鉆石光學效果觀察儀器的研究綜述

吳倩倩

1. 蘇州工藝美術職業技術學院，蘇州 215000 2. 中國地質大學（武漢）珠寶學院，武漢 430000

前言

鉆石的切工和光學效果研究已經有幾百年的歷史。從1919 年馬歇爾?托爾可夫斯基的二維光線追蹤研究開始，鉆石的光學效果研究進入一個精確數學運算的新里程碑[1]。隨后，大量寶石專家和機構都陸續開展了鉆石的二維計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寶石學院（Gemological Institute of America，簡稱GIA）[2-3]、美國寶石協會（American Gem Society，簡稱AGS）[4]和Cut group（以OctoNus 公司、莫斯科國立大學寶石學中心等機構組成的切工研究組）的仿真研究[5]為代表，國內中國地質大學（武漢）珠寶學院的石斌博士也開發了仿真模擬軟件[6]。由于仿真模擬在反映鉆石實際光學效果上有不可避免的局限性，在2006 年GIA頒布的分級體系中，主要依據人眼觀察大量鉆石，得出不同切工參數鉆石的光學效果規律，以此來制定切工分級標準[7]，以鉆石的臺寬比、冠角、亭角、星刻面比例、下腰刻面比例等參數的組合作為最主要的參考依據。

一般認為，一粒鉆石切工越好，它所呈現的光學效果也會越好。鉆石的光學效果主要可分為亮度、火彩和閃爍。英國寶石協會[8]、陳鐘惠[9]、袁心強[10]、GIA[11]、AGS[4]、Cut Group[12]等機構或個人都對鉆石的亮度、火彩、閃爍進行了定義。各機構的定義比較接近。本文以袁心強的定義為主：鉆石的亮度是指鉆石表面和內部反射出的白光量；火彩是指鉆石反射的色光；閃爍是指鉆石或光源移動、或觀察者角度變化時，刻面對光源的反射或發生明暗交替變化的現象。除亮度、火彩、閃爍之外，有些機構將反映鉆石光學圖形幾何規律方面的特性也納入到了對鉆石光學效果的考量中。例如以色列的Sarine 公司將光對稱性納入到了對鉆石的光學效果的評定中[13]，AGS 和Cut group 將對比度納入到了對鉆石光學效果的考慮中[4, 12]。

為了便于觀測鉆石的光學效果，并和切工質量相互佐證，近四十年來，日本、美國、俄羅斯、以色列、中國等國家都開發研制了相應的設備。除了大眾熟知的鉆石八箭八心觀察儀之外，近些年國際上比較有代表性的設備有Sarine 公司的鉆石光性能測量儀和Gemex 公司的環形光源鉆石分析設備。國內主要有中國地質大學（武漢）珠寶學院劉萍萍博士研制的鉆石光學效果定量分析儀器。這些設備根據發展階段，可以分為三大類：其一是早期發明的為觀察鉆石特殊圖案的裝置，光源結構相對簡單；其二是能更大程度體現鉆石火彩和閃爍的結構較為復雜的觀察設備；其三是可定量分析鉆石亮度、火彩、閃爍等光學效果評價指標的設備。

鉆石是具有最高市場占有率的珠寶消費品，對國家經濟的發展和珠寶行業的發展有著重大意義。鉆石光學效果測試技術的提升有助于提高鉆石分級水平，促進鉆石加工工藝水平提升，提升國家在國際珠寶科技領域的地位。本文將對這一重要技術領域的研究成果進行介紹，希望給珠寶領域技術人員以及珠寶行業相關人員一些指導和啟發。

1 鉆石圖案觀察儀

借助儀器直接觀察鉆石光學效果的觀念起源于日本寶石學家Kazumi Okuda 發明的彩色反射器。上世紀80 年代，Okuda 發明的光學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 年開發了鉆石觀察工具FireScope，其下方是發散的白色光源，目鏡部分為粉紅色擋板[15]。觀察者根據鉆石表面呈現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區域，白色部分是從亭部漏光的區域，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]。目前市場上流行的八箭八心切工鏡底端有一個黑色的放置鉆石的底座、中部是一個藍色的塑料圓柱，圓柱的另一端為放大鏡，裝置的最上端為一個白色的觀察鏡。當觀察八箭八心鉆石的冠部時，鉆石呈現八箭；當觀察鉆石亭部時，鉆石呈現八心，如圖2 所示。

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

隨后，一些專家在Okuda 的原理基礎上，發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域面積更大，如圖3 所示。同時，Garry Holloway 在此基礎上開發了一套HCA 切割質量分級系統[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（美國寶石協會）在2008 年研制了紅綠藍三色的ASET 裝置[19]，其中藍色光線照射角度為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節上更加清晰，更有利于對鉆石的觀察和對鉆石切工的評估，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

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

2 鉆石光學效果觀察設備

為最佳展現鉆石的火彩和閃爍效果，一些公司開始研制使用LED 燈等復雜光源觀察鉆石光學效果的設備，例如美國的MartinD.Haske 于2004 年發明了鉆石火彩儀[20]，儀器內部隨機放置多個小燈泡作為觀察光源，下方樣品臺為可供旋轉鉆石的裝置，用戶可以在寶石成像設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 年發明了一種火彩觀察儀[21]，其采用跑馬燈芯片帶動LED燈光源間歇閃亮的方式，形成光源旋轉變化的效果，光源顏色多樣，更加完美誘發出鉆石的火彩。2016 年，賀仟泰發明了一種鉆石火彩演示儀[22]，有兩大組照明燈：每個大組在每個圓環的兩大組相間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整方位，能夠對鉆石火彩的觀賞提供最佳效果。

Cut group 在2013 年發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 點光源作為照明光源，鉆石樣品臺和攝像頭均可多角度旋轉。ViBox 視頻系統使專家和購買者能夠進行數千次高度可重復的鉆石觀測，創建大量肉眼評估數值以生成“切工優劣地圖”。同時，Cut group 介紹了鉆石光學效果評估需要考慮到人眼的對比度、錯覺、雙目差異等生理因素，主張純粹用肉眼評估鉆石的光學效果。

圖5 Vibox系統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出鉆石的亮光圖案，還能生動得展現出鉆石的火彩和閃爍，更能吸引鉆石消費者的購買欲。由于光源不均勻或鉆石旋轉角度大，儀器很難對鉆石的亮度、火彩和閃爍實現穩定、精確和可重復的定量分析，而僅靠肉眼觀察來評判所有鉆石的光學效果優劣具有一定主觀性。

3 鉆石光學效果定量分析設備和方法

目前，可定量分析鉆石光學效果的設備主要有戴比爾斯公司（De Beers Centenary AG）的“IRIS火光觀測儀”、美國捷邁克斯公司（Gemex）的BrillianceScope 以及以色列尚靈公司（Sarine）的Diamond Integrator。國內有中國地質大學（武漢）珠寶學院劉萍萍博士研制的鉆石光學效果測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 年研發了一種由多個點光源繞鉆石傾斜旋轉的觀察裝置[23]“IRIS 火光觀測儀”，裝置結構如圖6 所示，該裝置上方為采集圖像的攝像頭，下方為由多個LED 燈珠圍繞組成的多圈環形光源，光源下方放置勻光板，攝像裝置和環形光源裝置的中心同軸。下方為鉆石樣品臺面朝上放置，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算機中計算分析鉆石的光學效果。記錄并分析圖樣閃光的平均紅色，綠色和藍色值（RGB 值）以及多張圖樣閃光的變化，從而對鉆石的明亮度進行分析[24]。

圖6 戴比爾斯鉆石光學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，美國捷邁克斯公司研制的Brilliance Scope 使用360°升降的窄環形光源來改變入射光的角度，分別照射到鉆石上并采集多張鉆石圖片[25]。按圖中白色區域的百分比計算亮度，彩色區域的百分比計算火彩，像素點的亮暗變化計算閃爍，將計算結果分為四個級別Low、Medium、High、Very High 并以證書的形式展示給消費者，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，以色列尚靈公司發明了分析鉆石光性能的裝置Diamond Integrator[27]，如圖8 所示。鉆石臺面朝下置于透明玻璃光學平臺上，樣品臺位于裝置上部的中心，樣品臺周圍為一圈發光源（使用隔板阻止光源從側面射入鉆石），平臺下方為一個中心有孔的半球體，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，光源發出的光通過內半球體反射進入鉆石冠部。半球體孔下為一傾斜鏡面，通過鏡面展現鉆石圖像，然后攝像裝置采集鉆石圖像，計算機對圖像進行數據分析，得到鉆石的亮度、火彩、閃爍、對稱性級別。對采集所有圖像進行合成，鉆石的亮度值為合成圖像的平均灰度值；火彩被分為靜態火彩和動態火彩，靜態火彩通過計算所有圖像顏色的總和得到，動態火彩通過計算像素色彩變化的差值得到，將靜態火彩和動態火彩按比例系數相加，即為火彩值；計算每一像素灰度值的變化得出對比度數值，結合動態火彩和靜態火彩值，綜合得到鉆石的閃耀度；將合成圖像以45°角為遞進單位，平均分成八份，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，即為光對稱性數值[13]。

圖8 Diamond Integrator設備結構圖[13]Fig.8 Diamond Integrator equipment structure drawing

中國地質大學（武漢）珠寶學院的劉萍萍博士在2014年研制了環形光源鉆石光學效果分析設備[28]。其特點是：樣品臺中心、環形光源中心、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 燈上覆有一個均勻的散光板，六圈光源由六個開關單獨控制，以便采集多張圖片。圖9為儀器的設備結構圖、環形光源設備圖以及所攝鉆石圖像。將采集到的鉆石圖像像素點的RGB 值轉換為YUV 色度空間值，累加所有像素點的Y 值用以表征鉆石的亮度[29]。將圖像像素點的RGB 值轉換為HSI 色度空間值，將色彩飽和度S ≥25%，明亮度I ≥20%的點判定為彩色點，累加所有彩色點的明亮度I 值用以表征鉆石的火彩[30]。運用CIE1976 Lab 色度空間比較相鄰兩張鉆石圖像之間對應像素點的色差值，累計所有像素點的色差值用以表征鉆石的閃爍[31]。

圖9 鉆石光學效果觀察儀示意圖、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ZL2017 10985819.1）[32]，并發明了鉆石身份鑒定方法（專利號ZL 201710985126.2）[33]。該儀器不但可以對鉆石的光學效果進行定量分析，還能對鉆石實現倆倆區分。鉆石身份鑒定儀使用高精度的窄環形光源，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提供不同入射角，攝像頭采集每個設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酷掃描）。將圖像像素點的RGB 值轉換成YUV 值，使用Y 值直接對亮度進行量化；將RGB 值轉換成HSV（色相、飽和度、明度）值，通過對數值的二次運算并結合機器視覺的邊緣算子弱化白色亮區周圍的彩色邊緣，得到符合人眼觀察結果的火彩值；使用簡易色差公式計算相鄰兩張圖片同一位置像素點的色差值，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，閃爍值為對閃爍曲線大于平均值的數據求取二次平均，以此實現對鉆石光學效果的定量分析。對比兩粒鉆石曲線的相關系數，設定判定閾值，還可以實現對鉆石的指紋識別[33]。

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

為了對鉆石切工參數和光學效果的關系進行探究，作者選取了GIA 證書上冠角、亭角、臺寬比、下腰面、星刻面、對稱性級別、色級、凈度級別等4C 參數完全一致的5 粒鉆石，經測試發現：5 粒鉆石的亮度值最大相對誤差可達到17%，而同一粒鉆石重復測試十次，亮度值相對誤差小于1%[34]。這說明即使是4C 分級參數完全一樣的鉆石，亮度都不一定能達到一致或者接近。這是由于分級精度等諸多因素造成的。

4 結論

本文總結了近四十年來鉆石光學效果觀察儀器的研究成果，主要包括三個發展階段：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形光源展現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分析鉆石光學效果的設備，其使用機器視覺技術對所采集圖像進行數字化分析，從而對鉆石的亮度、火彩、閃爍等指標實現精確量化。

現有4C 分級主要是通過多組切工比例參數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試得出：五粒同樣切工參數的鉆石，亮度值最大相差達到17%，而同一粒鉆石多次重復測試的亮度值相差僅小于1%，這和鉆石的分級精度有一定關系。現有切工比例的精確度是冠角在0.5°，亭角在0.2°，臺寬比1°，星刻面和下腰刻面5%，這種精度可能還不夠細致。

根據光線照射在鉆石刻面上所遵循的反射與折射定律，一條入射光會在鉆石的各個刻面上發生反射與折射，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生的集合效果。所以，任意一個刻面由于切磨失誤造成的空間位置的誤差，都會造成照射到這一刻面上的所有光線偏離正確的傳播方向，并可能在后續的傳播中進一步的放大這一偏差，造成光線傳播方向發生明顯的變化，影響到整體的明亮度。要想用切工參數與明亮度嚴格的對應，顯然必須建立更為細致的參數體系和更高的度量精度才有可能實現。

作者認為，相比于從4C 的角度間接對鉆石光學效果進行評價，直接進行鉆石的光學測量，更加直觀、迅速，可成為代替肉眼的高準確性測量方式。所以，更美麗生動的觀察設備和更科學準確的分析方法是鉆石光學效果這一領域未來的發展方向。相信在不遠的將來，在大數據和人工智能的技術背景下，全球鉆石科技行業會不斷向前發展，打破傳統的鉆石鑒定模式，使鉆石分級領域的技術成果惠及于民。