对宝石光学效果的研究及评价

2020-04-14刘富康

中国宝玉石 2020年1期

刘富康

中国地质大学（北京）珠宝学院，北京 100083

前言

珠宝玉石以美丽、耐久、稀少而著称，美丽是其必不可少的一个属性。影响宝石美观的因素有很多，包括天然属性和客观因素。天然属性包括颜色、透明度、净度等物理化学性质；客观因素包括光源[1][2]、背景[3]以及人为改善等。宝石颜色的色调、亮度、饱和度、火彩以及闪烁[4]都会影响宝石的美观度。

自古以来，宝石学家为最大限度地展现宝石的美丽，对其光学效果进行了多方面的研究，主要为颜色、亮度、荧光[5]、切工、火彩及闪烁（刻面宝石），以及某些宝石的特殊光学效应，如星光效应[6]等。

1 颜色评价

我国发布的各种宝石评价标准中，都包括了对宝石颜色的评价。在红宝石、蓝宝石、祖母绿、钻石、黄色钻石、翡翠、无色透明翡翠、绿松石等宝石的评价标准中[7-12]，利用比色法对宝石颜色的色调、明度和饱和度进行评价，评价方法是在一定条件下，将宝石和分级标样或色卡进行比较；在红宝石、蓝宝石、祖母绿的评价标准中，可以通过肉眼观察，对宝石的火彩进行评价；在黄色钻石和翡翠的评价标准中，通过肉眼观察，对宝石颜色的均匀性做出评价。世界上一些宝石实验室也对宝石的颜色做出相关研究并对宝石颜色做出评价，比如GIA[13]，HRD，SSEF，FGA[14]等。

评价宝石颜色需要选择合适的颜色体系。GIA、GIT等国外研究机构通常选用Munsell颜色体系对宝石颜色进行对比测量，但Munsell颜色体系并不侧重颜色的定量描述。而CIE(国际照明委员会)标准色度学系统对颜色的表示方法、测量原理和计算方法等都做了系统规定，可直接应用于仪器对宝石颜色色度参数进行测量，并具有不同颜色系统相互转换的优势。CIE 1931的色度参数三刺激值不能直接对应于人眼看到颜色的一些属性（色调、饱和度、亮度等视觉特征），并且不是均匀色空间，因此在宝石颜色研究方面通常选取CIE 1976的均匀色空间CIE L*a*b*，并选用表色系CIE L*c*h°[15]。

Guo Y等[16-17]在CIE 1976 L*a*b*均匀色空间下，通过使用色卡比色或使用仪器测量颜色参数对翡翠、红宝石、蓝宝石[18]（见图1）、锰铝榴石、碧玺[19]、黄水晶[20]等宝石的颜色做出半定量或定量评价。使用Color i5测色仪，通过CIE L*a*b*、CMC（l: c）、CIE DE2000三个色差公式的计算，讨论翡翠、红宝石各颜色参数在颜色质量评价中的贡献[21-23]；在对红宝石的颜色进行定量分级时，使用X-riteI5分光光度仪对红宝石样品进行反射测试，将色调角(h°)、饱和度(C*)、亮度(L*)分别进行定量化分析，综合考虑饱和度和亮度，根据色调的不同对红宝石的颜色进行划分，最终综合考虑颜色三要素，给出红宝石定量质量等级划分[15]；在该颜色体系下，使用Photoshop软件、Color i5测色仪，并将每颗祖母绿自身各明度区间的明度均值与不同非彩色背景明度做无重复双因素方差分析，探讨了不同非彩色背景明度对祖母绿绿色明度的影响[24]；使用Color i5测色仪、标准光源箱、KONICA MINOLTA CL-200照度计、SPSS16.0统计分析软件，测量锰铝榴石的明度、彩度及色相，并对其颜色做出质量评价[25]。

张辉等[26]使用美国格灵达-麦克贝斯的Color Eye7000A测色仪测得反射光谱，选用CIE 1931-XYZ坐标空间，计算翡翠的Munsell标号，按色调、明度、饱和度的形式进行记录，利用Gemdialogue色卡确定样品的颜色标号然后转换为Munsell颜色标号与前者进行比对和验证，讨论颜色度量方法在翡翠颜色评价中的应用；王蓉等[27]使用USB2000光纤光谱仪，量化翡翠颜色的参数指标，评定其优劣；GIA和HoWard Rubin分别使用GemSet和GemDialogue，借助色卡或色板对宝石颜色的三要素进行标定[28]。

图1 蓝宝石颜色模拟色块Fig.1 Color simulation of sapphire

2 切工及评价仪器

影响宝石光学效果的因素主要为宝石的化学成分[29]、内部结构、光学对称性、包裹体等特征，其中影响最大、并且人为可控的因素为切工，所以对切工和光学效果的关系的研究也最多。宝石学家为了尽可能地展现宝石的光学效果，提出了多种琢型，包括美国理想琢型、欧洲琢型等；Tamura设计出具有“完美对称性”的Eight Star钻石，随后又设计出其衍生品Hearts-and-Arrows钻石；研究发现 Eight Star 钻石的亮度、闪烁和火彩比一般比例的钻石的都要强，比同等质量的一般钻石看上去更大[30]；张蕴韬等[31]研究了八箭八心是一种圆明亮型琢型所具有的光学现象，与宝石材料本身无关，产生八箭八心的条件有两个：其一要有严格的对称性，其二要有严格的比例；之后又有十箭十心切工产生，石斌[32]发现，在不同角度光源照射下，十心十箭钻石的亮度均超过标准圆钻的亮度。之后，各种宝石切工层出不穷，包括九心一花、千禧切工、蓝色火焰等耀眼切工。

为评价各种琢型的切工以及光学效果，各个公司及组织也发明了相关仪器。1987年，日本设计出一种评价钻石切工和对称性的工具Fire Scope[30]，白光光源通过红色挡板反射进入钻石冠部，在10倍放大镜下观察钻石冠部和评价钻石的光学效果；2008年，美国宝石协会（American Gem Society）研发了定量分析钻石光学效果的仪器ASET，令蓝色、红色、绿色光线入射钻石冠部（其中蓝色光线入射角度为79°～90°，红色光线入射角度为45°～75°，绿色光线入射角度为0°～45°）（如图2），得到ASET图像（如图3）来分析不同入射角度的光线对钻石亮度、火彩、闪烁的影响，结果显示红色光线（入射角度45°～75°）对钻石的光学效果贡献最大；2011年，戴比尔斯百年公司（De Beers Centenary AG）研发了一种定量分析钻石光学效果的仪器，光源为4组LED灯珠组成的环形光，上方放置匀光板。该仪器采用光源平面和图像采集装置同轴倾斜旋转的方法，采集多张图像进行数据分析；2012年，美国捷迈克斯公司（Gem Ex）研发了定量分析钻石光学效果的装置Brilliance Scope，光源为窄环形光圈，通过上下移动光源平面的方法，形成多种不同入射角度的光线，采集6张不同入射角度光线下钻石的图像，综合分析钻石的亮度、火彩、闪烁特征，并划分为低、中、高、很高四个级别；2012年，以色列Sarin Color Technologies Ltd，发明了定量分析钻石光学效果的装置Diamond Integrator，采用由4组或者8组黑白相间、大小相同的扇形组成的半球作为反射面，光线从半球内部反射到钻石冠部，半球围绕X轴旋转，采集多张图像，分析钻石的亮度、闪烁、对称性，综合得出总级别[33]。中国地质大学（武汉）珠宝学院对使用计算机评价钻石切工的方法进行了一系列研究，并且研发了钻石光学效果观察仪[33-35]。

图2 ASET原理图：光线可以从各个角度射入，红色光线指的是直射光，是最强的；绿色光线指的是反射光；蓝色部分指的是被观察者挡住的光线Fig.2 ASET schematic: Light can come from any direction. Red represents the direct light which is the most intense; green represents the re fl ected light; blue represents the light blocked by the observer

图3 ASET图像Fig. 3. ASET map

3 宝石光学效果的评价方法

宝石的外观表现和其切工质量密切相关，好的切工可以尽可能地展现宝石的光学效果，这些光学效果主要为亮度、火彩、闪烁。亮度指白光从正面落到透明刻面宝石上后被反射回到观察者眼中的光亮，它包括来自亭部的全内反射及少部分的表面反射；火彩为当白光照射到透明刻面宝石时，因色散而使宝石呈现光谱色的现象；闪烁为当宝石、光源或者观察者移动时，观察者所见到的宝石所产生的白光、彩色光的变化[37]。

Dodson J S于1978年研究了宝石亮度、火彩和闪烁的测量方法。他借助计算机技术，假想钻石周围有一个球体，明亮度、闪光和火彩可以通过测量球上分布的光线强度来表示，证明传统的“理想”切工是令人满意的，并提出一种新的有较深亭角（53°）的切割方法[38]，Dodson J S用此方法测量了一系列宝石的光学效果[39,40]。

1998年，GIA研究了一个数学三维模型，利用这个模型可测量宝石的亮度、火彩和闪烁，并介绍了一种可用于评价宝石亮度的方法weighted light return (WLR)[41]；2001年，GIA在1998年的研究基础上，提出用dispersed colored light return(DCLR)来评价宝石的火彩，并将WLR与DCLR相结合来共同评价宝石的光学效果，研究发现大多数评价切工的系统都忽略了每个刻面长度的作用，实际上它对WLR和DCLR可产生显著影响[42]。2004年，GIA采用计算机模拟光线在圆明亮琢型钻石中照射路径的方式，和FireScope、BrillianceScope、ISEE2等仪器，对钻石切工进行研究以便进一步研究其亮度、火彩等[43]，同时GIA还请钻石制造商、经销商、零售商和潜在消费者评价钻石亮度、火彩和其它切割参数；2013年，Gilbertson A I研究了彩色刻面宝石的光学效果，并对比了在ASET和AG两种不同的环境中观察宝石的特点[44]，发现人眼对刻面宝石的明暗对比有深刻印象，当宝石转动时，宝石的图案会给人眼留下印象。

中国地质大学（武汉）使用钻石光学效果观察仪，对宝石的亮度、火彩以及闪烁进行了评价，方法如下：(1)亮度：运用钻石光学效果观察仪采集合成立方氧化锆的光学效果的实测图样，采用宝石切工仿真分析系统模拟样品的光学效果仿真图样及可视亮度。通过量化程序统计样品实测图样的亮度值以及仿真图样的亮度值[34]；(2)火彩：运用钻石光学效果观测仪采集钻石样品在环形光线下的图像，将图像转换到HSI颜色模型，计算钻石的火彩值，并发现钻石的火彩值与亭角或者冠角之间并非简单的线性函数关系[33]；(3)闪烁：在特定的照明条件下采集钻石闪烁的彩色照片，利用编写的应用程序，运用CIE 1976 L*a*b*色度空间计算彩色图像每一个像素点的颜色变化，分析钻石的闪烁特征，获得钻石的闪烁评价结果[35]。

Sasian J等[37]也对圆明亮琢型宝石的亮度、火彩和闪烁做过评价，他们采用光线追踪的方法，使用ASET，发现在cutter’s line附近，宝石可以展现较好的光学效果。

计算机技术可以用来观察刻面宝石的光学效果，Wang D D等人还用该技术对欧泊的变彩效果进行了分级[45]。