鉆石光學(xué)效果觀察儀器的研究綜述

吳倩倩

1. 蘇州工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215000 2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）珠寶學(xué)院，武漢 430000

前言

鉆石的切工和光學(xué)效果研究已經(jīng)有幾百年的歷史。從1919 年馬歇爾?托爾可夫斯基的二維光線追蹤研究開始，鉆石的光學(xué)效果研究進(jìn)入一個(gè)精確數(shù)學(xué)運(yùn)算的新里程碑[1]。隨后，大量寶石專家和機(jī)構(gòu)都陸續(xù)開展了鉆石的二維計(jì)算和三維仿真模擬研究，以確定最佳切磨比例。其中，三維仿真研究以美國(guó)寶石學(xué)院（Gemological Institute of America，簡(jiǎn)稱GIA）[2-3]、美國(guó)寶石協(xié)會(huì)（American Gem Society，簡(jiǎn)稱AGS）[4]和Cut group（以O(shè)ctoNus 公司、莫斯科國(guó)立大學(xué)寶石學(xué)中心等機(jī)構(gòu)組成的切工研究組）的仿真研究[5]為代表，國(guó)內(nèi)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）珠寶學(xué)院的石斌博士也開發(fā)了仿真模擬軟件[6]。由于仿真模擬在反映鉆石實(shí)際光學(xué)效果上有不可避免的局限性，在2006 年GIA頒布的分級(jí)體系中，主要依據(jù)人眼觀察大量鉆石，得出不同切工參數(shù)鉆石的光學(xué)效果規(guī)律，以此來制定切工分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7]，以鉆石的臺(tái)寬比、冠角、亭角、星刻面比例、下腰刻面比例等參數(shù)的組合作為最主要的參考依據(jù)。

一般認(rèn)為，一粒鉆石切工越好，它所呈現(xiàn)的光學(xué)效果也會(huì)越好。鉆石的光學(xué)效果主要可分為亮度、火彩和閃爍。英國(guó)寶石協(xié)會(huì)[8]、陳鐘惠[9]、袁心強(qiáng)[10]、GIA[11]、AGS[4]、Cut Group[12]等機(jī)構(gòu)或個(gè)人都對(duì)鉆石的亮度、火彩、閃爍進(jìn)行了定義。各機(jī)構(gòu)的定義比較接近。本文以袁心強(qiáng)的定義為主：鉆石的亮度是指鉆石表面和內(nèi)部反射出的白光量；火彩是指鉆石反射的色光；閃爍是指鉆石或光源移動(dòng)、或觀察者角度變化時(shí)，刻面對(duì)光源的反射或發(fā)生明暗交替變化的現(xiàn)象。除亮度、火彩、閃爍之外，有些機(jī)構(gòu)將反映鉆石光學(xué)圖形幾何規(guī)律方面的特性也納入到了對(duì)鉆石光學(xué)效果的考量中。例如以色列的Sarine 公司將光對(duì)稱性納入到了對(duì)鉆石的光學(xué)效果的評(píng)定中[13]，AGS 和Cut group 將對(duì)比度納入到了對(duì)鉆石光學(xué)效果的考慮中[4, 12]。

為了便于觀測(cè)鉆石的光學(xué)效果，并和切工質(zhì)量相互佐證，近四十年來，日本、美國(guó)、俄羅斯、以色列、中國(guó)等國(guó)家都開發(fā)研制了相應(yīng)的設(shè)備。除了大眾熟知的鉆石八箭八心觀察儀之外，近些年國(guó)際上比較有代表性的設(shè)備有Sarine 公司的鉆石光性能測(cè)量?jī)x和Gemex 公司的環(huán)形光源鉆石分析設(shè)備。國(guó)內(nèi)主要有中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）珠寶學(xué)院劉萍萍博士研制的鉆石光學(xué)效果定量分析儀器。這些設(shè)備根據(jù)發(fā)展階段，可以分為三大類：其一是早期發(fā)明的為觀察鉆石特殊圖案的裝置，光源結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單；其二是能更大程度體現(xiàn)鉆石火彩和閃爍的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的觀察設(shè)備；其三是可定量分析鉆石亮度、火彩、閃爍等光學(xué)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)備。

鉆石是具有最高市場(chǎng)占有率的珠寶消費(fèi)品，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和珠寶行業(yè)的發(fā)展有著重大意義。鉆石光學(xué)效果測(cè)試技術(shù)的提升有助于提高鉆石分級(jí)水平，促進(jìn)鉆石加工工藝水平提升，提升國(guó)家在國(guó)際珠寶科技領(lǐng)域的地位。本文將對(duì)這一重要技術(shù)領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行介紹，希望給珠寶領(lǐng)域技術(shù)人員以及珠寶行業(yè)相關(guān)人員一些指導(dǎo)和啟發(fā)。

1 鉆石圖案觀察儀

借助儀器直接觀察鉆石光學(xué)效果的觀念起源于日本寶石學(xué)家Kazumi Okuda 發(fā)明的彩色反射器。上世紀(jì)80 年代，Okuda 發(fā)明的光學(xué)紅圈小放大鏡是第一批用來觀察鉆石小面切磨精度的工具之一[14]。隨后，Okuda 與日本鉆石商兼研究員Tsuyoshi Shigetomi 在1984 年開發(fā)了鉆石觀察工具FireScope，其下方是發(fā)散的白色光源，目鏡部分為粉紅色擋板[15]。觀察者根據(jù)鉆石表面呈現(xiàn)紅色部分的顏色深淺及分布面積，判斷鉆石的亮度情況，紅色部分表示出射光線較強(qiáng)區(qū)域，白色部分是從亭部漏光的區(qū)域，如圖1 所示。

圖1 FireScope觀察儀和鉆石圖像[14]Fig.1 FireScope viewer and captured diamond image

日本專家Kinsaku Yamashita 于1990 年獲得了八箭八心觀察儀專利[16]。目前市場(chǎng)上流行的八箭八心切工鏡底端有一個(gè)黑色的放置鉆石的底座、中部是一個(gè)藍(lán)色的塑料圓柱，圓柱的另一端為放大鏡，裝置的最上端為一個(gè)白色的觀察鏡。當(dāng)觀察八箭八心鉆石的冠部時(shí)，鉆石呈現(xiàn)八箭；當(dāng)觀察鉆石亭部時(shí)，鉆石呈現(xiàn)八心，如圖2 所示。

圖2 八箭八心鉆石切工鏡（圖片來自[14]，經(jīng)重繪）Fig.2 Hearts&Arrows viewer

隨后，一些專家在Okuda 的原理基礎(chǔ)上，發(fā)明了類似的可供觀察鉆石圖案的彩色儀器。澳大利亞的Garry Holloway 于2001 年發(fā)明了Ideal Scope 觀察儀[17]，相比較FireScope, Ideal Scope 圍繞鉆石冠部的粉紅色覆蓋區(qū)域面積更大，如圖3 所示。同時(shí)，Garry Holloway 在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一套HCA 切割質(zhì)量分級(jí)系統(tǒng)[18]。

圖3 Ideal Scope鉆石切工鏡和采集圖像[17]Fig.3 Ideal Scope viewer and captured diamond image

AGS（美國(guó)寶石協(xié)會(huì)）在2008 年研制了紅綠藍(lán)三色的ASET 裝置[19]，其中藍(lán)色光線照射角度為90°-75°，紅色光線照射角度為75°-45°，綠色光線照射角度為45°-0°。ASET 裝置下的鉆石圖像在細(xì)節(jié)上更加清晰，更有利于對(duì)鉆石的觀察和對(duì)鉆石切工的評(píng)估，如圖4 所示。

圖4 ASET鉆石切工鏡和鉆石圖像[4]Fig.4 ASET viewer and captured diamond image

這類儀器的共同點(diǎn)是都借助角度寬泛的彩色環(huán)形光源顯示出鉆石的光線返回、光線泄漏和對(duì)稱性等情況。然而，在這些儀器下評(píng)估鉆石的切工需要憑借一定的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，儀器僅能對(duì)鉆石的亮度進(jìn)行半定量到定量分析，無法直觀全面得體現(xiàn)出鉆石的火彩和閃爍情況。

2 鉆石光學(xué)效果觀察設(shè)備

為最佳展現(xiàn)鉆石的火彩和閃爍效果，一些公司開始研制使用LED 燈等復(fù)雜光源觀察鉆石光學(xué)效果的設(shè)備，例如美國(guó)的MartinD.Haske 于2004 年發(fā)明了鉆石火彩儀[20]，儀器內(nèi)部隨機(jī)放置多個(gè)小燈泡作為觀察光源，下方樣品臺(tái)為可供旋轉(zhuǎn)鉆石的裝置，用戶可以在寶石成像設(shè)備中觀察到鉆石的火彩圖像。

南京通靈珠寶股份有限公司的沈東軍在2012 年發(fā)明了一種火彩觀察儀[21]，其采用跑馬燈芯片帶動(dòng)LED燈光源間歇閃亮的方式，形成光源旋轉(zhuǎn)變化的效果，光源顏色多樣，更加完美誘發(fā)出鉆石的火彩。2016 年，賀仟泰發(fā)明了一種鉆石火彩演示儀[22]，有兩大組照明燈：每個(gè)大組在每個(gè)圓環(huán)的兩大組相間45 度各有4盞形成十字燈組的照明燈，每盞照明燈都可以各自調(diào)整方位，能夠?qū)︺@石火彩的觀賞提供最佳效果。

Cut group 在2013 年發(fā)表的文章中介紹了一種Vibox 鉆石觀察儀器[12]，如圖5 所示，ViBox 使用暖白色LED 點(diǎn)光源作為照明光源，鉆石樣品臺(tái)和攝像頭均可多角度旋轉(zhuǎn)。ViBox 視頻系統(tǒng)使專家和購(gòu)買者能夠進(jìn)行數(shù)千次高度可重復(fù)的鉆石觀測(cè)，創(chuàng)建大量肉眼評(píng)估數(shù)值以生成“切工優(yōu)劣地圖”。同時(shí)，Cut group 介紹了鉆石光學(xué)效果評(píng)估需要考慮到人眼的對(duì)比度、錯(cuò)覺、雙目差異等生理因素，主張純粹用肉眼評(píng)估鉆石的光學(xué)效果。

圖5 Vibox系統(tǒng)外觀和所攝鉆石圖像[12]Fig.5 Vibox system and captured diamond image

這部分觀察儀器不僅能展現(xiàn)出鉆石的亮光圖案，還能生動(dòng)得展現(xiàn)出鉆石的火彩和閃爍，更能吸引鉆石消費(fèi)者的購(gòu)買欲。由于光源不均勻或鉆石旋轉(zhuǎn)角度大，儀器很難對(duì)鉆石的亮度、火彩和閃爍實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精確和可重復(fù)的定量分析，而僅靠肉眼觀察來評(píng)判所有鉆石的光學(xué)效果優(yōu)劣具有一定主觀性。

3 鉆石光學(xué)效果定量分析設(shè)備和方法

目前，可定量分析鉆石光學(xué)效果的設(shè)備主要有戴比爾斯公司（De Beers Centenary AG）的“IRIS火光觀測(cè)儀”、美國(guó)捷邁克斯公司（Gemex）的BrillianceScope 以及以色列尚靈公司（Sarine）的Diamond Integrator。國(guó)內(nèi)有中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）珠寶學(xué)院劉萍萍博士研制的鉆石光學(xué)效果測(cè)試儀和作者研制的鉆石身份鑒定儀。

戴比爾斯百年公司于2011 年研發(fā)了一種由多個(gè)點(diǎn)光源繞鉆石傾斜旋轉(zhuǎn)的觀察裝置[23]“IRIS 火光觀測(cè)儀”，裝置結(jié)構(gòu)如圖6 所示，該裝置上方為采集圖像的攝像頭，下方為由多個(gè)LED 燈珠圍繞組成的多圈環(huán)形光源，光源下方放置勻光板，攝像裝置和環(huán)形光源裝置的中心同軸。下方為鉆石樣品臺(tái)面朝上放置，鉆石的中心法線和攝像頭的中心軸存在一定的夾角。通過攝像頭采集多張鉆石樣品圖像并在計(jì)算機(jī)中計(jì)算分析鉆石的光學(xué)效果。記錄并分析圖樣閃光的平均紅色，綠色和藍(lán)色值（RGB 值）以及多張圖樣閃光的變化，從而對(duì)鉆石的明亮度進(jìn)行分析[24]。

圖6 戴比爾斯鉆石光學(xué)效果定量分析裝置和拍攝鉆石圖像[23]Fig.6 De Beers diamond optical effect quantitative analysis device and captured diamond image

2012 年，美國(guó)捷邁克斯公司研制的Brilliance Scope 使用360°升降的窄環(huán)形光源來改變?nèi)肷涔獾慕嵌龋謩e照射到鉆石上并采集多張鉆石圖片[25]。按圖中白色區(qū)域的百分比計(jì)算亮度，彩色區(qū)域的百分比計(jì)算火彩，像素點(diǎn)的亮暗變化計(jì)算閃爍，將計(jì)算結(jié)果分為四個(gè)級(jí)別Low、Medium、High、Very High 并以證書的形式展示給消費(fèi)者，儀器外觀和所攝圖像如圖7 所示[26]。

圖7 Brilliance Scope儀器外觀和拍攝鉆石圖片[26]Fig.7 Brilliance Scope device and captured diamond image

2012 年，以色列尚靈公司發(fā)明了分析鉆石光性能的裝置Diamond Integrator[27]，如圖8 所示。鉆石臺(tái)面朝下置于透明玻璃光學(xué)平臺(tái)上，樣品臺(tái)位于裝置上部的中心，樣品臺(tái)周圍為一圈發(fā)光源（使用隔板阻止光源從側(cè)面射入鉆石），平臺(tái)下方為一個(gè)中心有孔的半球體，半球體由四組或八組大小相同的白色和黑色扇形體（或鋸齒狀圖形）相間組成。半球形與鉆石樣品的中心軸重合并繞中心軸旋轉(zhuǎn)，光源發(fā)出的光通過內(nèi)半球體反射進(jìn)入鉆石冠部。半球體孔下為一傾斜鏡面，通過鏡面展現(xiàn)鉆石圖像，然后攝像裝置采集鉆石圖像，計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到鉆石的亮度、火彩、閃爍、對(duì)稱性級(jí)別。對(duì)采集所有圖像進(jìn)行合成，鉆石的亮度值為合成圖像的平均灰度值；火彩被分為靜態(tài)火彩和動(dòng)態(tài)火彩，靜態(tài)火彩通過計(jì)算所有圖像顏色的總和得到，動(dòng)態(tài)火彩通過計(jì)算像素色彩變化的差值得到，將靜態(tài)火彩和動(dòng)態(tài)火彩按比例系數(shù)相加，即為火彩值；計(jì)算每一像素灰度值的變化得出對(duì)比度數(shù)值，結(jié)合動(dòng)態(tài)火彩和靜態(tài)火彩值，綜合得到鉆石的閃耀度；將合成圖像以45°角為遞進(jìn)單位，平均分成八份，系統(tǒng)計(jì)算每個(gè)單元的實(shí)際灰度和該組的平均值之間的差值，對(duì)這些差值求和，即為光對(duì)稱性數(shù)值[13]。

圖8 Diamond Integrator設(shè)備結(jié)構(gòu)圖[13]Fig.8 Diamond Integrator equipment structure drawing

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）珠寶學(xué)院的劉萍萍博士在2014年研制了環(huán)形光源鉆石光學(xué)效果分析設(shè)備[28]。其特點(diǎn)是：樣品臺(tái)中心、環(huán)形光源中心、攝像頭中心三者同軸，光源平面由6 圈小LED 燈均勻排列成同心圓，LED 燈上覆有一個(gè)均勻的散光板，六圈光源由六個(gè)開關(guān)單獨(dú)控制，以便采集多張圖片。圖9為儀器的設(shè)備結(jié)構(gòu)圖、環(huán)形光源設(shè)備圖以及所攝鉆石圖像。將采集到的鉆石圖像像素點(diǎn)的RGB 值轉(zhuǎn)換為YUV 色度空間值，累加所有像素點(diǎn)的Y 值用以表征鉆石的亮度[29]。將圖像像素點(diǎn)的RGB 值轉(zhuǎn)換為HSI 色度空間值，將色彩飽和度S ≥25%，明亮度I ≥20%的點(diǎn)判定為彩色點(diǎn)，累加所有彩色點(diǎn)的明亮度I 值用以表征鉆石的火彩[30]。運(yùn)用CIE1976 Lab 色度空間比較相鄰兩張鉆石圖像之間對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的色差值，累計(jì)所有像素點(diǎn)的色差值用以表征鉆石的閃爍[31]。

圖9 鉆石光學(xué)效果觀察儀示意圖、光源圖和采集圖像[30]Fig.9 Diamond optical effect viewer diagram, light source diagram and captured image

作者在2018 年研制了鉆石身份鑒定儀（專利號(hào)ZL2017 10985819.1）[32]，并發(fā)明了鉆石身份鑒定方法（專利號(hào)ZL 201710985126.2）[33]。該儀器不但可以對(duì)鉆石的光學(xué)效果進(jìn)行定量分析，還能對(duì)鉆石實(shí)現(xiàn)倆倆區(qū)分。鉆石身份鑒定儀使用高精度的窄環(huán)形光源，光源、鉆石和攝像頭的中心軸在一條直線上，光源通過垂直上下移動(dòng)提供不同入射角，攝像頭采集每個(gè)設(shè)定入射角度下的圖像，從而獲得鉆石的圖像系列[32]。光源入射角從9°到34°逐漸增大，每粒鉆石共采集五百多張圖像，并形成連貫的播放視頻，視頻二維碼在圖10 中顯示（讀者可使用微信或優(yōu)酷掃描）。將圖像像素點(diǎn)的RGB 值轉(zhuǎn)換成YUV 值，使用Y 值直接對(duì)亮度進(jìn)行量化；將RGB 值轉(zhuǎn)換成HSV（色相、飽和度、明度）值，通過對(duì)數(shù)值的二次運(yùn)算并結(jié)合機(jī)器視覺的邊緣算子弱化白色亮區(qū)周圍的彩色邊緣，得到符合人眼觀察結(jié)果的火彩值；使用簡(jiǎn)易色差公式計(jì)算相鄰兩張圖片同一位置像素點(diǎn)的色差值，累加的所有色差值即為鉆石的閃爍值。每粒鉆石的圖像系列都能形成亮度、火彩、閃爍曲線。鉆石的亮度和火彩值分別為亮度、火彩曲線的平均值，閃爍值為對(duì)閃爍曲線大于平均值的數(shù)據(jù)求取二次平均，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆石光學(xué)效果的定量分析。對(duì)比兩粒鉆石曲線的相關(guān)系數(shù)，設(shè)定判定閾值，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆石的指紋識(shí)別[33]。

圖10 鉆石身份鑒定儀結(jié)構(gòu)圖和一粒鉆石的亮度曲線[34]Fig.10 Diamond identification machine structure diagram and a diamond brightness curve

為了對(duì)鉆石切工參數(shù)和光學(xué)效果的關(guān)系進(jìn)行探究，作者選取了GIA 證書上冠角、亭角、臺(tái)寬比、下腰面、星刻面、對(duì)稱性級(jí)別、色級(jí)、凈度級(jí)別等4C 參數(shù)完全一致的5 粒鉆石，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：5 粒鉆石的亮度值最大相對(duì)誤差可達(dá)到17%，而同一粒鉆石重復(fù)測(cè)試十次，亮度值相對(duì)誤差小于1%[34]。這說明即使是4C 分級(jí)參數(shù)完全一樣的鉆石，亮度都不一定能達(dá)到一致或者接近。這是由于分級(jí)精度等諸多因素造成的。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了近四十年來鉆石光學(xué)效果觀察儀器的研究成果，主要包括三個(gè)發(fā)展階段：一是以Fire Scope 和八箭八心為代表的寶石切工鏡，其借助角度寬泛的彩色環(huán)形光源展現(xiàn)鉆石的亮光和圖案美；二是以Vibox 觀察儀為代表的鉆石火彩儀，其借助LED燈充分展現(xiàn)了鉆石的火彩和閃爍美；三是以戴比爾斯、Sarine 公司為代表研制的科學(xué)分析鉆石光學(xué)效果的設(shè)備，其使用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)所采集圖像進(jìn)行數(shù)字化分析，從而對(duì)鉆石的亮度、火彩、閃爍等指標(biāo)實(shí)現(xiàn)精確量化。

現(xiàn)有4C 分級(jí)主要是通過多組切工比例參數(shù)來表征鉆石的明亮度。而作者通過所研制的鉆石身份鑒定儀測(cè)試得出：五粒同樣切工參數(shù)的鉆石，亮度值最大相差達(dá)到17%，而同一粒鉆石多次重復(fù)測(cè)試的亮度值相差僅小于1%，這和鉆石的分級(jí)精度有一定關(guān)系。現(xiàn)有切工比例的精確度是冠角在0.5°，亭角在0.2°，臺(tái)寬比1°，星刻面和下腰刻面5%，這種精度可能還不夠細(xì)致。

根據(jù)光線照射在鉆石刻面上所遵循的反射與折射定律，一條入射光會(huì)在鉆石的各個(gè)刻面上發(fā)生反射與折射，在鉆石中來回傳播，從冠部折射出鉆石的光線形成明亮度，這是一系列刻面綜合作用產(chǎn)生的集合效果。所以，任意一個(gè)刻面由于切磨失誤造成的空間位置的誤差，都會(huì)造成照射到這一刻面上的所有光線偏離正確的傳播方向，并可能在后續(xù)的傳播中進(jìn)一步的放大這一偏差，造成光線傳播方向發(fā)生明顯的變化，影響到整體的明亮度。要想用切工參數(shù)與明亮度嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)，顯然必須建立更為細(xì)致的參數(shù)體系和更高的度量精度才有可能實(shí)現(xiàn)。

作者認(rèn)為，相比于從4C 的角度間接對(duì)鉆石光學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，直接進(jìn)行鉆石的光學(xué)測(cè)量，更加直觀、迅速，可成為代替肉眼的高準(zhǔn)確性測(cè)量方式。所以，更美麗生動(dòng)的觀察設(shè)備和更科學(xué)準(zhǔn)確的分析方法是鉆石光學(xué)效果這一領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。相信在不遠(yuǎn)的將來，在大數(shù)據(jù)和人工智能的技術(shù)背景下，全球鉆石科技行業(yè)會(huì)不斷向前發(fā)展，打破傳統(tǒng)的鉆石鑒定模式，使鉆石分級(jí)領(lǐng)域的技術(shù)成果惠及于民。