鉆石光學效果研究現狀

萬曉昌，劉欣蔚，翟少華，鄭麗珊

1.煙臺黃金職業學院，煙臺 264010

2.江西應用技術職業學院，贛州 341000

3.江蘇省黃金珠寶檢測中心，南京 210016

4.成都理工大學，成都 610000

鉆石光學效果是指鉆石的亮度、火彩和閃爍綜合在一起所呈現的鉆石外觀。對于這三個概念，美國寶石學院（Gemological Institute of America，簡稱GIA）、美國寶石學會（American Gem Society，簡稱AGS）等機構以及國內的陳鐘惠教授和袁心強教授等都給出了相應的定義。本文采用袁心強教授的定義[1]，將亮度分為外部亮度及內部亮度，分別指鉆石表面和內部反射出的白光的亮度。鉆石表面的反射又稱為光澤，內部反射主要是亭部刻面的全反射，這二者是鉆石亮光的主要組成部分。火彩是鉆石色散造成的色光。閃爍是在光源移動，或者是觀察者觀察角度變化時，鉆石的刻面對光源的反射所產生的明暗交替變化現象。

研究鉆石光學效果的機構有很多，例如美國寶石學院、美國的GemEx 公司、以色列的Sarine 集團、俄羅斯的莫斯科國立大學（MSU）以及中國地質大學（武漢）等。這些機構的研究不僅豐富了鉆石光學效果的理論，而且研發了大量測量儀器，例如GemEx 公司的Brilliance Scope，Sarine 集團的Sarine Light，Optical Gem Inclusion（OGI）公司的Firetrace，以及中國地質大學（武漢）的鉆石光學效果測量儀等。了解鉆石光學效果的研究機構以及研究成果，有利于更好地理解鉆石切工的評判標準，對于珠寶市場尤其是鉆石市場有非常大的指導作用。

1 GIA

GIA，美國寶石學院，1931 年創立，提出的鉆石4C 標準是國際珠寶界的通用標準。

1.1 GIA 關于亮度的研究

自1989 年開始，GIA 致力于利用計算機研究鉆石的光學效果，在1998 年發表的文章中提出了一種用于計算鉆石亮度的數學模型，即Weighted Light Return(WLR)，利用三角函數對鉆石的光返回值進行加權[2]。由于不同角度射出的光線使眼睛對亮度的察覺程度不同，當觀察者正對臺面時，垂直臺面射出的光線要比斜射出臺面的光線對亮度的貢獻更大。因此，該數學模型采用對不同角度的光線進行加權的方式模擬計算鉆石的亮度，如圖1。采用加權函數著重于調整光線從虛擬物體中射出的角度，而不是光線從哪個面射出。GIA 在檢測了數萬顆具有不同尺寸與比例的鉆石并對其冠角、亭角、臺寬比等角度和比例進行分析之后，認為鉆石的同等亮度可以由不同的切工比例組合實現[2]，例如不同的臺寬比和亭深比有時會出現相同的亮度。

1.2 GIA 關于火彩的研究

2001 年，GIA 建立了用于計算火彩的Dispersed Colored Light Return（DCLR）模型，此模型應用場景為一個模擬現實觀察環境的半球裝置，如圖2。在這個半球頂部有一個觀察孔，觀測角度為3°，從孔中觀察鉆石臺面垂直腰圍部分是暗的。在半球的頂部有一個黑環，用于模擬真實觀察過程中頭部對光線的阻擋作用，此黑環的外徑與鉆石臺面的中心法線成23°。進入觀測孔的漫反射光照射到鉆石上，發生色散，分解為組成色光，在半球表面形成色帶，這些色帶由彩色斑點組成，將反射至半球上的彩色斑點平面化，如圖3，即可計算鉆石的火彩[3]。

圖2 DCLR 半球裝置[4]Fig.2 DCLR hemispherical mount [4]

圖3 DCLR 半球裝置觀測方法及投影色斑[3]Fig.3 DCLR hemispherical device observation method and projection color spots [3]

1.3 GIA 關于閃爍的研究

2004 年，GIA 發明了一個簡單的觀察鉆石光學效果的環境裝置，即Common Viewing Environment（CVE）系統，用于人工觀察鉆石的光學效果，如圖4。為模擬鉆石現實的觀察環境，設計了多個明暗條帶交替的半球裝置，如圖5，并且對WLR 與DCLR 進行了修正。盡管GIA 進行了很多嘗試，但未能建立鉆石閃爍的計算模型[4]。

圖4 CVE 光學效果觀察系統[4]Fig.4 CVE optical effect observation system [4]

圖5 模擬真實觀察環境的半球[4]Fig.5 Hemisphere simulating real observation environment[4]

2006 年，GIA 在綜合鉆石的亮度、火彩、閃爍（基于外觀的方面）、拋光和對稱性（工藝方面）等七個要素的基礎上，總結發布了鉆石切工等級，以鉆石切工的臺寬比、冠高比等比例以及冠角、亭角等角度的組合作為最主要的參考依據，對鉆石的切工等級進行劃分[5]。盡管GIA 同時發布了鉆石切工等級評價的在線程序軟件GIA Facetware?，但未能真正實現利用計算機直接測量鉆石光學效果的想法。

2 AGS

AGS，美國寶石協會，成立于1934 年。20 世紀90 年代初，AGS 即致力于發展鉆石的分級制度。與其他機構不同的是，AGS 鉆石分級制度將鉆石4C 分級標準中最重要的切工（Cut）公式化，即采用比例、拋光等在內的11 種要素對鉆石切工進行分級，每種要素對于切工等級重要性的占比不同，進而將鉆石的切工分級帶入新的階段。1996 年，AGS 成立了自己的實驗室American Gem Society Laboratory（AGSL），開始著手鉆石切工分級的研究。首先進行的是二維比例分級，即平面研究，2003 年的文章中[6]研究了角譜（角譜即在半球投射的圓形光譜，每個點代表一個光的方向，在此方向可使小的平面反射發光）、光線追蹤以及結構化光源等對鉆石外觀的影響，為后續的工作奠定了基礎；2005年開始利用光線追蹤的方法進行三維光學性能分級；2007 年的文章中系統地總結了鉆石亮度、火彩、閃爍的產生以及計算[7]，之后推出自己的切工分級標準。

AGS 利用計算機編程對鉆石切工進行分級，推出了AGS Performance Grading Software 這款軟件，配合Sarine 或者OGI 的鉆石比例掃描儀使用，也可作為插件；并且發明了Angular Spectrum Evaluation Tool（ASET）裝置，如圖6，用于觀察鉆石的光學效果，分為商用和便攜兩種類型。

圖6 ASET 商用款（a、b）與便攜式（c）[7]Fig.6 ASET commercial(a、b) and portable(c)[7]

2.1 AGS 關于亮度的研究

AGS 關于亮度的計算是將觀察距離定為250mm，將觀察環境看作一個半球并分為三個部分，如圖7，藍色部分為高角度90°～75°，這一部分的光線在實際觀察時通常會被觀察者的頭部阻擋；紅色部分為中角度75°～45°，這一部分光是人眼觀察到的最主要的光線；綠色部分為低角度45°～0°。利用光線追蹤的原理，對返回的光線顏色進行編碼，如圖8。經研究發現[7]，對于標準圓明亮琢型的鉆石而言，冠部亮度的20.5%來自高角度，67%來自中角度，7.2%來自低角度，5.3%的光漏出。根據AGS 研究制作的ASET 的亮度矩陣圖，如圖9-a，不同切工比例的鉆石可獲得不同的編碼圖，根據所獲得的編碼圖中藍色、紅色、綠色、灰色的多少以及分布情況來評價鉆石的亮度。

圖7 AGS 觀察半球角度劃分圖[7]Fig.7 AGS observation hemisphere angle division map[7]

圖8 AGS 亮度編碼圖，藍色為90°-75°入射光，紅色為75°-45°入射光，綠色為45°-0°入射光，灰色為泄露的光[7]Fig.8 AGS brightness code diagram,the blue light is 90°-75° incident light,the red light is 75°-45° incident light,the green light is 45°-0° incident light,and the gray light is leaked light[7]

圖9 a -ASET 亮度矩陣示意圖，b -火彩矩陣示意，c -閃爍矩陣示意圖[7]Fig.9 a -ASET matrix schematic diagram about brilliance，b -fire，c -scintillation(c)[7]

2.2 AGS 關于火彩的研究

AGS 關于火彩的計算是將觀察距離定為250mm，將光線波長規定在420nm 和620nm 之間。鉆石的色散值為0.044，光線進入鉆石被線性地分解為幾個毫米，并組合成不同大小的色塊，人眼對于不同色塊大小的捕捉能力不同，有些色塊太小只有一種顏色，有些色塊比較大則有多種顏色。根據照明條件以及人眼能捕捉到的色塊大小，將火彩人為區分為不同的顏色，用于表示人眼能夠捕捉到的色塊大小。圖10-a 表示觀察者看到的火彩圖，10-b 表示光源逆向追蹤的火彩圖，兩者光線來源方向不同，顏色不同，10-a 中光線來源于光源方向，10-b 中光線來源于人的眼睛的方向。圖10-c 為色級圖：灰色表示模糊，低角度光線或有光線漏出；暗橙色表示色塊小于或等于2.0mm；橙色表示色塊在2.0mm 和4.2mm 之間；淺橙色表示色塊在4.2mm 和6.4mm 之間；而黃色表示色塊大于6.4mm。其中觀察者看到的火彩圖是評估鉆石火彩的主要工具，根據AGS 研究制作的ASET 火彩矩陣圖，如圖9-b，不同切工比例的鉆石可獲得不同的火彩編碼圖，根據所獲得的編碼圖中顏色的分布情況來評價鉆石的火彩。

圖10 AGS 火彩圖[7]Fig.10 AGS fire color map[7]

2.3 AGS 關于閃爍的研究

AGS 關于閃爍的計算是根據菲涅爾定律，一束光線進入寶石后被分裂成很多束光線，因此當觀察寶石時會發現，它的外觀由比實際刻面數量多很多的小刻面組成，如圖11。AGS稱這些刻面為虛擬刻面，這些虛擬刻面對閃爍有非常大的影響。因此，AGS采用六種不同顏色的結構性光源組成同心圓狀扇形光源和放射狀光源，如圖12，顏色分別為紅色、綠色、藍色、青色、品紅色和黃色，當光線照射到半球時，虛擬刻面會產生色斑的變化。根據AGS 研究制作的ASET 閃爍矩陣圖，如圖9-c，不同切工比例的鉆石可獲得不同的閃爍編碼圖，根據所獲得的編碼圖中顏色的變化情況來評價鉆石的閃爍。

圖11 AGS 虛擬刻面與不同結構光源的閃爍圖[7]a-同心圓扇形光源的閃爍圖b-放射狀光源的閃爍圖Fig.11 Flicker diagram of AGS virtual facet and different structure light sources[7]a-the flicker diagram of concentric circle fan light source b-the flicker of radial light source Figure

圖12 AGS 結構性光源[7]a-中角度同心圓狀扇形光源 b-中角度放射狀光源Fig.12 AGS structure light source[7]a-the flicker diagram of concentric circle fan light source b-medium angle flicker of radial light source Figure

AGS 的切工等級分為11 個分級要素[8]，分別是：亮度、火彩、漏光、對比度（光性能因素）、腰圍厚度、底尖大小、重量比、耐久性、比例（比例因素）、拋光和對稱（完成度因素）。每個分級要素對應著11 個等級（表1）：0 為理想，1 為優秀，2 為很好，3～4 為好，5～7 為一般，8～10 為差。利用鉆石比例掃描儀對鉆石進行掃描，在AGS Performance Grading Software（PGS）中對11 個要素進行分級，某個要素達到哪個等級就對應著某個分數，分數相加，分數越高則切工級別越低。

表1 AGS 切工等級表Table 1 AGS cut grades

3 Sarine

Sarine 中文譯名尚靈，是以色列的一家公司，專注于鉆石行業，從毛坯設計、切割到成品分級都有涉獵。Sarine 是目前為止利用光學性能進行鉆石分級比較成熟的公司，其自主研發的Sarine Light（圖13）裝置通過對來自多個國家的23000 多顆鉆石樣品的測量研究，將鉆石的光學效果的要素分為四個：亮度、火彩、閃爍、光對稱性[9]。

圖13 Sarine 公司的Sarine Light 裝置[9]Fig.13 Sarine light device of sarine company[9]

Sarine 通過直接測試的方法對鉆石的光學效果進行測量，模擬觀察過程中的動態環境設計了類似于GIA 半球的裝置，如圖14，可以為鉆石提供360°的旋轉觀察。半球由黑白相間的區域組成，當光線照射到白色部分時光線返回鉆石，當光線照射到黑色部分時光線被吸收，從而模擬鉆石的動態觀察環境。

圖14 Sarine 的半球裝置[9]Fig.14 Semi-spherical device of sarine company[9]

3.1 Sarine 關于亮度的研究

Sarine Light 裝置在半球旋轉時對鉆石進行拍攝，之后將拍攝圖像的每個像素記錄為三個分量，被稱為Y、U、V。Y 用于計算亮度，亮度表示方法為計算合成圖像（由儀器拍攝的所有圖像組成的鉆石圖像）的灰度值，灰度值越高，亮度越高；U 和V 是色度（顏色）分量，U、V 值描述了顏色及其強度——值越高，強度越高。

3.2 Sarine 關于火彩的研究

3.3 Sarine 關于閃爍的研究

閃爍由對比度、動態火彩和靜態火彩三個因素共同計算。對比度是當半球旋轉時分析每張圖片的相同像素的灰度值的變化，如果高于某個閾值則該像素被記為有對比，用標記像素的數量除以總像素點數，就可以確定對比度。

3.4 Sarine 關于對稱性的研究

光對稱性是指在鉆石的切工與內含物影響下光的分布情況。光對稱性是通過從儀器記錄的多個圖像中合成一個灰度級圖像來計算的，將圖像均分為8個單元，每個部分相差45°，系統計算每個單元的實際灰度和該組的平均值之間的差值，對這些差值求和，值越高則對稱性越低，可能是由于切磨不對稱或者內含物所致。

亮度、火彩、閃爍、光對稱性這四個分級要素都分為5 個級別：優異、非常高、高、標準、中等，先對四個分級要素進行分級，之后再通過匯總得出總的級別，如表2。

表2 Sarine 切工等級表[9]Table 2 Sarine cut grades [9]

4 GemEx

GemEx，美國的一家專門從事光學性能研究的公司，鉆石業務只是他們的一個分支。早在1999 年，GemEx 就成功研制了利用計算機直接計算鉆石光學效果的儀器BrillianceScope，是一種比較大型的儀器，由機箱檢驗設備與電腦連接。國內企業對其進行了改版，如圖15，利用球體上的開口和環形光源制作了一個360 度的圓錐體，通過光源的上下調節可以調整拍攝角度，從5 個不同方位拍攝照片，通過分析照片計算亮度、火彩和閃爍。

圖15 GemEx 的BrillianceScope 簡易版及其拍攝角度Fig.15 BrillianceScope simplified version of Gemex and its shooting angle

亮度根據返回觀察者眼睛的白色光的比例進行計算，火彩根據返回觀察者眼睛的彩色光的比例進行計算，閃爍通過計算亮點以及其改變情況進行計算。

GemEx 的分級要素為亮度、火彩和閃爍，每個分級要素又分為四個級別，分別是很高、高、中等、低，如圖16。GemEx 只出具光學性能的證書，不做鉆石其他方面的分級，并稱出于保護消費者的目的，其光學效果的分級標準自問世一直未有改動。

圖16 GemEx 切工等級示意圖Fig.16 Schematic diagram of Gemex cut grade

5 中國地質大學（武漢）珠寶學院

中國地質大學（武漢）珠寶學院為國內較早研究鉆石光學效果的機構，袁心強課題組石斌博士在2007 年研發寶石切工仿真分析系統，利用光線追蹤的原理模擬寶石光學效果[10,11]；劉萍萍博士2010 年發明了鉆石光學效果觀測儀，如圖17 所示，主要由樣品臺、光源、攝像頭、電腦組成，光源為環形光源，可在6 種不同入射角度的環形光線下采集鉆石圖像。

圖17 鉆石光學效果觀測儀裝置[13]a-鉆石光學效果觀察儀；b-LED 光源平面；c-6 組燈珠控制開關Fig.17 Diamond optical effect observation instrument device[13]a-diamond optical effect observer;b-LED light source plane;c-6 groups of lamp bead control switches

5.1 關于亮度的研究

2014 年劉萍萍博士發表了亮度測量方法[12]。通過鉆石光學效果觀測儀拍攝圖片，其圖片為真彩色位圖文件，每張圖片有30 萬個像素點，每一個像素點都由RGB 三個數值表示。根據樣品冠部對應位置射出并進入觀察者眼睛的光線強度，將圖樣中的每一個像素點從黑到白分成0～255，表示不同的明亮程度，0 表示黑色，即這一點上沒有光線射出；255 表示最大亮度，為最明亮的白色，累加每一個像素點的亮度值作為圖片的亮度總值，表征樣品的亮度[13]。

5.2 關于火彩的研究

2016 年劉萍萍博士發表了測量鉆石火彩和閃爍的方法[13,14]。火彩的計算運用HSI（色調、飽和度、亮度）顏色模型轉換技術，將圖像由RGB 顏色模型轉換到HSI 顏色模型進行處理，計算鉆石的火彩值。按照先橫向再縱向的順序依次對圖像中的像素點進行掃描，獲取RGB 信息，并轉化為HSI 數值。所有色調均屬于火彩，在計算過程中不考慮像素點的色調（H），僅考慮像素點的飽和度（S）和明亮度（I）。當I 為0 時，像素點為黑色，I 越大，像素點的明亮度越高。S 為0 時，像素點沒有色彩,根據明亮度從小到大為黑、灰、白，飽和度越大，像素點的顏色越鮮艷。彩色點判定條件為飽和度（S）≥25%，明亮度（I）≥20%,飽和度大于25%且明亮度大于20%的點，判定為火彩點，進行下一步計算，不滿足條件的點直接跳過。將這些值進行加和，最后進行歸一化處理得到火彩值。

5.3 關于閃爍的研究

2016 年劉萍萍博士發表的鉆石閃爍的計算方法：在6 種不同入射角度的環形光線下采集鉆石圖像，共采集六張圖像并進行分析。采用CIE1976L*a*b*色度空間中的色差計算公式對圓明亮型鉆石的圖像進行數據處理，獲得鉆石的閃爍強度值。計算方法為，首先將RGB 值轉化為XYZ 值，然后依據色差公式計算出相鄰光源照射獲得的2張圖像中每一個坐標位置的像素點的色差值，小于等于12NBS 的點沒有發生閃爍效果，直接跳過不予計算；大于12NBS 的點判定為閃爍點，數據保留參與計算。

6 其他機構

除上述機構或企業外，對鉆石光學效果開展研究的還有以下機構：

OGI，研發了Firetrace，使用光線追蹤技術測試鉆石的光學效果，分級要素為亮度、火彩、閃爍，每個要素分為優秀、很好、好、一般四個等級。

莫斯科國立大學的Diamcalc 是一款非常優秀的鉆石仿真模擬軟件，能夠模擬多種光源下的鉆石的光學效果，并且收錄了包括GIA、AGS、HRD 等多家實驗室的分級評價體系，能夠根據鉆石的比例直接評判鉆石的切工等級。

戴比爾斯的IRIS 火光觀測儀也能夠在其相對較大的門店當中見到；加里·霍利的Ideal Scope 是改版其收購的最早的鉆石光學效果觀察的小儀器Fire Scope；還有如布魯斯·哈丁、邁克爾·考林等眾多的研究學者也在研究鉆石的光學效果這一課題，并且成果豐富。

7 結論

鉆石光學效果是目前比較熱門的課題，在上世紀70 年代提出后不斷發展，近些年隨著人們審美的變化，對鉆石切工質量的評價將不僅僅滿足于鉆石的切工分級，而是希望能夠更加直觀地對鉆石的光學效果進行評判。GIA 和AGS 作為這一研究領域的先行者，更多的是建立鉆石切工的二維評價體系，依然停留在用比例等要素對光學效果進行分級的階段；中國地質大學（武漢）和莫斯科國立大學則更偏學術；Sarine 在商業領域的探索更具前沿性，不僅有自主研發的儀器，而且有評價體系，在國內和NGTC 等機構展開合作，更有商業應用性。未來，光學效果如作為評價鉆石價值的另一個要素體現在國家標準當中，將更加引起人們的重視。