[发明专利]一种钻石纯度检测系统及方法

权利要求书

1.一种钻石纯度检测系统，其特征在于：包括宽带光源、第一耦合器、参考臂、样品臂、光谱仪、图像采集卡和计算机；所述宽带光源的光经过第一耦合器后分成两路光信号，其中一路光信号进入到参考臂后被反射回来，形成参考光，另一路光信号进入到样品臂后照射到待测样品上后被反射回来作为信号光；参考光和信号光均经过第一耦合器发生干涉生成干涉信号，光谱仪接收干涉信号并通过图像采集卡传输到计算机中。

2.根据权利要求1所述的一种钻石纯度检测系统，其特征在于：所述参考臂包括顺次设置的聚焦透镜和反射镜，所述聚焦透镜位于第一耦合器和反射镜之间。

3.根据权利要求1所述的一种钻石纯度检测系统，其特征在于：所述样品臂包括第一透镜、振镜和第二透镜，光信号进入样品臂后，顺次经过第一透镜、振镜和第二透镜被准直聚焦后照射到待测样品上，待测样品不同深度的背向反射光叠加反射回来，经准直聚焦后作为待测的信号光。

4.根据权利要求1所述的一种钻石纯度检测系统，其特征在于：所述光谱仪包括顺次设置的第三透镜、衍射光栅、第四透镜和CCD模块，CCD模块采集由信号光和参考光干涉生成的干涉信号，CCD模块的输出端与图像采集卡相连。

5.一种钻石纯度检测方法，其特征在于，包括：

(1)将宽带光源的光经过第一耦合器分成两路光信号；

(2)其中一路光信号进入到参考臂后被反射回来，形成参考光，另一路光信号进入到样品臂后照射到待测样品上后被反射回来作为信号光；

(3)参考光和信号光均经过第一耦合器发生干涉生成干涉信号，光谱仪接收干涉信号并通过图像采集卡传输到计算机中；

(4)计算机根据接收到的数据计算出待测样品的折射率，将计算出来的折射率与纯待测样品的折射率进行比较，完成待测样品纯度的检测。

6.根据权利要求5所述的一种钻石纯度检测方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括：

(4.1)定义待测样品的上表面为坐标原点，待测样品的某层析面i的透射深度为D_i,折射率为n_i，宽带光源的谱线宽度为Δλ，宽带光源的中心波长为λ₀，波矢为K，得到宽带光源的相干长度为：

$L_c=\frac{0.44{\mathrm{\λ}}_0^2}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}$

宽带光源的光谱波数范围ΔK为：

$\mathrm{\Δ}K=\frac{2\mathrm{\π}}{L_c}=\frac{2\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{0.44{\mathrm{\λ}}_0^2};$

相邻两条明条纹之间包含的波数间隔ΔK_n为：

${\mathrm{\ΔK}}_n=\frac{K}{N}=\frac{\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}}{\frac{2n_i{D}_i}{\mathrm{\λ}}}=\frac{\mathrm{\π}}{n_i{D}_i}$

其中，N为最大深度包含的干涉条纹的总数；

层析面i的干涉条纹数N_i为：

$N_i=\frac{\mathrm{\Δ}K}{{\mathrm{\ΔK}}_n}=\frac{\frac{2\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{0.44{\mathrm{\λ}}_0^2}}{\frac{\mathrm{\π}}{n_i{D}_i}}=\frac{2n_i{D}_i\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{0.44{\mathrm{\λ}}_0^2}$

层析面i的透射深度D_i为：

$D_i=\frac{0.22N_i{\mathrm{\λ}}_0^2}{n_i\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}$

(4.2)设A为CCD模块的像素点个数，那么CCD模块最多可采集的干涉条纹数为A/2，即计算待测样品的最大透射深度：

$D_{imax}=\frac{0.11{\mathrm{\λ}}_0^2}{n_i\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}A$

(4.3)对干涉信号进行傅里叶逆变换，得到待测样品的层析图，所得层析图的横坐标即对应着待测样品的深度信息，层析图横坐标上的像素最大值即对应样品最深处的信息，设B为傅里叶逆变换完的层析图所占的全部像素值，得到傅里叶逆变换完的层析图每像素对应的实际深度距离d_pixel为：

$d_{pixel}=\frac{D_{imax}}{B/2}=\frac{0.22{\mathrm{\λ}}_0^{2}A}{n_i\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}B};$

(4.4)设待测样品在层析图上占了N_z个像素值，待测样品的实际深度为L，因此待测样品的平均折射率n为：

$n=\frac{d_{pixel}}{L}{N}_z=\frac{0.22{\mathrm{\λ}}_0^2{\mathrm{AN}}_z}{n_i\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}BL}$

将此计算结果与纯待测样品的折射率进行比较，即可以检测待测样品的纯度。