對(duì)寶石光學(xué)效果的研究及評(píng)價(jià)

劉富康

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）珠寶學(xué)院，北京 100083

前 言

珠寶玉石以美麗、耐久、稀少而著稱，美麗是其必不可少的一個(gè)屬性。影響寶石美觀的因素有很多，包括天然屬性和客觀因素。天然屬性包括顏色、透明度、凈度等物理化學(xué)性質(zhì)；客觀因素包括光源[1][2]、背景[3]以及人為改善等。寶石顏色的色調(diào)、亮度、飽和度、火彩以及閃爍[4]都會(huì)影響寶石的美觀度。

自古以來，寶石學(xué)家為最大限度地展現(xiàn)寶石的美麗，對(duì)其光學(xué)效果進(jìn)行了多方面的研究，主要為顏色、亮度、熒光[5]、切工、火彩及閃爍（刻面寶石），以及某些寶石的特殊光學(xué)效應(yīng)，如星光效應(yīng)[6]等。

1 顏色評(píng)價(jià)

我國發(fā)布的各種寶石評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，都包括了對(duì)寶石顏色的評(píng)價(jià)。在紅寶石、藍(lán)寶石、祖母綠、鉆石、黃色鉆石、翡翠、無色透明翡翠、綠松石等寶石的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中[7-12]，利用比色法對(duì)寶石顏色的色調(diào)、明度和飽和度進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法是在一定條件下，將寶石和分級(jí)標(biāo)樣或色卡進(jìn)行比較；在紅寶石、藍(lán)寶石、祖母綠的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，可以通過肉眼觀察，對(duì)寶石的火彩進(jìn)行評(píng)價(jià)；在黃色鉆石和翡翠的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，通過肉眼觀察，對(duì)寶石顏色的均勻性做出評(píng)價(jià)。世界上一些寶石實(shí)驗(yàn)室也對(duì)寶石的顏色做出相關(guān)研究并對(duì)寶石顏色做出評(píng)價(jià)，比如GIA[13]，HRD，SSEF，F(xiàn)GA[14]等。

評(píng)價(jià)寶石顏色需要選擇合適的顏色體系。GIA、GIT等國外研究機(jī)構(gòu)通常選用Munsell顏色體系對(duì)寶石顏色進(jìn)行對(duì)比測量，但Munsell顏色體系并不側(cè)重顏色的定量描述。而CIE(國際照明委員會(huì))標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)對(duì)顏色的表示方法、測量原理和計(jì)算方法等都做了系統(tǒng)規(guī)定，可直接應(yīng)用于儀器對(duì)寶石顏色色度參數(shù)進(jìn)行測量，并具有不同顏色系統(tǒng)相互轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢。CIE 1931的色度參數(shù)三刺激值不能直接對(duì)應(yīng)于人眼看到顏色的一些屬性（色調(diào)、飽和度、亮度等視覺特征），并且不是均勻色空間，因此在寶石顏色研究方面通常選取CIE 1976的均勻色空間CIE L*a*b*，并選用表色系CIE L*c*h°[15]。

Guo Y等[16-17]在CIE 1976 L*a*b*均勻色空間下，通過使用色卡比色或使用儀器測量顏色參數(shù)對(duì)翡翠、紅寶石、藍(lán)寶石[18]（見圖1）、錳鋁榴石、碧璽[19]、黃水晶[20]等寶石的顏色做出半定量或定量評(píng)價(jià)。使用Color i5測色儀，通過CIE L*a*b*、CMC（l: c）、CIE DE2000三個(gè)色差公式的計(jì)算，討論翡翠、紅寶石各顏色參數(shù)在顏色質(zhì)量評(píng)價(jià)中的貢獻(xiàn)[21-23]；在對(duì)紅寶石的顏色進(jìn)行定量分級(jí)時(shí)，使用X-riteI5分光光度儀對(duì)紅寶石樣品進(jìn)行反射測試，將色調(diào)角(h°)、飽和度(C*)、亮度(L*)分別進(jìn)行定量化分析，綜合考慮飽和度和亮度，根據(jù)色調(diào)的不同對(duì)紅寶石的顏色進(jìn)行劃分，最終綜合考慮顏色三要素，給出紅寶石定量質(zhì)量等級(jí)劃分[15]；在該顏色體系下，使用Photoshop軟件、Color i5測色儀，并將每顆祖母綠自身各明度區(qū)間的明度均值與不同非彩色背景明度做無重復(fù)雙因素方差分析，探討了不同非彩色背景明度對(duì)祖母綠綠色明度的影響[24]；使用Color i5測色儀、標(biāo)準(zhǔn)光源箱、KONICA MINOLTA CL-200照度計(jì)、SPSS16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，測量錳鋁榴石的明度、彩度及色相，并對(duì)其顏色做出質(zhì)量評(píng)價(jià)[25]。

張輝等[26]使用美國格靈達(dá)-麥克貝斯的Color Eye7000A測色儀測得反射光譜，選用CIE 1931-XYZ坐標(biāo)空間，計(jì)算翡翠的Munsell標(biāo)號(hào)，按色調(diào)、明度、飽和度的形式進(jìn)行記錄，利用Gemdialogue色卡確定樣品的顏色標(biāo)號(hào)然后轉(zhuǎn)換為Munsell顏色標(biāo)號(hào)與前者進(jìn)行比對(duì)和驗(yàn)證，討論顏色度量方法在翡翠顏色評(píng)價(jià)中的應(yīng)用；王蓉等[27]使用USB2000光纖光譜儀，量化翡翠顏色的參數(shù)指標(biāo)，評(píng)定其優(yōu)劣；GIA和HoWard Rubin分別使用GemSet和GemDialogue，借助色卡或色板對(duì)寶石顏色的三要素進(jìn)行標(biāo)定[28]。

圖1 藍(lán)寶石顏色模擬色塊Fig.1 Color simulation of sapphire

2 切工及評(píng)價(jià)儀器

影響寶石光學(xué)效果的因素主要為寶石的化學(xué)成分[29]、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、光學(xué)對(duì)稱性、包裹體等特征，其中影響最大、并且人為可控的因素為切工，所以對(duì)切工和光學(xué)效果的關(guān)系的研究也最多。寶石學(xué)家為了盡可能地展現(xiàn)寶石的光學(xué)效果，提出了多種琢型，包括美國理想琢型、歐洲琢型等；Tamura設(shè)計(jì)出具有“完美對(duì)稱性”的Eight Star鉆石，隨后又設(shè)計(jì)出其衍生品Hearts-and-Arrows鉆石；研究發(fā)現(xiàn) Eight Star 鉆石的亮度、閃爍和火彩比一般比例的鉆石的都要強(qiáng)，比同等質(zhì)量的一般鉆石看上去更大[30]；張?zhí)N韜等[31]研究了八箭八心是一種圓明亮型琢型所具有的光學(xué)現(xiàn)象，與寶石材料本身無關(guān)，產(chǎn)生八箭八心的條件有兩個(gè)：其一要有嚴(yán)格的對(duì)稱性，其二要有嚴(yán)格的比例；之后又有十箭十心切工產(chǎn)生，石斌[32]發(fā)現(xiàn)，在不同角度光源照射下，十心十箭鉆石的亮度均超過標(biāo)準(zhǔn)圓鉆的亮度。之后，各種寶石切工層出不窮，包括九心一花、千禧切工、藍(lán)色火焰等耀眼切工。

為評(píng)價(jià)各種琢型的切工以及光學(xué)效果，各個(gè)公司及組織也發(fā)明了相關(guān)儀器。1987年，日本設(shè)計(jì)出一種評(píng)價(jià)鉆石切工和對(duì)稱性的工具Fire Scope[30]，白光光源通過紅色擋板反射進(jìn)入鉆石冠部，在10倍放大鏡下觀察鉆石冠部和評(píng)價(jià)鉆石的光學(xué)效果；2008年，美國寶石協(xié)會(huì)（American Gem Society）研發(fā)了定量分析鉆石光學(xué)效果的儀器ASET，令藍(lán)色、紅色、綠色光線入射鉆石冠部（其中藍(lán)色光線入射角度為79°～90°，紅色光線入射角度為45°～75°，綠色光線入射角度為0°～45°）（如圖2），得到ASET圖像（如圖3）來分析不同入射角度的光線對(duì)鉆石亮度、火彩、閃爍的影響，結(jié)果顯示紅色光線（入射角度45°～75°）對(duì)鉆石的光學(xué)效果貢獻(xiàn)最大；2011年，戴比爾斯百年公司（De Beers Centenary AG）研發(fā)了一種定量分析鉆石光學(xué)效果的儀器，光源為4組LED燈珠組成的環(huán)形光，上方放置勻光板。該儀器采用光源平面和圖像采集裝置同軸傾斜旋轉(zhuǎn)的方法，采集多張圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；2012年，美國捷邁克斯公司（Gem Ex）研發(fā)了定量分析鉆石光學(xué)效果的裝置Brilliance Scope，光源為窄環(huán)形光圈，通過上下移動(dòng)光源平面的方法，形成多種不同入射角度的光線，采集6張不同入射角度光線下鉆石的圖像，綜合分析鉆石的亮度、火彩、閃爍特征，并劃分為低、中、高、很高四個(gè)級(jí)別；2012年，以色列Sarin Color Technologies Ltd，發(fā)明了定量分析鉆石光學(xué)效果的裝置Diamond Integrator，采用由4組或者8組黑白相間、大小相同的扇形組成的半球作為反射面，光線從半球內(nèi)部反射到鉆石冠部，半球圍繞X軸旋轉(zhuǎn)，采集多張圖像，分析鉆石的亮度、閃爍、對(duì)稱性，綜合得出總級(jí)別[33]。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）珠寶學(xué)院對(duì)使用計(jì)算機(jī)評(píng)價(jià)鉆石切工的方法進(jìn)行了一系列研究，并且研發(fā)了鉆石光學(xué)效果觀察儀[33-35]。

圖2 ASET原理圖：光線可以從各個(gè)角度射入，紅色光線指的是直射光，是最強(qiáng)的；綠色光線指的是反射光；藍(lán)色部分指的是被觀察者擋住的光線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

圖3 ASET圖像Fig. 3. ASET map

3 寶石光學(xué)效果的評(píng)價(jià)方法

寶石的外觀表現(xiàn)和其切工質(zhì)量密切相關(guān)，好的切工可以盡可能地展現(xiàn)寶石的光學(xué)效果，這些光學(xué)效果主要為亮度、火彩、閃爍。亮度指白光從正面落到透明刻面寶石上后被反射回到觀察者眼中的光亮，它包括來自亭部的全內(nèi)反射及少部分的表面反射；火彩為當(dāng)白光照射到透明刻面寶石時(shí)，因色散而使寶石呈現(xiàn)光譜色的現(xiàn)象；閃爍為當(dāng)寶石、光源或者觀察者移動(dòng)時(shí)，觀察者所見到的寶石所產(chǎn)生的白光、彩色光的變化[37]。

Dodson J S于1978年研究了寶石亮度、火彩和閃爍的測量方法。他借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，假想鉆石周圍有一個(gè)球體，明亮度、閃光和火彩可以通過測量球上分布的光線強(qiáng)度來表示，證明傳統(tǒng)的“理想”切工是令人滿意的，并提出一種新的有較深亭角（53°）的切割方法[38]，Dodson J S用此方法測量了一系列寶石的光學(xué)效果[39,40]。

1998年，GIA研究了一個(gè)數(shù)學(xué)三維模型，利用這個(gè)模型可測量寶石的亮度、火彩和閃爍，并介紹了一種可用于評(píng)價(jià)寶石亮度的方法weighted light return (WLR)[41]；2001年，GIA在1998年的研究基礎(chǔ)上，提出用dispersed colored light return(DCLR)來評(píng)價(jià)寶石的火彩，并將WLR與DCLR相結(jié)合來共同評(píng)價(jià)寶石的光學(xué)效果，研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)評(píng)價(jià)切工的系統(tǒng)都忽略了每個(gè)刻面長度的作用，實(shí)際上它對(duì)WLR和DCLR可產(chǎn)生顯著影響[42]。2004年，GIA采用計(jì)算機(jī)模擬光線在圓明亮琢型鉆石中照射路徑的方式，和FireScope、BrillianceScope、ISEE2等儀器，對(duì)鉆石切工進(jìn)行研究以便進(jìn)一步研究其亮度、火彩等[43]，同時(shí)GIA還請鉆石制造商、經(jīng)銷商、零售商和潛在消費(fèi)者評(píng)價(jià)鉆石亮度、火彩和其它切割參數(shù)；2013年，Gilbertson A I研究了彩色刻面寶石的光學(xué)效果，并對(duì)比了在ASET和AG兩種不同的環(huán)境中觀察寶石的特點(diǎn)[44]，發(fā)現(xiàn)人眼對(duì)刻面寶石的明暗對(duì)比有深刻印象，當(dāng)寶石轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，寶石的圖案會(huì)給人眼留下印象。

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）使用鉆石光學(xué)效果觀察儀，對(duì)寶石的亮度、火彩以及閃爍進(jìn)行了評(píng)價(jià)，方法如下：(1)亮度：運(yùn)用鉆石光學(xué)效果觀察儀采集合成立方氧化鋯的光學(xué)效果的實(shí)測圖樣，采用寶石切工仿真分析系統(tǒng)模擬樣品的光學(xué)效果仿真圖樣及可視亮度。通過量化程序統(tǒng)計(jì)樣品實(shí)測圖樣的亮度值以及仿真圖樣的亮度值[34]；(2)火彩：運(yùn)用鉆石光學(xué)效果觀測儀采集鉆石樣品在環(huán)形光線下的圖像，將圖像轉(zhuǎn)換到HSI顏色模型，計(jì)算鉆石的火彩值，并發(fā)現(xiàn)鉆石的火彩值與亭角或者冠角之間并非簡單的線性函數(shù)關(guān)系[33]；(3)閃爍：在特定的照明條件下采集鉆石閃爍的彩色照片，利用編寫的應(yīng)用程序，運(yùn)用CIE 1976 L*a*b*色度空間計(jì)算彩色圖像每一個(gè)像素點(diǎn)的顏色變化，分析鉆石的閃爍特征，獲得鉆石的閃爍評(píng)價(jià)結(jié)果[35]。

Sasian J等[37]也對(duì)圓明亮琢型寶石的亮度、火彩和閃爍做過評(píng)價(jià)，他們采用光線追蹤的方法，使用ASET，發(fā)現(xiàn)在cutter’s line附近，寶石可以展現(xiàn)較好的光學(xué)效果。

計(jì)算機(jī)技術(shù)可以用來觀察刻面寶石的光學(xué)效果，Wang D D等人還用該技術(shù)對(duì)歐泊的變彩效果進(jìn)行了分級(jí)[45]。

4 結(jié)論

(1)定量評(píng)價(jià)寶石顏色時(shí)，可使用Color i5測色儀、X-riteI5分光光度儀、Color Eye7000A測色儀、USB2000光纖光譜儀等，還可使用比色石或者色卡。

(2)評(píng)價(jià)寶石顏色時(shí)，常使用的顏色體系為CIE 1976 L*a*b*均勻色空間，也可使用CIE 1931，GIA、GIT等國外研究機(jī)構(gòu)通常選用的Munsell顏色體系。

(3)測量寶石光學(xué)效果的儀器有Fire Scope、ASET instrument、Brilliance Scope、Diamond Integrator、鉆石光學(xué)效果觀察儀。

(4)對(duì)寶石光學(xué)效果的研究方法主要有兩種，一種是通過光線追蹤，另一種是通過攝影技術(shù)對(duì)寶石的圖像特征進(jìn)行研究。

(5)除了寶石本身的性質(zhì)，觀察的位置、光線的明暗、背景的圖案等也會(huì)對(duì)寶石的光學(xué)效果產(chǎn)生影響。