての対に対して繰り返す。各画素対につき、円周内の全画素に対して、および、１回転ステップ離れた画像のすべての対に対して３つの色成分のいずれかの相対比率の絶対的な差が所定の閾値よりも大きい回数を数える。画素対の合計数に対するこの数の比が、ダイヤモンド２０のファイアの客観的な評価を与える。

凹面２６が上記のように形成されている場合、上記の方法を使用すると改善されたファイアの読み取りが得られる。ファイア測定値が改善される理由は、凹面２６上の相対的反射性の領域と相対的非反射性の領域の境界の構成に由来する。すなわち、ダイヤモンドのファセットから反射される色すじ（ｃｏｌｏｕｒ ｓｔｒｅａｋ）の中の個々の色要素は、凹面２６とダイヤモンドの間に相対的な回転がある場合に、ある領域から別の領域へ次第に移動する。凹面の初期のデザインでは、相対的反射性の領域と相対的非反射性の領域と境界は、視軸の平面に可能な限り沿った最小長を使用して形成された。しかし、ダイヤモンドのファセットから反射される光の色要素が凹面２６上に位置する角度は、１回の回転運動中、ある領域から別の領域まで移動する多くの色すじ（赤、緑、および青）を生じさせる。すなわち、以前の設計には、大多数の色すじ内の個々の色すべてが、１回の回転運動中にある領域からの別の領域に急に移る（ｊｕｍｐ）という欠点があり、したがって、白または黒の反応を提供するのみで、正確なファイア測定値は提供しない。

図６ａ〜図６ｄは、さまざまなカットのダイヤモンドの色すじを示して、色すじが本発明の各種実施形態による反射器の凹面上へ反射される角度を表している。

図６ａは、「悪い石」であると考えられるダイヤモンドから生じる色すじを示している。図７ａは、観察位置の平面に対して、色すじが反射器表面上に位置する角度の分布を示している。色すじの大部分は、任意の特定回転位置で観察平面からプラス５°〜マイナス５°の角度範囲内に位置することがわかる。さらに、より多くの色すじは、観察位置の平面からプラス２５°〜マイナス２５°の角度範囲内に位置することがわかる。さらに、大多数の色すじは、観察位置の平面からプラス３５°〜マイナス３５°の角度の間に位置することが示されている。

図６ｂおよび図７ｂを参照すると、「理想的なカット」のダイヤモンドでは、大多数の色すじは、観察位置の平面からプラス４５°〜マイナス４５°の角度範囲内に位置することがわかる。

図６ｃおよび図７ｃを参照すると、「トルコフスキー」カットのダイヤモンドでは、大多数の色すじは、観察位置の平面からプラス４５°〜マイナス４５°の角度範囲内に位置することがわかる。

図６ｄおよび図７ｄを参照すると、「フラット・ストーン」カットのダイヤモンドでは、大多数の色すじは、観察位置の平面からプラス３５°〜マイナス３５°の角度範囲内に位置することがわかる。

したがって、１回の回転運動中にある領域から別の領域へ急に完全に移る色すじの数を最小にするために、相対的反射性の領域と相対的非反射性の領域の境界の長さが、少なくとも最小長よりも長い場合に、改善したファイア測定値の読みを得ることができることをこのデータは示している。

スクエア、オーバル、ペア、ハート・シェープ、または不規則な形状など、異なる形状および／またはシンメトリーの特定の宝石のカット・パターンの場合、上記のような宝石の周辺部および光学特性のさまざまな測定値を求めるために使用されるアルゴリズムは、特定の宝石のカット・パターンの形状およびシンメトリーを考慮して変更できることが理解されよう。

スクエア、オーバル、ペア、ハート・シェープ、または不規則な形状など、異なる形状および／またはシンメトリーの特定の宝石のカット・パターンの場合、凹面２６の相対的反射性の領域４０および相対的非反射性領域の構成は、特定の宝石のカット・パターンの形状およびシンメトリーを考慮して変更できることが理解されよう。また、凹面２６の相対的反射性の領域４０および相対的非反射性領域の構成は、判定される特定の特性を考慮して変更できることが理解されよう。例えば、宝石のファイアの評価を求める場合、相対的反射性の領域４０は、反射される光のパターンが相対的に狭い山および相対的に広い谷を含むように、軸２２を中心に配置される細い放射状の線であることが望ましい。このため、通常、スペクトル的に色を有する光は、白色光によって抑えられることが少なくなり、より可視的になる。

代替実施形態では、凹面２６を装置内で固定したままとし、その代わりに台を回転させてもよいことが理解されよう。この構成では、取り込まれるダイヤモンド２０の画像が回転し、それらの画像を分析する際に追加の処理を考慮する必要がある。第１の回転位置における第１の画像を、異なる第２の回転位置における第２の画像と（さらに、後続の第３、第４、・・・の画像と）比較する場合には、第１および第２の（ならびに後続の）画像の画素が、ダイヤモンド２０の同じ１つの領域または複数の領域に対応するように処理を行わなければならない。これを達成するために、第２の（および後続の）画像を、台の回転中心に対応する点を中心としてデジタル的に逆に回転させて、画像内のダイヤモンド２０の回転を補正することができる。あるいは、例えばシンチレーションの評価を得るために、第１および第２の（ならびに後続の）画像のうちの選択した画素を比較する場合、台の回転中心に対応する点を中心に逆に回転させた画像の部分に対応するように、第２の（または後続の）画像の画素を選択して、ダイヤモンド２０の回転を補正することができる。しかしながら、取り込んだ画像の解像度が制限されているため、どちらの場合も比較の精度が低くなり、台を固定して凹面２６を回転させる前述の構成よりもこの構成の方が好ましくない。

さらに別の代替実施形態では、凹面２６を装置内で固定したままとし、その代わりにカメラ３０および台の双方を、単一ステッパ・モータによって、または別々のステッパ・モータによって連係させて回転させてもよいことが理解されよう。この構成は、ダイヤモンド２０の画像の回転を補正するための追加の処理を必要としないが、機械的にさらに複雑となり、製造コストを増加させることになる。

上述の実施形態では、ｉ）対象軸を有する宝石を、その対象軸が軸２２と平行になるように支持し、ｉｉ）軸２２を中心にして台に対して光のパターンを回転させ、ｉｉｉ）軸２２に沿って宝石の画像を取り込むように構成された装置を説明してきたが、本発明はこの３つの軸の特定の構成には限定されないものの、この構成が概ね好ましいということを理解することは重要である。特に、光のパターンと台の間の相対的な回転の軸は、軸２２と同一線上にある必要はなく、軸２２と平行である必要さえなく（すなわち、装置内に支持された場合の宝石の対象軸に平行な軸から）、および／または画像がそれに沿って取り込まれる軸は、軸２２と同一線上にある必要はなく、軸２２と平行である必要さえない。さらに、光のパターンと台の間の相対的な回転の軸、および画像がそれに沿って取り込まれる軸は、互いに同一線上にある必要はなく、平行である必要さえない。

重要なことは、対象軸を有する宝石が、この対象軸、光のパターンと支持手段との間の相対的な回転の軸、および画像がそれに沿って取り込まれる軸を調整し、それによりｉ）特定の宝石に対して光のパターンを回転させる場合に、装置が宝石のカット・パターンの形状および／またはシンメトリーを利用することができ、ｉｉ）装置が、ＳＲＢカット・ダイヤモンドのクラウンの画像などの宝石の画像を取り込むことができ、そこから、宝石の形状および／またはシンメトリーから得られる特徴を観察することができるように装置内で支持されることができることである。例えば、光のパターンと支持手段との間の相対的な回転の軸は、装置の性能の重大な低下を招くことなく、対象軸に対して最大約３０°までの入射角度とすることができる。同様に、画像がそれに沿って取り込まれる軸は、装置の性能の重大な低下を招くことなく、対象軸に対して最大約４５°までの入射角度とすることができる。

斜め上から見たスタンダード・ラウンド・ブリリアント・カット・ダイヤモンドの図である。 上方から見たスタンダード・ラウンド・ブリリアント・カット・ダイヤモンドの図である。 本発明による、宝石の特性を判定するためのデータを生成する装置を示す図である。 相対的反射性の領域および相対的非反射性の領域の例示的なパターンを有する図２の装置の凹面２６を示す図である。 相対的反射性の領域および相対的非反射性の領域の例示的なパターンを有する図２の装置の凹面２６を示す図である。 相対的反射性の領域および相対的非反射性の領域の例示的なパターンを有する図２の装置の凹面２６を示す図である。 相対的反射性の領域および相対的非反射性の領域の例示的なパターンを有する図２の装置の凹面２６を示す図である。 本発明による、宝石の画像を分析するためのコンピュータ・プログラムのメイン画面のスクリーン・ショットを示す図である。 異なる回転位置で取り込まれたカット・ダイヤモンドの４枚の画像を示す図である。 異なるダイヤモンド・カットのファセットに反射する光の色成分を示す図である。 異なるダイヤモンド・カットのファセットに反射する光の色成分を示す図である。 異なるダイヤモンド・カットのファセットに反射する光の色成分を示す図である。 異なるダイヤモンド・カットのファセットに反射する光の色成分を示す図である。 異なるダイヤモンド・カットのファセットに色成分が反射する角度の分布を示すグラフである。 異なるダイヤモンド・カットのファセットに色成分が反射する角度の分布を示すグラフである。 異なるダイヤモンド・カットのファセットに色成分が反射する角度の分布を示すグラフである。 異なるダイヤモンド・カットのファセットに色成分が反射する角度の分布を示すグラフである。

Claims (10)

1. 人間の目で認知可能なカット・ダイヤモンドなどの宝石［２０］の視覚特性を判定する際に使用する画像データを生成する装置において、
   観察位置に配置される宝石を支持するための支持構造体であって、対称軸が前記観察位置を通過する軸Ｘ［２２］と平行になるように、前記対称軸を有する宝石を支持することができる支持構造体と、
   そのように配置された宝石を空間的に多様な光のパターンによって照明するよう構成された照明手段［２４、２６、２８］と、
   概ね前記軸Ｘ［２２］を中心に前記光のパターンと前記支持構造体との間に相対的な回転を生じさせるように構成された回転手段と、
   前記宝石によって戻される光の電子画像を取り込み、画像データとして前記画像を出力するように構成されたカメラ［３０］と、
   前記カメラ［３０］が、前記支持構造体の複数の異なる回転位置それぞれにおける前記光のパターンに対する前記相対的な回転中に、概ね前記軸Ｘ［２２］に沿って前記宝石の電子画像を取り込むように、前記回転手段およびカメラ［３０］を制御するように構成された制御手段［３６］とを備え、
   前記照明手段［２４、２６、２８］が、概ね前記宝石［２０］の方へ光を反射するように構成された凹面を有する反射器［２６］を備え、
   前記凹面が、少なくとも１つの相対的反射性の領域［４０］および少なくとも１つの相対的非反射性の領域［４２］を有し、それにより前記光のパターンを生成する、装置であって、
   前記相対的反射性の領域と相対的非反射性の領域の境界の長さが、最小長よりも長いことを特徴とする、装置。
2. 前記２つの領域の前記境界が、少なくとも１つの曲線から形成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記境界が一連の螺旋のように見える、請求項２に記載の装置。
4. 前記境界が一連のジグザグのように見える、請求項２に記載の装置。
5. 前記ジグザグがまっすぐである、請求項４に記載の装置。
6. 前記ジグザグが湾曲している、請求項４に記載の装置。
7. 前記ジグザグが、まっすぐなジグザグと湾曲したジグザグとの組み合わせから形成される、請求項４に記載の装置。
8. 各回転位置で、前記境界が、前記軸Ｘの平面からプラス４５°〜マイナス４５°の範囲の角度の平面内にある、請求項１に記載の装置。
9. 各回転位置で、前記境界が、前記軸Ｘの平面からプラス３５°〜マイナス３５°の範囲の角度の平面内にある、請求項１に記載の装置。
10. 各回転位置で、前記境界が、前記軸Ｘの平面からプラス２５°〜マイナス２５°の範囲の角度の平面内にある、請求項１に記載の装置。