對寶石光學效果的研究及評價

劉富康

中國地質大學（北京）珠寶學院，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、凈度等物理化學性質；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、亮度、飽和度、火彩以及閃爍[4]都會影響寶石的美觀度。

自古以來，寶石學家為最大限度地展現寶石的美麗，對其光學效果進行了多方面的研究，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效應，如星光效應[6]等。

1 顏色評價

我國發布的各種寶石評價標準中，都包括了對寶石顏色的評價。在紅寶石、藍寶石、祖母綠、鉆石、黃色鉆石、翡翠、無色透明翡翠、綠松石等寶石的評價標準中[7-12]，利用比色法對寶石顏色的色調、明度和飽和度進行評價，評價方法是在一定條件下，將寶石和分級標樣或色卡進行比較；在紅寶石、藍寶石、祖母綠的評價標準中，可以通過肉眼觀察，對寶石的火彩進行評價；在黃色鉆石和翡翠的評價標準中，通過肉眼觀察，對寶石顏色的均勻性做出評價。世界上一些寶石實驗室也對寶石的顏色做出相關研究并對寶石顏色做出評價，比如GIA[13]，HRD，SSEF，FGA[14]等。

評價寶石顏色需要選擇合適的顏色體系。GIA、GIT等國外研究機構通常選用Munsell顏色體系對寶石顏色進行對比測量，但Munsell顏色體系并不側重顏色的定量描述。而CIE(國際照明委員會)標準色度學系統對顏色的表示方法、測量原理和計算方法等都做了系統規定，可直接應用于儀器對寶石顏色色度參數進行測量，并具有不同顏色系統相互轉換的優勢。CIE 1931的色度參數三刺激值不能直接對應于人眼看到顏色的一些屬性（色調、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對翡翠、紅寶石、藍寶石[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價。使用Color i5測色儀，通過CIE L*a*b*、CMC（l: c）、CIE DE2000三個色差公式的計算，討論翡翠、紅寶石各顏色參數在顏色質量評價中的貢獻[21-23]；在對紅寶石的顏色進行定量分級時，使用X-riteI5分光光度儀對紅寶石樣品進行反射測試，將色調角(h°)、飽和度(C*)、亮度(L*)分別進行定量化分析，綜合考慮飽和度和亮度，根據色調的不同對紅寶石的顏色進行劃分，最終綜合考慮顏色三要素，給出紅寶石定量質量等級劃分[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間的明度均值與不同非彩色背景明度做無重復雙因素方差分析，探討了不同非彩色背景明度對祖母綠綠色明度的影響[24]；使用Color i5測色儀、標準光源箱、KONICA MINOLTA CL-200照度計、SPSS16.0統計分析軟件，測量錳鋁榴石的明度、彩度及色相，并對其顏色做出質量評價[25]。

張輝等[26]使用美國格靈達-麥克貝斯的Color Eye7000A測色儀測得反射光譜，選用CIE 1931-XYZ坐標空間，計算翡翠的Munsell標號，按色調、明度、飽和度的形式進行記錄，利用Gemdialogue色卡確定樣品的顏色標號然后轉換為Munsell顏色標號與前者進行比對和驗證，討論顏色度量方法在翡翠顏色評價中的應用；王蓉等[27]使用USB2000光纖光譜儀，量化翡翠顏色的參數指標，評定其優劣；GIA和HoWard Rubin分別使用GemSet和GemDialogue，借助色卡或色板對寶石顏色的三要素進行標定[28]。

圖1 藍寶石顏色模擬色塊Fig.1 Color simulation of sapphire

2 切工及評價儀器

影響寶石光學效果的因素主要為寶石的化學成分[29]、內部結構、光學對稱性、包裹體等特征，其中影響最大、并且人為可控的因素為切工，所以對切工和光學效果的關系的研究也最多。寶石學家為了盡可能地展現寶石的光學效果，提出了多種琢型，包括美國理想琢型、歐洲琢型等；Tamura設計出具有“完美對稱性”的Eight Star鉆石，隨后又設計出其衍生品Hearts-and-Arrows鉆石；研究發現 Eight Star 鉆石的亮度、閃爍和火彩比一般比例的鉆石的都要強，比同等質量的一般鉆石看上去更大[30]；張蘊韜等[31]研究了八箭八心是一種圓明亮型琢型所具有的光學現象，與寶石材料本身無關，產生八箭八心的條件有兩個：其一要有嚴格的對稱性，其二要有嚴格的比例；之后又有十箭十心切工產生，石斌[32]發現，在不同角度光源照射下，十心十箭鉆石的亮度均超過標準圓鉆的亮度。之后，各種寶石切工層出不窮，包括九心一花、千禧切工、藍色火焰等耀眼切工。

為評價各種琢型的切工以及光學效果，各個公司及組織也發明了相關儀器。1987年，日本設計出一種評價鉆石切工和對稱性的工具Fire Scope[30]，白光光源通過紅色擋板反射進入鉆石冠部，在10倍放大鏡下觀察鉆石冠部和評價鉆石的光學效果；2008年，美國寶石協會（American Gem Society）研發了定量分析鉆石光學效果的儀器ASET，令藍色、紅色、綠色光線入射鉆石冠部（其中藍色光線入射角度為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鉆石亮度、火彩、閃爍的影響，結果顯示紅色光線（入射角度45°～75°）對鉆石的光學效果貢獻最大；2011年，戴比爾斯百年公司（De Beers Centenary AG）研發了一種定量分析鉆石光學效果的儀器，光源為4組LED燈珠組成的環形光，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的方法，采集多張圖像進行數據分析；2012年，美國捷邁克斯公司（Gem Ex）研發了定量分析鉆石光學效果的裝置Brilliance Scope，光源為窄環形光圈，通過上下移動光源平面的方法，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、很高四個級別；2012年，以色列Sarin Color Technologies Ltd，發明了定量分析鉆石光學效果的裝置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，光線從半球內部反射到鉆石冠部，半球圍繞X軸旋轉，采集多張圖像，分析鉆石的亮度、閃爍、對稱性，綜合得出總級別[33]。中國地質大學（武漢）珠寶學院對使用計算機評價鉆石切工的方法進行了一系列研究，并且研發了鉆石光學效果觀察儀[33-35]。

圖2 ASET原理圖：光線可以從各個角度射入，紅色光線指的是直射光，是最強的；綠色光線指的是反射光；藍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 寶石光學效果的評價方法

寶石的外觀表現和其切工質量密切相關，好的切工可以盡可能地展現寶石的光學效果，這些光學效果主要為亮度、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反射及少部分的表面反射；火彩為當白光照射到透明刻面寶石時，因色散而使寶石呈現光譜色的現象；閃爍為當寶石、光源或者觀察者移動時，觀察者所見到的寶石所產生的白光、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。他借助計算機技術，假想鉆石周圍有一個球體，明亮度、閃光和火彩可以通過測量球上分布的光線強度來表示，證明傳統的“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效果[39,40]。

1998年，GIA研究了一個數學三維模型，利用這個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價寶石亮度的方法weighted light return (WLR)[41]；2001年，GIA在1998年的研究基礎上，提出用dispersed colored light return(DCLR)來評價寶石的火彩，并將WLR與DCLR相結合來共同評價寶石的光學效果，研究發現大多數評價切工的系統都忽略了每個刻面長度的作用，實際上它對WLR和DCLR可產生顯著影響[42]。2004年，GIA采用計算機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，對鉆石切工進行研究以便進一步研究其亮度、火彩等[43]，同時GIA還請鉆石制造商、經銷商、零售商和潛在消費者評價鉆石亮度、火彩和其它切割參數；2013年，Gilbertson A I研究了彩色刻面寶石的光學效果，并對比了在ASET和AG兩種不同的環境中觀察寶石的特點[44]，發現人眼對刻面寶石的明暗對比有深刻印象，當寶石轉動時，寶石的圖案會給人眼留下印象。

中國地質大學（武漢）使用鉆石光學效果觀察儀，對寶石的亮度、火彩以及閃爍進行了評價，方法如下：(1)亮度：運用鉆石光學效果觀察儀采集合成立方氧化鋯的光學效果的實測圖樣，采用寶石切工仿真分析系統模擬樣品的光學效果仿真圖樣及可視亮度。通過量化程序統計樣品實測圖樣的亮度值以及仿真圖樣的亮度值[34]；(2)火彩：運用鉆石光學效果觀測儀采集鉆石樣品在環形光線下的圖像，將圖像轉換到HSI顏色模型，計算鉆石的火彩值，并發現鉆石的火彩值與亭角或者冠角之間并非簡單的線性函數關系[33]；(3)閃爍：在特定的照明條件下采集鉆石閃爍的彩色照片，利用編寫的應用程序，運用CIE 1976 L*a*b*色度空間計算彩色圖像每一個像素點的顏色變化，分析鉆石的閃爍特征，獲得鉆石的閃爍評價結果[35]。

Sasian J等[37]也對圓明亮琢型寶石的亮度、火彩和閃爍做過評價，他們采用光線追蹤的方法，使用ASET，發現在cutter’s line附近，寶石可以展現較好的光學效果。

計算機技術可以用來觀察刻面寶石的光學效果，Wang D D等人還用該技術對歐泊的變彩效果進行了分級[45]。

4 結論

(1)定量評價寶石顏色時，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)評價寶石顏色時，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等國外研究機構通常選用的Munsell顏色體系。

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

(4)對寶石光學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對寶石的圖像特征進行研究。

(5)除了寶石本身的性質，觀察的位置、光線的明暗、背景的圖案等也會對寶石的光學效果產生影響。