宝石内部的光路长度对其颜色呈现的影响

2020-08-08赵梓彤

中国宝玉石 2020年3期

赵梓彤

中国地质大学（北京）珠宝学院，北京 100083

前言

宝石的颜色是照射在宝石上不同波长的可见光相互作用的结果，不透明宝石的颜色主要以反射光谱为主，透明宝石的颜色则主要由透射光的光谱组成决定。宝石颜色的呈现受很多因素的影响，目前学术界对于宝石颜色的研究主要分为颜色成因和颜色的质量评价两方面，前者侧重于对宝石内部结构和化学成分的分析[1-3]，而后者侧重于对照明光源[4]、背景[5]等外在因素的考量。此外，另有学者研究了透明宝石内部光线路径的长度对宝石颜色的影响[6]，研究和评价光路长度与颜色三要素之间的关系，对于寻找宝石切割的最佳尺寸和比例有重要的指导意义。

1 颜色的评价与测量

在评价宝石的颜色时，需要一个统一的表述系统对颜色进行描述和评价，目前颜色描述常用的系统有Munsell颜色系统和CIE色度系统[7]。Munsell系统采用三维立体模型对颜色进行表述和匹配，符合人眼的颜色视觉特点，但是缺乏对颜色的定量描述，而CIE色度系统则采用色度坐标的形式对物体色和光源色进行表示。国际照明委员会在1931年提出了CIE 1931标准色度系统，描绘所要匹配颜色的三刺激值的比例关系，但是CIE 1931色度系统不是均匀色空间，并且三刺激值不能直接反应颜色的视觉特点，无法与人眼感知到的颜色三要素属性直接对应[8]。CIE 1960 UCS颜色空间将CIE 1931 XYZ做了线性变换，用以改善颜色空间的均匀性，但亮度因数并没有均匀化。之后国际照明委员会又推出了CIE 1976 L*a*b*均匀色空间，现已被广泛采用。目前国际上有很多学者采用CIE 1976 L*a*b*均匀色空间进行宝石颜色的表征和分级，例如Ma Y等人在此空间基础上结合LA-ICP-MS分析研究了Co2+对合成蓝色尖晶石颜色的影响，并利用色差公式和偏相关系数计算得出明度对合成蓝色尖晶石色差的影响最大[9]；Guo Y基于CIE 1976 L*a*b*均匀色空间对翡翠绿色进行了深入研究，发现颜色三要素中明度对翡翠绿色呈现的影响最大[10]，并结合同色异谱指数对优质翡翠进行了描述[11]。如图1所示，Guo Y等人还结合CIE 1976 L*a*b*均匀色空间，利用GemDialogue色卡对翡翠绿色进行了质量分级和评价[12]。此外，对于彩色宝石颜色的评价，国际上也常采用GemDialogue体系，不同机构也建立了自己的颜色分级体系，例如GIA的GemSet颜色体系和AGL的Color/Scan颜色体系等[13,14]。

图1 基于GemDialogue色卡的翡翠绿色质量分级的计算机模拟色块Fig.1 Computer simulation images of quality grading of jadeite-jade green based on GemDialogue color chip

对于颜色数据的测量，可以使用测色仪器如Color i5、X-rite SP60等，直接测出颜色的数据值，并且可以方便直接地转换成其他色度坐标。目前也有很多学者利用光谱学计算色度坐标，这样使得计算结果更加精确，并且可以打破测色仪的诸多限制。例如Liu Y等人[15,16]在研究中使用积分球分光光度计进行颜色测量后，利用Spectra-CalcTM软件计算出颜色数据进行分析；戴正之等人[17]在研究中根据分光光度计测出的反射率数值，利用颜色分析软件和色度学公式计算得出绿松石样品的均匀色度坐标；王蓉等人[18]在对翡翠颜色进行定量化描述时，利用光纤光谱仪计算得出色度参数，并与人眼感知到的结果相比较，证实了用该种方法评价翡翠颜色的可行性；罗泽敏[19]在研究青海三岔河灰紫色软玉时，将样品不同颜色区域的紫外—可见光谱转换成CIE 1976 L*a*b*色度学坐标，并结合Photoshop软件进行色块模拟，证实了用光谱学测量计算得出的颜色与样品颜色具有较高一致性。

Munsell系统根据颜色三要素将色彩空间划分为色调、明度和彩度三维，我国国家标准《GB/T 7921-2008 均匀色空间和色差公式》中也给出了CIE 1976 L*a*b*均匀色空间中与色调、明度和彩度近似相关的量的计算公式[20]。在我国的珠宝玉石国家标准中常采用颜色三要素对宝石颜色进行描述，例如蓝宝石[21]、祖母绿[22]、翡翠[23]等。因此在探讨光路长度对宝石颜色的影响时，可以结合颜色系统进行测量与评价，分析光路长度与颜色三要素之间的关系。

2 光路长度对颜色三要素的影响

2.1 色调

色调是色彩的首要特征，也是颜色三要素之一。一些矿物颜色的色调会随光路长度的变化而发生变化，其中随着光通过材料的路径长度增大，色调由绿色变为红色的特殊现象被称为乌桑巴拉效应（Usambara effect）[24]。Halvorsen A等人[25]1997年在坦桑尼亚东部Umba Valley含铬的绿色电气石中发现，样品在透射光下不同的部位颜色不同，最薄的一端呈现绿色而最厚的一端为红色；同时发现光源类型对红色的呈现有一定影响，相同厚度的样品在富含红光的强光照明下比冷光源光纤灯的照明下红色更深。Manson D V等人[26]研究了一组具有异常颜色行为的镁铝—锰铝榴石，除了由光源变化导致的变色效应之外，大部分样品在单透射光下呈现的颜色与反射光下呈现的颜色不同，为此提出了“色彩偏移（color shift）”这一概念，即颜色的变化是由于单一光源下透射光和反射光的相对光量比例决定的，这一结论虽未明确提出乌桑巴拉效应这一概念，但是实际现象与之相关。Halvorsen A[27]又在之后的研究中发现，柱晶石、绿帘石和变石等矿物也会出现随着光路长度变长，颜色由绿色变为红色的乌桑巴拉效应，并认为颜色的变化是一个复杂综合的过程，乌桑巴拉效应和变色效应之间会相互影响。Fritsch E等人[28]在马达加斯加的红色堇青石中也发现了这一效应，随着样品厚度的增大，单一方向上颜色由橘黄色变为深红色，而这并不是由堇青石本身的多色性造成，样品的紫外光谱与此现象相符。

Taran M N等人的研究[29]表明，乌桑巴拉效应的出现是由于宝石中存在一定量的铬元素，使宝石的可见光光谱在红区和蓝绿区存在两个明显的透射窗，随着光路长度增大，绿区透光率减小的速度逐渐大于红区（图2-a），会使宝石的色调随其厚度增大由绿变红。同时由于观察者视网膜上接收彩色画面的红、绿、蓝三色视锥细胞的数量并不均等，其中绿色的视锥细胞最多，红色次之，所以人眼对于绿光的敏感度大于红光（图2-b）[30]。含铬宝石同时透过红光和绿光时，虽然红光的透射带强度稍大，但人眼对绿光的高敏感度使得对颜色的感知仍然是绿色，只有当路径长度增大到使红光的透射强度足够大时，人眼才能感知到红色的变化[31]。

图2 a-电气石在可见光范围内不同厚度下的透射光谱b-CIE 1931色度系统中人眼灵敏度曲线图Fig.2 a-Transmission spectra of tourmaline in different thickness in visible light range b-the curve of spectral sensitivity of the human eye in the colorimetric CIE 1931 system

图3 蓝色变色石榴石D65和A光源下不同路径长度的色差△E与色调角差△H图Fig.3 Color difference and hue angle difference of blue color-change garnet undert D65 and A light sources in different path length

但是Rondeau B等人[32]在对红柱石颜色的研究中发现，样品的颜色变化与乌桑巴拉效应的现象正好相反：随着厚度的增大，红柱石同一方向上的颜色由浅棕粉色变为绿色。他们认为这是红柱石的多色性所导致的，沿c轴方向的颜色因Fe2+-Ti4+间电荷转移呈现棕红色，沿a轴和b轴方向的颜色呈绿色。当厚度较小时，透射光主要受棕红色主导，并与微弱的绿色结合形成浅棕粉色，当厚度增大时，棕红色的主导作用下降，而绿色在其他方向上变的可见，因此红柱石呈现绿色。这虽然与乌桑巴拉效应的形成机理不同，但不论怎样，他们都肯定了光路长度会对宝石颜色的色调产生影响。

2.2 明度和彩度

随着厚度的变化，少数宝石会出现明显的色调变化，而大部分宝石的颜色则会出现明度和彩度的变化，这是由透射光透过宝石的能力决定的。随着光线路径的增加，宝石对光的吸收程度增加，导致透过宝石的光的强度减弱，颜色明度下降，这符合朗伯比尔定律[33]：即当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，吸光度与物质的吸收层厚度成正比。应用在透明宝石上，表现为颜色的深浅程度与光线在宝石中的传播距离成正比。Taran M N等人[29]在研究中对比分析不具有乌桑巴拉效应的电气石时，发现由于Fe2+-Fe3+离子对产生的两个吸收峰打破了红绿区两个透射窗的平衡，所以色调没有发生明显的改变，并利用CIE 1931色度系统进行投点分析，发现随着宝石厚度的增加，颜色的明度减小，彩度增大；Bonventi W等人[6]在研究巴西托帕石的晶体厚度与颜色关系时，利用高斯函数分析了托帕石的吸收光谱，并计算出CIE 1931色度坐标参数，发现随着厚度增加，光谱的透射峰宽度逐渐变窄，颜色坐标也由中心的光源坐标移向色度图的边界，这说明颜色的彩度随宝石厚度的增加而增加。

同时也有很多学者将光路长度与变色效应的研究相结合，例如Sun Z Y等人[34]研究变石在两种光源下变色的最佳轴向时，对比了不同光路长度下三个轴向的色调和彩度变化，发现随着光路长度增加，宝石的明度逐渐降低，彩度逐渐增大，而色差先增大后减小，并且色差最大的方向并不是颜色变化的最佳方向。Sun Z Y等人又在之后的研究中[35]分析了一组含钒和铬的石榴石，基于光路长度对其在两种照明条件下的颜色三要素进行定量分析，并运用CIE 1976 L*a*b*色度坐标，计算出了不同路径下的色度参数，发现厚度的增大使得宝石彩度随之增大，但一些样品的彩度增大到一定界限后开始小幅度降低，这可能是由于明度持续降低而对颜色造成的不利影响。如图3所示，蓝色变色石榴石在厚度为1mm时，D65和A光源下的色调角差异最大，但是由于厚度过小使得样品明度很高，彩度较低，整体颜色较浅导致变色效应的效果不理想，相反在5mm处虽然色调角的变化不是最大，模拟出的色块颜色却展现了明显的变色效果。这也说明了Liu Y等人[36,37]曾经按照色调角大小衡量变色效应程度的方法存在一定局限性，因为明度和彩度也会影响颜色的整体美观性。

颜色是一个综合的体系，光路长度的变化对色调、明度和彩度的影响是整体性的，只不过影响的程度不同，结合色度系统定量化地研究光路长度与颜色三要素之间的关系，找出颜色呈现的最佳路径长度，可指导宝石的切割。

3 光路长度与切工的关系

彩色宝石切工设计的首要目的是要获得最佳的颜色展现，光路长度与颜色三要素的关系最能体现在宝石的切工上，对指导彩色宝石的切割有重要意义。非均质体宝石具有两个或三个振动方向，不同方向的颜色不同，Hughes R W[38]在进行宝石多色性和切割的研究时，建立了一个亭角为45°的简易理想模型，探讨了不同方向常光和非常光的光路长度对宝石多色性的影响，当切割比例变化时，不同方向的光路长度发生变化，台面的颜色也会发生变化。光路长度同样可影响均质体宝石颜色的呈现，他在研究一颗长垫型的沙佛莱石时发现，从台面上观察，其两端的颜色要比中间颜色深，然而圆形刻面的宝石则没有这种颜色效果，这是因为长垫型两端的光路长度更长，颜色更深。Gilbertson A[39]在研究中也指出，颜色较深的宝石可以通过切割减小尺寸来获得更加满意的颜色，例如可以通过减小亭深比浅化颜色，一方面是由于较浅的亭部加大了刻面宝石的开窗面积，提高明亮度使宝石颜色看起来更浅[40]，另一方面则是使光路长度变短来弱化宝石的颜色[41]。

当然上述的研究都是建立在一个理想的模型下，在真实的切割中，不论是均质体还是非均质体宝石，情况都会复杂的多。因为宝石表面的反射[42]、内部包裹体的散射等都会对颜色造成一定的影响。但是光路长度对于颜色的影响是确实存在的，这已经被熟练的切割工人所掌握并且广泛应用于加工切割实践中，例如颜色较深的碧玺往往被切割的更薄，颜色墨绿但透明度较差的翡翠也会被切成薄片用以改善颜色质量。