钻石光学效果观察仪器的研究综述

吴倩倩

1. 苏州工艺美术职业技术学院，苏州 215000 2. 中国地质大学（武汉）珠宝学院，武汉 430000

前言

钻石的切工和光学效果研究已经有几百年的历史。从1919 年马歇尔•托尔可夫斯基的二维光线追踪研究开始，钻石的光学效果研究进入一个精确数学运算的新里程碑[1]。随后，大量宝石专家和机构都陆续开展了钻石的二维计算和三维仿真模拟研究，以确定最佳切磨比例。其中，三维仿真研究以美国宝石学院（Gemological Institute of America，简称GIA）[2-3]、美国宝石协会（American Gem Society，简称AGS）[4]和Cut group（以OctoNus 公司、莫斯科国立大学宝石学中心等机构组成的切工研究组）的仿真研究[5]为代表，国内中国地质大学（武汉）珠宝学院的石斌博士也开发了仿真模拟软件[6]。由于仿真模拟在反映钻石实际光学效果上有不可避免的局限性，在2006 年GIA颁布的分级体系中，主要依据人眼观察大量钻石，得出不同切工参数钻石的光学效果规律，以此来制定切工分级标准[7]，以钻石的台宽比、冠角、亭角、星刻面比例、下腰刻面比例等参数的组合作为最主要的参考依据。

一般认为，一粒钻石切工越好，它所呈现的光学效果也会越好。钻石的光学效果主要可分为亮度、火彩和闪烁。英国宝石协会[8]、陈钟惠[9]、袁心强[10]、GIA[11]、AGS[4]、Cut Group[12]等机构或个人都对钻石的亮度、火彩、闪烁进行了定义。各机构的定义比较接近。本文以袁心强的定义为主：钻石的亮度是指钻石表面和内部反射出的白光量；火彩是指钻石反射的色光；闪烁是指钻石或光源移动、或观察者角度变化时，刻面对光源的反射或发生明暗交替变化的现象。除亮度、火彩、闪烁之外，有些机构将反映钻石光学图形几何规律方面的特性也纳入到了对钻石光学效果的考量中。例如以色列的Sarine 公司将光对称性纳入到了对钻石的光学效果的评定中[13]，AGS 和Cut group 将对比度纳入到了对钻石光学效果的考虑中[4, 12]。

为了便于观测钻石的光学效果，并和切工质量相互佐证，近四十年来，日本、美国、俄罗斯、以色列、中国等国家都开发研制了相应的设备。除了大众熟知的钻石八箭八心观察仪之外，近些年国际上比较有代表性的设备有Sarine 公司的钻石光性能测量仪和Gemex 公司的环形光源钻石分析设备。国内主要有中国地质大学（武汉）珠宝学院刘萍萍博士研制的钻石光学效果定量分析仪器。这些设备根据发展阶段，可以分为三大类：其一是早期发明的为观察钻石特殊图案的装置，光源结构相对简单；其二是能更大程度体现钻石火彩和闪烁的结构较为复杂的观察设备；其三是可定量分析钻石亮度、火彩、闪烁等光学效果评价指标的设备。

钻石是具有最高市场占有率的珠宝消费品，对国家经济的发展和珠宝行业的发展有着重大意义。钻石光学效果测试技术的提升有助于提高钻石分级水平，促进钻石加工工艺水平提升，提升国家在国际珠宝科技领域的地位。本文将对这一重要技术领域的研究成果进行介绍，希望给珠宝领域技术人员以及珠宝行业相关人员一些指导和启发。

1 钻石图案观察仪

借助仪器直接观察钻石光学效果的观念起源于日本宝石学家Kazumi Okuda 发明的彩色反射器。上世纪80 年代，Okuda 发明的光学红圈小放大镜是第一批用来观察钻石小面切磨精度的工具之一[14]。随后，Okuda 与日本钻石商兼研究员Tsuyoshi Shigetomi 在1984 年开发了钻石观察工具FireScope，其下方是发散的白色光源，目镜部分为粉红色挡板[15]。观察者根据钻石表面呈现红色部分的颜色深浅及分布面积，判断钻石的亮度情况，红色部分表示出射光线较强区域，白色部分是从亭部漏光的区域，如图1 所示。

图1 FireScope观察仪和钻石图像[14]Fig.1 FireScope viewer and captured diamond image

日本专家Kinsaku Yamashita 于1990 年获得了八箭八心观察仪专利[16]。目前市场上流行的八箭八心切工镜底端有一个黑色的放置钻石的底座、中部是一个蓝色的塑料圆柱，圆柱的另一端为放大镜，装置的最上端为一个白色的观察镜。当观察八箭八心钻石的冠部时，钻石呈现八箭；当观察钻石亭部时，钻石呈现八心，如图2 所示。

图2 八箭八心钻石切工镜（图片来自[14]，经重绘）Fig.2 Hearts&Arrows viewer

随后，一些专家在Okuda 的原理基础上，发明了类似的可供观察钻石图案的彩色仪器。澳大利亚的Garry Holloway 于2001 年发明了Ideal Scope 观察仪[17]，相比较FireScope, Ideal Scope 围绕钻石冠部的粉红色覆盖区域面积更大，如图3 所示。同时，Garry Holloway 在此基础上开发了一套HCA 切割质量分级系统[18]。

图3 Ideal Scope钻石切工镜和采集图像[17]Fig.3 Ideal Scope viewer and captured diamond image

AGS（美国宝石协会）在2008 年研制了红绿蓝三色的ASET 装置[19]，其中蓝色光线照射角度为90°-75°，红色光线照射角度为75°-45°，绿色光线照射角度为45°-0°。ASET 装置下的钻石图像在细节上更加清晰，更有利于对钻石的观察和对钻石切工的评估，如图4 所示。

图4 ASET钻石切工镜和钻石图像[4]Fig.4 ASET viewer and captured diamond image

这类仪器的共同点是都借助角度宽泛的彩色环形光源显示出钻石的光线返回、光线泄漏和对称性等情况。然而，在这些仪器下评估钻石的切工需要凭借一定的经验。同时，仪器仅能对钻石的亮度进行半定量到定量分析，无法直观全面得体现出钻石的火彩和闪烁情况。

2 钻石光学效果观察设备

为最佳展现钻石的火彩和闪烁效果，一些公司开始研制使用LED 灯等复杂光源观察钻石光学效果的设备，例如美国的MartinD.Haske 于2004 年发明了钻石火彩仪[20]，仪器内部随机放置多个小灯泡作为观察光源，下方样品台为可供旋转钻石的装置，用户可以在宝石成像设备中观察到钻石的火彩图像。

南京通灵珠宝股份有限公司的沈东军在2012 年发明了一种火彩观察仪[21]，其采用跑马灯芯片带动LED灯光源间歇闪亮的方式，形成光源旋转变化的效果，光源颜色多样，更加完美诱发出钻石的火彩。2016 年，贺仟泰发明了一种钻石火彩演示仪[22]，有两大组照明灯：每个大组在每个圆环的两大组相间45 度各有4盏形成十字灯组的照明灯，每盏照明灯都可以各自调整方位，能够对钻石火彩的观赏提供最佳效果。

Cut group 在2013 年发表的文章中介绍了一种Vibox 钻石观察仪器[12]，如图5 所示，ViBox 使用暖白色LED 点光源作为照明光源，钻石样品台和摄像头均可多角度旋转。ViBox 视频系统使专家和购买者能够进行数千次高度可重复的钻石观测，创建大量肉眼评估数值以生成“切工优劣地图”。同时，Cut group 介绍了钻石光学效果评估需要考虑到人眼的对比度、错觉、双目差异等生理因素，主张纯粹用肉眼评估钻石的光学效果。

图5 Vibox系统外观和所摄钻石图像[12]Fig.5 Vibox system and captured diamond image

这部分观察仪器不仅能展现出钻石的亮光图案，还能生动得展现出钻石的火彩和闪烁，更能吸引钻石消费者的购买欲。由于光源不均匀或钻石旋转角度大，仪器很难对钻石的亮度、火彩和闪烁实现稳定、精确和可重复的定量分析，而仅靠肉眼观察来评判所有钻石的光学效果优劣具有一定主观性。

3 钻石光学效果定量分析设备和方法

目前，可定量分析钻石光学效果的设备主要有戴比尔斯公司（De Beers Centenary AG）的“IRIS火光观测仪”、美国捷迈克斯公司（Gemex）的BrillianceScope 以及以色列尚灵公司（Sarine）的Diamond Integrator。国内有中国地质大学（武汉）珠宝学院刘萍萍博士研制的钻石光学效果测试仪和作者研制的钻石身份鉴定仪。

戴比尔斯百年公司于2011 年研发了一种由多个点光源绕钻石倾斜旋转的观察装置[23]“IRIS 火光观测仪”，装置结构如图6 所示，该装置上方为采集图像的摄像头，下方为由多个LED 灯珠围绕组成的多圈环形光源，光源下方放置匀光板，摄像装置和环形光源装置的中心同轴。下方为钻石样品台面朝上放置，钻石的中心法线和摄像头的中心轴存在一定的夹角。通过摄像头采集多张钻石样品图像并在计算机中计算分析钻石的光学效果。记录并分析图样闪光的平均红色，绿色和蓝色值（RGB 值）以及多张图样闪光的变化，从而对钻石的明亮度进行分析[24]。

图6 戴比尔斯钻石光学效果定量分析装置和拍摄钻石图像[23]Fig.6 De Beers diamond optical effect quantitative analysis device and captured diamond image

2012 年，美国捷迈克斯公司研制的Brilliance Scope 使用360°升降的窄环形光源来改变入射光的角度，分别照射到钻石上并采集多张钻石图片[25]。按图中白色区域的百分比计算亮度，彩色区域的百分比计算火彩，像素点的亮暗变化计算闪烁，将计算结果分为四个级别Low、Medium、High、Very High 并以证书的形式展示给消费者，仪器外观和所摄图像如图7 所示[26]。

图7 Brilliance Scope仪器外观和拍摄钻石图片[26]Fig.7 Brilliance Scope device and captured diamond image

2012 年，以色列尚灵公司发明了分析钻石光性能的装置Diamond Integrator[27]，如图8 所示。钻石台面朝下置于透明玻璃光学平台上，样品台位于装置上部的中心，样品台周围为一圈发光源（使用隔板阻止光源从侧面射入钻石），平台下方为一个中心有孔的半球体，半球体由四组或八组大小相同的白色和黑色扇形体（或锯齿状图形）相间组成。半球形与钻石样品的中心轴重合并绕中心轴旋转，光源发出的光通过内半球体反射进入钻石冠部。半球体孔下为一倾斜镜面，通过镜面展现钻石图像，然后摄像装置采集钻石图像，计算机对图像进行数据分析，得到钻石的亮度、火彩、闪烁、对称性级别。对采集所有图像进行合成，钻石的亮度值为合成图像的平均灰度值；火彩被分为静态火彩和动态火彩，静态火彩通过计算所有图像颜色的总和得到，动态火彩通过计算像素色彩变化的差值得到，将静态火彩和动态火彩按比例系数相加，即为火彩值；计算每一像素灰度值的变化得出对比度数值，结合动态火彩和静态火彩值，综合得到钻石的闪耀度；将合成图像以45°角为递进单位，平均分成八份，系统计算每个单元的实际灰度和该组的平均值之间的差值，对这些差值求和，即为光对称性数值[13]。

图8 Diamond Integrator设备结构图[13]Fig.8 Diamond Integrator equipment structure drawing

中国地质大学（武汉）珠宝学院的刘萍萍博士在2014年研制了环形光源钻石光学效果分析设备[28]。其特点是：样品台中心、环形光源中心、摄像头中心三者同轴，光源平面由6 圈小LED 灯均匀排列成同心圆，LED 灯上覆有一个均匀的散光板，六圈光源由六个开关单独控制，以便采集多张图片。图9为仪器的设备结构图、环形光源设备图以及所摄钻石图像。将采集到的钻石图像像素点的RGB 值转换为YUV 色度空间值，累加所有像素点的Y 值用以表征钻石的亮度[29]。将图像像素点的RGB 值转换为HSI 色度空间值，将色彩饱和度S ≥25%，明亮度I ≥20%的点判定为彩色点，累加所有彩色点的明亮度I 值用以表征钻石的火彩[30]。运用CIE1976 Lab 色度空间比较相邻两张钻石图像之间对应像素点的色差值，累计所有像素点的色差值用以表征钻石的闪烁[31]。

图9 钻石光学效果观察仪示意图、光源图和采集图像[30]Fig.9 Diamond optical effect viewer diagram, light source diagram and captured image

作者在2018 年研制了钻石身份鉴定仪（专利号ZL2017 10985819.1）[32]，并发明了钻石身份鉴定方法（专利号ZL 201710985126.2）[33]。该仪器不但可以对钻石的光学效果进行定量分析，还能对钻石实现俩俩区分。钻石身份鉴定仪使用高精度的窄环形光源，光源、钻石和摄像头的中心轴在一条直线上，光源通过垂直上下移动提供不同入射角，摄像头采集每个设定入射角度下的图像，从而获得钻石的图像系列[32]。光源入射角从9°到34°逐渐增大，每粒钻石共采集五百多张图像，并形成连贯的播放视频，视频二维码在图10 中显示（读者可使用微信或优酷扫描）。将图像像素点的RGB 值转换成YUV 值，使用Y 值直接对亮度进行量化；将RGB 值转换成HSV（色相、饱和度、明度）值，通过对数值的二次运算并结合机器视觉的边缘算子弱化白色亮区周围的彩色边缘，得到符合人眼观察结果的火彩值；使用简易色差公式计算相邻两张图片同一位置像素点的色差值，累加的所有色差值即为钻石的闪烁值。每粒钻石的图像系列都能形成亮度、火彩、闪烁曲线。钻石的亮度和火彩值分别为亮度、火彩曲线的平均值，闪烁值为对闪烁曲线大于平均值的数据求取二次平均，以此实现对钻石光学效果的定量分析。对比两粒钻石曲线的相关系数，设定判定阈值，还可以实现对钻石的指纹识别[33]。

图10 钻石身份鉴定仪结构图和一粒钻石的亮度曲线[34]Fig.10 Diamond identification machine structure diagram and a diamond brightness curve

为了对钻石切工参数和光学效果的关系进行探究，作者选取了GIA 证书上冠角、亭角、台宽比、下腰面、星刻面、对称性级别、色级、净度级别等4C 参数完全一致的5 粒钻石，经测试发现：5 粒钻石的亮度值最大相对误差可达到17%，而同一粒钻石重复测试十次，亮度值相对误差小于1%[34]。这说明即使是4C 分级参数完全一样的钻石，亮度都不一定能达到一致或者接近。这是由于分级精度等诸多因素造成的。

4 结论

本文总结了近四十年来钻石光学效果观察仪器的研究成果，主要包括三个发展阶段：一是以Fire Scope 和八箭八心为代表的宝石切工镜，其借助角度宽泛的彩色环形光源展现钻石的亮光和图案美；二是以Vibox 观察仪为代表的钻石火彩仪，其借助LED灯充分展现了钻石的火彩和闪烁美；三是以戴比尔斯、Sarine 公司为代表研制的科学分析钻石光学效果的设备，其使用机器视觉技术对所采集图像进行数字化分析，从而对钻石的亮度、火彩、闪烁等指标实现精确量化。

现有4C 分级主要是通过多组切工比例参数来表征钻石的明亮度。而作者通过所研制的钻石身份鉴定仪测试得出：五粒同样切工参数的钻石，亮度值最大相差达到17%，而同一粒钻石多次重复测试的亮度值相差仅小于1%，这和钻石的分级精度有一定关系。现有切工比例的精确度是冠角在0.5°，亭角在0.2°，台宽比1°，星刻面和下腰刻面5%，这种精度可能还不够细致。

根据光线照射在钻石刻面上所遵循的反射与折射定律，一条入射光会在钻石的各个刻面上发生反射与折射，在钻石中来回传播，从冠部折射出钻石的光线形成明亮度，这是一系列刻面综合作用产生的集合效果。所以，任意一个刻面由于切磨失误造成的空间位置的误差，都会造成照射到这一刻面上的所有光线偏离正确的传播方向，并可能在后续的传播中进一步的放大这一偏差，造成光线传播方向发生明显的变化，影响到整体的明亮度。要想用切工参数与明亮度严格的对应，显然必须建立更为细致的参数体系和更高的度量精度才有可能实现。

作者认为，相比于从4C 的角度间接对钻石光学效果进行评价，直接进行钻石的光学测量，更加直观、迅速，可成为代替肉眼的高准确性测量方式。所以，更美丽生动的观察设备和更科学准确的分析方法是钻石光学效果这一领域未来的发展方向。相信在不远的将来，在大数据和人工智能的技术背景下，全球钻石科技行业会不断向前发展，打破传统的钻石鉴定模式，使钻石分级领域的技术成果惠及于民。