寶石琢型設(shè)計(jì)原理

寶石琢型設(shè)計(jì)原理

一、寶石琢型設(shè)計(jì)光學(xué)原理

1.刻面琢型寶石的光學(xué)效果刻面寶石的特殊光學(xué)效果是體現(xiàn)其美感的重要特征，主要表現(xiàn)在亮度（Intensity）、火彩（Fire）、閃爍（Sparkle）三個(gè)方面，三者的綜合效果稱為明亮度（Brilliance）。

（1）亮度亮度也稱明亮度,指刻面寶石在白光照射下的反射光強(qiáng)度,它包括寶石表面反射光和內(nèi)部反射光兩個(gè)部分,也稱表面亮光和內(nèi)部亮光。1）表面反射光寶石的表面反射光也稱為光澤。寶石光澤的強(qiáng)弱主要取決于寶石的折射率（N）和反射率（R），二者之間有下列簡(jiǎn)化關(guān)系式:由公式可見，折射率和反射率成正比關(guān)系。也就是說，寶石的折射率越大，則反射率越大，光澤就越強(qiáng)，其拋光表面也就更明亮。鉆石的反射率R為多少？水晶的反射率R為多少？鉆石的折射率n約為2.42，反射率R為17%，呈金剛光澤；而水晶的折射率n約為1.55，反射率R為4.6%，呈玻璃光澤。因此，從表面上看，鉆石比水晶要顯得"亮"得多。2）內(nèi)部反射光寶石的表面反射光（光澤）對(duì)其亮度的貢獻(xiàn)固然重要,但與其內(nèi)反射光作用相比,刻面寶石的內(nèi)反射作用對(duì)亮度的影響則遠(yuǎn)勝于表面反射作用。以剛玉寶石為例,剛玉的折射率N約為1.76,表面反射率R為0.76。僅有7.6%的入射光在表面發(fā)生反射,如果讓其余92.4%的入射光在進(jìn)入剛玉刻面寶石內(nèi)部。由此可見,內(nèi)反射作用才是提高刻面寶石亮度的真正潛力。光線在寶石內(nèi)的全內(nèi)反射作用

i-入射角；r-折射角；θ-臨界角寶石的臨界角（i）與其折射率（n）有關(guān)，可用下式表示:由式中可以看出，寶石的折射率越大，則臨界角越小。由于折射率和臨界角都是寶石的固有光學(xué)常數(shù),無法改變,而唯一能改變的是使光線在進(jìn)入寶石體內(nèi)經(jīng)過各個(gè)刻面時(shí)的入射角度。因此,根據(jù)寶石的折射率和臨界角大小來合理的設(shè)計(jì)刻面寶石的琢型比例和角度,才是增強(qiáng)寶石亮度的唯一途徑。3）刻面角度對(duì)亮度的影響刻面角度對(duì)亮度的影響是非常明顯的,尤其是亭主面角度和冠主面角度。如果這些角度設(shè)計(jì)不當(dāng),過大或過小都會(huì)導(dǎo)致刻面寶石的厚度過大或過小,使光線不能從正面出射而是在亭部漏失,造成寶石外觀亮度的減弱。主要刻面角度對(duì)產(chǎn)生內(nèi)反射亮光的影響①只有當(dāng)琢型的各部分比例和角度合適時(shí),才能使光線在亭部產(chǎn)生全內(nèi)反射作用,而從冠部射出,呈現(xiàn)較好的內(nèi)反射亮光；②如果亭部主面角度過大,會(huì)造成亭部的比例過深,使光線在亭部刻面上發(fā)生折射作用,從亭部側(cè)面漏出體外（稱第二次漏光現(xiàn)象）,導(dǎo)致光線損失,亮度較弱；③如果亭部主面角度過小,會(huì)造成亭部的比例過淺,也使光線在亭部刻面上發(fā)生折射作用,從亭部背面穿透漏失（稱第一次漏光現(xiàn)象）,導(dǎo)致亮度不佳；④如果冠部的主面角度不當(dāng),除可能會(huì)造成亭部漏光外,還會(huì)使經(jīng)過亭部的內(nèi)反射光線在到達(dá)冠部刻面時(shí)再次發(fā)生內(nèi)反射,最終也要導(dǎo)致亮光的重大損失。刻面寶石折射率與其臨界角、冠角、亭角的關(guān)系范圍表

折射率臨界角冠主面角亭主面角1.40-1.6045°36′-

38°42′40°-45°43°-45°1.60-1.8038°42′-

33°4237°-43°39°-43°1.80-2.0033°42′-

30°35°-37°41°-42°＞2.00＜30°34°-35°40°-41°（2）火彩火彩指刻面寶石因色散作用而呈現(xiàn)光譜色閃爍的一種光學(xué)現(xiàn)象?；鸩尸F(xiàn)象主要出現(xiàn)于具有高色散率的無色和淺色的透明寶石,并與琢型的比例和角度等因素密切相關(guān)。

1）色散與色散值

色散是由于組成白光的各種波長(zhǎng)的光都以不同的角度折射而導(dǎo)致白光分解為可見光譜組成色的現(xiàn)象。

同理,刻面型寶石是由若干個(gè)拋光平面構(gòu)成的幾何多面體,當(dāng)白光經(jīng)過其傾斜刻面時(shí),也同樣會(huì)發(fā)生與棱鏡分光類似的色散作用。色散值是反映材料色散強(qiáng)度的物理量。通常用弗朗霍芬譜線中的G（430.8nm）和B（686.7nm）相當(dāng)?shù)乃{(lán)紫光與紅光所測(cè)得的折射率之差值作為色散值。鉆石的G線折射率=2.451鉆石的B線折射率=2.407則,鉆石的色散值=2.451-2.407=0.044色散值是寶石材料的固有光學(xué)常數(shù),色散值越大,反映其色散能力越強(qiáng),產(chǎn)生火彩的潛力越大。在琢型設(shè)計(jì)中,對(duì)于色散值較高的無色或淺色透明寶石材料,應(yīng)注重開發(fā)其火彩潛力。2）火彩的形成方式

火彩是刻面寶石對(duì)白光的色散作用而產(chǎn)生的光譜色閃爍，色光會(huì)隨著白光的入射角度不同而變化。假定白光從冠部正向照射寶石，火彩的形成方式可大致分為兩種:①白光從冠部斜刻面出射的色散作用產(chǎn)生火彩②白光從冠部臺(tái)面出射的色散作用產(chǎn)生火彩

①白光從冠部斜刻面出射光線從冠部斜刻面射出的色散作用

i-入射角；θ-臨界角；r-折射角；r'-折射角由于光線是從寶石（光密介質(zhì)）向外即空氣（光疏介質(zhì)）折射,故各種色散光的折射角均大于入射角?；鸩实膹?qiáng)弱與冠部?jī)A斜刻面的傾角有關(guān),刻面傾角越大,光線的入射角也越大,各種色散光的差異也會(huì)隨著入射角的增大而增大,色散作用也增強(qiáng),火彩也越明顯。光線從鉆石冠部斜刻面出射時(shí)的色散

入射角色散角

(折射出鉆石的紫光與紅光之間的夾角)0°0°5°0°19′10°0°42′15°1°12′20°2°13′23°65′12°57′大于24°26′（臨界角）發(fā)生全反射因此,為了得到更強(qiáng)的火彩,就要使從寶石冠部出射光線的入射角越接近臨界角越好。②白光從冠部臺(tái)面出射光線從冠部斜刻面射入的色散作用

i-入射角；r-折射角；r'-折射角在這種方式中,由于光線是從光疏介質(zhì)（空氣）向光密介質(zhì)（寶石）內(nèi)入射,根據(jù)折射定律,折射角小于入射角,而各種單色光的折射角均被限制在相對(duì)較小的折射角范圍內(nèi),故相應(yīng)的色散角也較小。光線從鉆石冠部臺(tái)面出射時(shí)的色散

冠部角

(冠部角指冠部主刻面與腰棱平面的夾角)色散角10°0°04′20°0°09′30°0°13′35°0°15′40°0°17′需要注意的是,火彩和亮度是一對(duì)矛盾,這兩種光學(xué)效果都與刻面寶石的全內(nèi)反射作用有關(guān),全內(nèi)反射的一部分光線由于折射而產(chǎn)生火彩,另一部分光線則產(chǎn)生亮光。因此,不可能在同一個(gè)琢型寶石上得到最大的火彩和最大的亮度,在琢型設(shè)計(jì)研究中只能尋求它們的最優(yōu)綜合效果,即達(dá)到所謂的理想狀態(tài)。（3）閃爍閃爍是指刻面寶石因光源移動(dòng),或觀察角度的變化,引起刻面對(duì)光源的反射呈明暗交替變化的現(xiàn)象。閃爍的效果與刻面的數(shù)量、大小、切磨角度以及光源或觀察角度的變化速度等因素有關(guān)。一般來說,刻面的數(shù)量越多,閃爍效果越好。所以,閃爍應(yīng)當(dāng)是在發(fā)揮寶石的亮度和火彩效果的基礎(chǔ)上,使寶石更加美麗的一種光學(xué)效果。2.琢型面角比例與光學(xué)效果的關(guān)系影響寶石光學(xué)效果的主要因素是:亭部角度、冠部角度、臺(tái)面比例。（1）亭部角度

琢型亭角對(duì)光學(xué)效果的影響

(a)明亮度均勻強(qiáng)烈；(b)明亮度差,呈魚眼現(xiàn)象；(c)明亮度差,呈黑底現(xiàn)象（2）冠部角度冠部角度對(duì)從臺(tái)面出射光的影響(a)冠角合適,色散較強(qiáng)；(b)冠角偏小,色散減弱冠部角度對(duì)從斜刻面出射光的影響(a)冠角合適,光線在冠部射出；(b)冠角過大,光線在冠部全反射（3）臺(tái)面比例

冠部刻面大小對(duì)亮度和火彩的影響

(a)臺(tái)面過小,亮度和火彩受損；(b)臺(tái)面大小適中,亮度和火彩皆佳；(c)臺(tái)面過大,火彩不佳但是,隨著臺(tái)面比例減小和火彩增強(qiáng),亮度會(huì)相應(yīng)減弱；并且,當(dāng)臺(tái)面小到一定程度后,不僅亮度受損,火彩也同樣受損。所以,臺(tái)面并非越小越好。合適的臺(tái)面比例應(yīng)當(dāng)是使亮度與火彩達(dá)到較好的平衡效果。一般認(rèn)為,臺(tái)寬比在53%～66%范圍內(nèi)為宜。

3.琢型角度和比列的確定確定琢型角度和比例的方法很多,有查表法、估算法、類推法、理論計(jì)算法、電腦模擬法等,這里僅介紹前三種方法。（1）查表法

根據(jù)寶石材料的折射率和臨界角可以計(jì)算出琢型的各部分刻面角度,常見寶石材料的折射率、臨界角及其琢型主要角度數(shù)據(jù)見《寶玉石加工試驗(yàn)指導(dǎo)書》。寶石材料折射率臨界角冠主角亭主角金紅石2.616-2.90322°21′34°41°合成金紅石2.616-2.90022°31′34°41°金剛石2.41924°25′35°41°立方氧化鋯2.16527°31′36°41°鋯石1.925-1.99132°02′35°41°石榴石1.735-1.8935°05′37°42°剛玉1.760-1.77034°37′37°42°合成剛玉1.760-1.77034°37′37°42°金綠寶石1.746-1.75534°56′37°42°尖晶石1.71835°36′37°42°寶石材料折射率臨界角冠主角亭主角橄欖石1.654-1.69037°18′43°39°長(zhǎng)石1.654-1.67337°18′43°39°電氣石1.642-1.64438°01′43°39°磷灰石1.632-1.64637°45′43°39°黃玉1.630-1.63337°50′43°39°綠柱石1.575-1.58339°13′42°43°石英1.544-1.55340°20′42°43°蛋白石1.45043°36′41°45°通過查表,可以很方便的獲得冠角和亭角數(shù)據(jù)（理論值）,但這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)只能供設(shè)計(jì)冠主面和亭主面時(shí)參考,對(duì)于其它小面角度和比例的確定,還需要采用其它的方法。（2）估算法

該法是應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,首先根據(jù)寶石的折射率和臨界角計(jì)算出寶石冠部角度和亭部角度（或通過查表直接獲得冠角和亭角）,然后再估算出其它各部分的角度和比例。此法主要適合于圓明亮式琢型及部分比較簡(jiǎn)單的花式琢型。1）臺(tái)面寬度臺(tái)面寬度是相對(duì)寶石的腰棱直徑而言,通常用百分比表示。一般,對(duì)于圓明亮式琢型,臺(tái)寬比應(yīng)控制在53%-60%(或66%)為宜；對(duì)于花式琢型,如橢圓型、橄欖型、梨型、祖母綠型等,臺(tái)寬比（短徑方向）宜控制在50%左右。2）冠部角度

冠主面角度＝8×（45°－亭主面角度）星小面角度＝冠主面角度－（12°～17°）上腰小面角度＝冠主面角度＋（5°～9°）3）腰棱厚度

腰棱厚度與寶石的大小有一定關(guān)系,寶石越大,要求腰厚也相應(yīng)有所增大。腰棱厚度通常以腰圍面寬度與腰棱（圍）直徑的百分比來表示,一般控制在2～3%左右。對(duì)于明亮式琢型而言，腰棱呈寬窄變化的波浪狀，其厚度呈下式變化:T＝0.017＋（0.05～0.08）/D式中:T-腰棱厚度；D-腰棱（圍）直徑。4）亭部角度

亭主面角度要利用寶石的折射率RI和臨界角φ來計(jì)算求得:若1.414≤RI≤2亭主面角度＝（90°＋φ）／2若2≤RI≤∞亭主面角度＝（270°－φ）／6下腰小面角度＝亭主面角度＋（2°～3°）（3）類推法

在一些寶石加工教科書或技術(shù)手冊(cè)中,通常所給出的琢型角度只適合石英,即水晶角度。如果知道了石英的各種小面角度,可以運(yùn)用下面的公式推算出其它寶石材料的相應(yīng)小面角度,但冠主面和亭主面角度仍需查表。以下以圓明亮琢型為例，利用石英的角度推算出黃玉的角度:石英黃玉冠主面42°冠主面43°星小面－27°差值－15°差值15°星小面28°

上腰面44°～47°冠主面43°冠主面－42°差值＋2°～5°差值2°～5°上腰面45°～48°

下腰小面45°亭主面39°亭主面－43°差值＋2°差值2°下腰面41°作業(yè)1、用估算法計(jì)算：腰棱直徑為1cm的圓明亮型的尖晶石的面角比例。2.用類推法計(jì)算：鋯石的琢型角度。二、寶石琢型設(shè)計(jì)的美學(xué)原理

寶石琢型設(shè)計(jì)一般需要考慮體現(xiàn)質(zhì)美和形美兩個(gè)方面的因素。

質(zhì)美:指由寶石自身性質(zhì)產(chǎn)生的感官美。有些是顯而易見的,如顏色、透明度、光澤、質(zhì)地等。有些質(zhì)美是潛在的,如亮度、火彩、閃爍,以及貓眼、星光、月光等特殊光學(xué)效應(yīng)等,需要合理的琢型設(shè)計(jì)及精良加工才能將這些美發(fā)揮出來。形美:指寶石的藝術(shù)造型形式美,這是人們通過造型設(shè)計(jì)和精心琢磨而創(chuàng)造出來的美。寶石琢型設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)質(zhì)美和形美的高度和諧和統(tǒng)一。寶石琢型設(shè)計(jì)的造型形式美法則

造型形式美法則是美學(xué)中的一個(gè)概念,其大意是指從形式美的獨(dú)立意義出發(fā),按照一定規(guī)律和法則創(chuàng)造美的形式的科學(xué)。寶石琢型設(shè)計(jì)的造型形式美法則可概括為八項(xiàng):齊一對(duì)稱對(duì)比反復(fù)漸變韻律比例和諧1.齊一為單純齊一的簡(jiǎn)稱，指在造型中，相同刻面的大小、形狀、角度、位置等應(yīng)具有一致性，不能出現(xiàn)明顯的差異和對(duì)立。這是琢型設(shè)計(jì)中的最基本的法則之一。

標(biāo)準(zhǔn)圓鉆型祖母綠型2.對(duì)稱指在一個(gè)造型中，使其左右或上下的刻面各形態(tài)及形態(tài)組合形式呈鏡像對(duì)應(yīng)相同或相似。對(duì)稱是琢型設(shè)計(jì)中的基本要素之一，也最常見的設(shè)計(jì)表現(xiàn)形式。圓弧混合型鋸齒型3.對(duì)比指在造型形式中，力求使不同刻面的形態(tài)、大小、位置等表現(xiàn)出差異和對(duì)立，突出反差，以求鮮明醒目。這是一種表現(xiàn)形式間差異性的法則，其主要作用在于使造型產(chǎn)生生動(dòng)的效果，使之富于活力。

雪花琢型4.反復(fù)指在一個(gè)造型中，通過相同或相似的造型要素重復(fù)出現(xiàn)來求得形式的統(tǒng)一。這種造型形式能使琢型產(chǎn)生統(tǒng)一的秩序美，加深視覺印象。

歪斜琢型5.漸變指在一個(gè)造型中，使刻面呈連續(xù)、近似形態(tài)的有秩序排列。這種造型形式能增加寶石琢型的層次感。