几种常见蓝色宝石的色度学对比分析

2023-11-29蔡善武曹稳政麦智强

宝石和宝石学杂志 2023年5期

蔡善武，曹稳政，赵帏，麦智强

(1.深圳市博伦职业技术学校,广东深圳518000;2昆明理工大学材料科学与工程学院,云南昆明 650093;3.黄埔海关技术中心,广东广州 510700)

蓝色蓝宝石、磷灰石和堇青石分别是珠宝市场中常见的高中低档蓝色系列宝石,其颜色评价是宝石品质与价值评估的重要因素之一。色度学是一门研究彩色计量的科学,主要研究人的颜色视觉规律、颜色测量的理论与技术,为描述颜色提供科学依据和统一标准[1],相比传统主观性的宝石颜色质量评价,色度学分析可以更客观、定量地描述颜色的具体差异与级别。

现今,国内外关于宝石的色度学研究主要集中在红色宝石、绿色宝石以及蓝色蓝宝石上。例如,阮耀华等[2-3]通过色调、明度和彩度差异将红色尖晶石划分成不同等级;田莉等[4]构建了在均匀色空间系统下红宝石的八个颜色等级;董琳玲等[5-6]对红宝石、尖晶石、石榴石、碧玺进行了色度学对比分析,得出近似色调角样品的明度L和彩度C*大小顺序;徐萌等[7]通过色度学分析认为,高明度和高彩度的南红玛瑙具有较强烈的华美感;高寒等[8]推论出阿富汗祖母绿的色调角与饱和度呈负相关关系;洪怡颖等[9]推断出天河石的明度与彩度之间存在显著负相关关系,而彩度与色调角有低度正相关关系;乜东晶等[10]利用主波长划分绿色翡翠的主色调与颜色纯度相关关系;宗翔等[11]通过GemDialogue色卡将绿色翡翠分为正绿、阳绿、中绿、深绿、暗绿、淡绿、灰绿7个颜色级别;李国一等[12]用统计学软件SPSS将蓝宝石分为红、橙、黄、绿、蓝、紫6大颜色系列;S.De Meo等[13]利用孟塞尔色彩系统和分光光度计设计了一种有效的宝石颜色评估手段;K.Schmetzer等[14]利用比色数据定量准确描述了俄罗斯乌拉尔产地亚历山大变石的颜色变化;V.F.Sotnikova等[15]在CIE1931标准色度系统下对Naryn-Gol矿床的蓝宝石进行简单颜色质量分析;R.Cheng等[16]通过色度学分析将热处理紫水晶颜色划分为强烈绚丽、浓厚绚丽、暗色绚丽、绚丽、淡绚丽5个等级。

目前对蓝色系列宝石的色度学研究较少,有的也只集中于蓝宝石的初步颜色分析,缺少对常见蓝色宝石的色度学的整体研究。市场上蓝色蓝宝石、磷灰石、堇青石作为蓝色相似宝石,其颜色仍有许多差异,故本文运用色度学方法分别对其颜色进行分析对比。利用色度学直观、可量化的参数,客观直接地表达这三种蓝色宝石的颜色具体差异,并探究它们主观颜色品质优劣与不同色度参数之间的对应关系,可作为辅助鉴别蓝宝石、磷灰石、堇青石的色度学方法。

1 样品及测试方法

1.1 实验样品

本文选取了具有不同颜色色调、由深到浅的蓝色系列宝石样品共计38颗,由于部分宝石样品为原石,可能出现颜色不均匀的情况,所以对样品多次测量取其平均值,以此来降低可能因颜色不均匀而带来的误差。蓝色蓝宝石样品共14颗,编号为S1～S14,其中原石样品8颗;堇青石样品共12颗,编号C1～C12,其中原石8颗;磷灰石样品12颗,编号为A1～A12,其中原石10颗(图1-图3)。

图1 蓝宝石样品(编号S1～S14)Fig.1 Sapphire samples (No. S1-S14)

图2 磷灰石样品(编号A1～A12)Fig.2 Apatite samples (No. A1-A12)

图3 堇青石样品(编号C1～C12)Fig.3 Cordierite samples (No. C1-C12)

1.2 实验方法

实验仪器为美国Ocean Optics公司的USB2000 +光纤光谱仪,利用积分球收集样品表面的反射信号,测量的波长范围选在380～1 000 nm,实验光源为CIE 标准照明体中的 D65 光源,波长间隔为10 nm,采集积分时间为2 500 μs。

2 实验结果与讨论

2.1 实验数据及处理

表1 蓝宝石、磷灰石、堇青石样品的色度学参数

2.2 CIE 1931色度系统分析

CIE 1931色品图可以描述任意一个颜色,将各个光谱色的坐标点连在一起会形成一条马蹄形曲线,马蹄形线上的各点代表380 nm(紫色)到780 nm(红色)之间的所有单色光[17]。将38颗样品的主波长在色品图上投点(图4),通过作图法获得该投点的主波长或补色波长(色品图中用直线表示),其颜色即是投点的主色调[3]。

图4 3种蓝色宝石样品的CIE 1931色品图Fig.4 CIE 1931 chromaticity diagram of three blue gemstone samples

由表1和图4可以看出,三种样品的主波长分布550～575 nm以及450～490 nm 两个区域。其中450～490 nm是显示蓝色、蓝紫色的区域,此时蓝色蓝宝石的主波长为475～485 nm,显示蓝色-蓝青色色调;磷灰石的主波长为480～490 nm,显示蓝青色-蓝绿色色调;堇青石的主波长为450 nm附近,显示蓝紫色色调,而在485～495 nm范围内显示蓝青色-蓝绿色色调。550～575 nm是显示黄绿色的区域,根据颜色互补原理,可知三种宝石主波长在550～575 nm范围时显示蓝色的补色波长,蓝宝石和堇青石有蓝紫色调的补色,磷灰石有蓝色调的补色。

2.3 CIE 1976 Lab颜色空间色度学分析

2.3.1 La*b*分析

根据表1将蓝宝石、磷灰石、堇青石样品的L、a*、b*在三维坐标上进行投点(图5),并在xy、xz、yz平面进行投影(图6)。蓝宝石样品的明度值L在30～55之间,普遍显示上佳的明度;磷灰石的明度值L稍弱,在25～45之间,仍显示较亮的明度;而堇青石的明度跨度较大,既有L值在35～45之间,显示较亮明度的样品,也存在大量L值小于20,明度很差的宝石样品。同时堇青石的色调也分布广泛,对比蓝宝石和磷灰石整体上要么带有红蓝色调,要么能显示一些黄绿色调,这种明度和色调的较离散分布应该与堇青石样品具有强多色性的特点有关。蓝色蓝宝石则最显示蓝色调,磷灰石也显示了很强的蓝色调。同时部分蓝宝石相较磷灰石更显示一些绿色调,部分磷灰石则相比蓝宝石更显示了一些黄色调。

图5 3种蓝色宝石样品在L a*b*三维坐标上的投点Fig.5 Point of three blue gemstone samples drapping at L a*b* 3D coordinates

图6 L a*b*投点分别在三个平面的投影Fig.6 L a*b* projection points projecting on each of the three planes

图7 3种蓝色宝石样品在 L Ch*ab三维坐标上的投点Fig.7 Point of three blue gemstone samples drapping at L Ch*ab 3D coordinates

图8 L Ch*ab投点分别在三个平面的投影Fig.8 L Ch*ab projection points projecting on each of the three planes

三种宝石样品的色调角均大致分布在(270°,330°)和(0°,60°)两个区间内,三种宝石的色度学特征(如明度、彩度)在分布在不同色调角区间时有巨大差别,需将样品在更具体的色调角范围内进行颜色质量对比分析。按照分为20个色相,即每个色调角区间为18°将三种宝石样品的色调角顺序排列,对比不同色调角下三种宝石的明度L、彩度C(分别为表2和表3),同一区间内的多个样品取均值。

表2 三种蓝色宝石样品的明度值对比

表3 三种蓝色宝石样品的彩度值对比

根据表2和图4、图7、图8,当样品色调角在(270°,324°)时,蓝宝石的明度值大于磷灰石大于堇青石, 此时三种宝石样品均为蓝色、蓝紫色色调,由此推测颜色为蓝色、蓝紫色色调的三种宝石中,L蓝宝石>L磷灰石>L堇青石;当样品色调角在(0°,72°)时,堇青石的明度值增大了许多,而蓝宝石的明度值则稍变小,但三种宝石样品明度值差异很小,均具有良好的明度。

而据表3,图7和图8可知,当样品色调角在(270°,306°)时,堇青石的彩度值远大于蓝宝石和磷灰石,同理推测颜色为蓝色、蓝紫色色调的三种宝石中,C堇青石>C磷灰石=C蓝宝石,其中彩度最大值出现在主波长为450 nm附近,即显示蓝紫色色调的堇青石具有最优的彩度;而在(0°,72°)色调角区间时,三种宝石彩度值均有所下降,磷灰石的彩度值大于蓝宝石和磷灰石,同理推测颜色为蓝青色至蓝绿色色调的三种宝石中,C磷灰石>C蓝宝石>C堇青石,其中蓝宝石和堇青石在主波长490 nm附近出现最小的彩度值,说明当蓝宝石和磷灰石为蓝绿色调时具有较差的彩度。

通过三种宝石样品的色度学颜色分析,将颜色差异具体量化为色调、明度、彩度值等的不同,并进一步分析出哪种颜色的宝石为颜色质量优和颜色质量差,这样能够为三种蓝色宝石的颜色分类或分级提供科学、量化的依据。同时归纳出三种宝石之间明显的色度学差异,可以作为一种辅助手段鉴别蓝色宝石的种属。