宝石设计原理2章

第二章宝石琢型设计原理

。

。宝石加工学第一节宝石原料的选用一宝玉石加工材料选择质量标准1.选用标准主要指某种矿物的质地、颜色、光泽、透明度和硬度是否达到宝石的最低标准。2.等级标准是指除了矿物的质地、颜色、光泽、透明度和硬度因素外，还有宝石块体大小，形状的可利用程度。二、宝石原料选用的一般条件材料特征是加工基础也是选择加工设备和款式重要依据。1、颜色艳丽、纯正,令人喜爱;

2、透明度好,或虽透明度低,却有某种特殊光学效应；

3、有一定的硬度,一般不低于5；

4、光泽应为金刚光泽－玻璃光泽;

5、有一定的热稳定性和化学稳定性;

6.质地纯洁、无瑕疵或只有徽量瑕疵;

7、有一定粒度和重量；

8、具有良好琢磨性和可抛光性;

9、有固宝的产地。三、宝石原料分级和档次划分及特点档次颜色硬度重量下限产出量要求量琢磨难易度价格举例高档钻石无色，其它宝石颜色均正、浓艳大于7.50.3～0.6ct极少大难高钻石、红、兰宝、翡翠、祖母绿中档颜色艳丽5～83～5ct较多大较易中等海兰宝石、黄玉、橄榄石、碧玺低档从无色到各种颜色3～6不小于10ct多一般容易低玛瑙、水晶、绿松石、月光石宝石质量分级,对宝石的造型设计、加工方法和加工精度的确定十分重要,合理的质量分级不仅可使物尽其用,而且可减少盲目加工而造成的浪费和损失。四、设计要求和方法（一）重量（1）单粒宝石成品尽可能大,价格与重量的平方成正比。（2）一块宝石原石经琢磨所获得的宝石成晶的总重量尽可能地大。（二）颜色使宝石颜色特性达到最佳状态，即色彩浓艳、鲜亮、明快、色调均匀。色度与宝石的厚度和粒度有关，厚度越大，色度越大，同样粒度越大，色度也越大，反之则色度变浅。（1）多色性:寻找最佳颜色的方位。（2）色带:以美为准。如西瓜碧玺:保留色带。红、兰色带:尽量避免或安排在腰线上。（三）色斑红:可安排在亭尖上，多次内反射后，台面观察出现均匀柔和的色彩。杂:不可安排在亭尖上，尽量安排在腰。（1）透明度透明宝石，选用刻面型。不透明宝石，选用弧面型。（2）亮度、火彩与琢型全反射原理，注意冠部角和亭部角。（3）重量与琢型①增加腰部直径；②增加腰部厚度；③增加亭角。（4）特殊光学效应和琢型变彩猫眼星光磨弧型（5）琢型的造型艺术美:强调形美与质美的统一、和谐，以质美为前提。（四）琢型（五）瑕疵尽量避免，可排在腰部。（六）色散钻石:设计成圆钻型。（七）硬度硬度不同所用辅料不同。（八）脆性和韧性（1）脆性:易磨，易碎（2）韧性:难磨（九）解理要尽量避开。可利用其来开料。

（十）高双折射率宝石会出现双影看起来模糊，可采用⊥光轴

（十一）热稳定性如热敏性高的杆栏石。（一）宝石原石的审查搞清原石的性质和特点，找出宝石原石有哪些外在和潜在的美的品质，以便在设计中能充分发挥这些品质。A.审查内容（1）原石定名（2）原石形状原石形态有时是造型设计的基础，特别是高档宝石。审查时，除观察原石自然形状外，更重要的是要估计一下可用部分的形状。（3）原石重量这主要为设计和加工中计算成品率提供基本参数。五、设计步骤（5）原石的光学性质主要了解原石的透明度、折光率、色散、有无特殊光学效应。（4）原石颜色包括原石的色彩、色度、色调、多色性、色形等都应该有比较准确的认识,这样在设计中才能做到“心中有数”。（6）原石的瑕疵包括瑕疵的类型、大小、形状、分布、位置和方向。其中对破裂面应注意区分是解理面、裂理还是裂纹,并注意它们的方向变化和延深情况。（1）浸润观察法（对无色或浅色的透明宝石）该法比较简单易行,它不仅能够使原石表皮微细构造显现出来,且可使原石内部结构构造也变得易于观察。B.审查方法操作方法:①把某种液体（水）喷撒原石表面，使之润湿，可观察。②将原石浸在盛有液体的玻璃杯中进行观察，用于浸润原石的液体最好是折光率与原石相近，这样可以消除原石表面的“皮”或杂质所产生的视觉干扰，也可以消除由于原石包裹体与观察者之间的某种光学放大（或缩小）以及映射所造成的视觉差误。（2）强光照射观察法（对半透明—微透明宝石）强光可以增强透过原石的光线强度,使其内部结构构造和瑕疵变得清楚可辨。把浸润法与强光照法结合起来使用,则效果会更好。（3）“开窗子”除去一部分无有的外皮。（4）切磨制备簿片要有代表性,还要注意切片方向。（5）试验法从不同定位方向琢磨成不同的琢型或同一种琢型。最后选定一个方向,此法虽可靠,但浪费大,对高档宝石慎用。方案的设计应按前面所讲的设计原则和设计要求进行。通常,若几种方案都有相同或相近的美学价值时,选用能产生最大商品价值的方案,通过制作模拟块,进行试琢磨,从中评判各方案的优劣。宝石加工设计是具有创造性的劳动,要求设计人员既有扎实系统的宝石学和宝石加工知识,又要有丰富的宝石加工实践经验。同时,还要求设计者对宝石审核的供需状况、价格和流行琢型款式有较准确地了解。设计方案及方案的选择第一节宝石原料的选用小结一、宝玉石加工材料选择质量标准三、宝石原料分级和档次划分及特点二、宝石原料选用的一般条件五、设计步骤四、设计要求和方法第二节宝石琢型设计光学原理体现其美感的重要特征，主要表现在三个方面:亮度（Intensity）火彩(Fire)闪烁(Sparkle)

亮度、火彩、闪烁综合效果称为:明亮度（Brilliance）

一、刻面琢型宝石的光学效果亮度也称明亮度,指刻面宝石在白光照射下的反射光强度,它包括宝石表面反射光和内部反射光两个部分,也称表面亮光和内部亮光,二者的总和即为宝石的整体明亮度。（一）亮度/2007jpkc/bsxgj1/wlkc/chap04/n04wl2.htm1.表面反射光

宝石的表面反射光也称为光泽。宝石光泽的强弱主要取决于宝石的折射率（N）和反射率（R），二者之间关系式：由公式可见,折射率和反射率成正比关系。既宝石的折射率越大,则反射率越大,光泽就越强,其抛光表面也就更明亮。例如,钻石的折射率n约为2.42,反射率R为17%,呈金刚光泽；而水晶的折射率n约为1.55,反射率R为4.6%,呈玻璃光泽。表面看,钻石比水晶要显得"亮"得多。2.内部反射光

宝石的表面反射光（光泽）对其亮度很重要，但与内反射光作用相比，刻面宝石的内反射作用对亮度的影响则远胜于表面反射作用。以刚玉宝石为例，刚玉的折射率N约为1.76，代入上述公式计算:得到刚玉的表面反射率R为0.76。既仅有7.6%的入射光在表面发生反射,如果让其余92.4%的入射光在进入刚玉刻面宝石内部后,再通过内反射作用从正面射出,则宝石亮度必将大幅度提高。内反射作用才是提高刻面宝石亮度的真正潜力。内部反射光与宝石的临界角（i）与其折射率（n）有关，下式表示:由式可看出,宝石的折射率越大,则临界角越小。由于折射率和临界角都是宝石的固有光学常数,无法改变,而唯一能改变的是使光线在进入宝石体内经过各个刻面时的入射角度。因此,根据宝石的折射率和临界角大小来合理的设计刻面宝石的琢型比例和角度,才是增强宝石亮度的唯一途径。3.刻面角度对亮度的影响

刻面角度对亮度的影响是非常明显的，尤其是亭主面角度和冠主面角度。比例和角度合适,可产生较好的内反射光；(b)亭角过大,造成亭部过深而漏光；(c)亭角过小,造成亭部过浅而漏光；(d)冠角过大,造成冠部全反射及亭部漏光主要刻面角度对产生内反射亮光的影响

折射率临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°42′37°-43°39°-43°1.80-2.0033°42′-30°35°-37°41°-42°＞2.00＜30°34°-35°40°-41°刻面宝石折射率与其临界角、冠角、亭角的关系范围表从表看出,宝石材料的折射率越大,其临界角越小,琢型的冠角和亭角也应该相应减小。1.色散是由于组成白光的各种波长都以不同的角度折射而导致白光分解为可见光谱组成色的现象。（二）火彩

火彩指刻面宝石因色散作用而呈现光谱色闪烁的一种光学现象。取决于宝石琢型,尤其冠角大小,正确的切工才能最大限度地展示宝石的色散作用形成的火彩.如图,当白光从玻璃棱镜一侧入射其斜面后,原来在空气中都以相同方向传播的各种波长单色光,因在玻璃中折射方向不同而被分解,波长越短（如紫光）折射角越小,波长越长（如红光）折射角越大。白光通过玻璃棱镜后就被分解成七色光谱。刻面型宝石是由若干个抛光平面构成的几何多面体,当白光经过其倾斜刻面时,也同样会发生与棱镜分光类似的色散作用,见下图。2.色散值是反映材料色散强度的物理量。色散值是宝石材料的固有光学常数，色散值越大，反映其色散能力越强，产生火彩的潜力越大。在琢型设计中，对于色散值较高的无色或浅色透明宝石材料，应注重开发其火彩潜力。以钻石为例:(紫与红)通常用弗朗霍芬谱线中的G（430.8nm）和B（686.7nm）相当的蓝紫光与红光所测得的折射率之差值作为色散值。以钻石为例:钻石的G线折射率=2.451钻石的B线折射率=2.407则，钻石的色散值=2.451-2.407=0.044①白光从冠部斜刻面出射的色散作用产生火彩

从冠部斜刻面出射的色散光,来自从台面垂直入射的白光。如图所示,垂直台面进入宝石的白光经过亭部刻面的全反射,最后通过冠部的倾斜刻面射出,光线就会发生折射和色散作用,各种单色光因折射角不同而被分解开来,形成火彩。光线从冠部斜刻面射出的色散作用i-入射角；θ-临界角；r-折射角；r'-色散角2.火彩的形成方式火彩是刻面宝石对白光的色散作用而产生的光谱色闪烁，色光会随着白光的入射角度不同而变化。假定白光从冠部正向照射宝石，火彩的形成方式可大致分为两种：②白光从冠部斜刻面入射的色散作用产生火彩在这种方式中,由于光线是从光疏介质（空气）向光密介质（宝石）内入射,根据折射定律,折射角小于入射角,而各种单色光的折射角均被限制在相对较小的折射角范围内,故相应的色散角也较小。光线从冠部斜刻面射入的色散作用

i-入射角；r-折射角；r'-色散角如图所示,从宝石冠部正向照射的白光,在倾斜刻面上的入射角不等于0,因而光线要发生折射和色散作用,色散光经过亭部刻面的全反射作用后从台面射出,呈现火彩。根据钻石在不同色光下测得的折射率数据,也可计算出不同的冠部角及其所对应的紫光与红光的色散角冠

部

角

(冠部角指冠部主刻面与腰棱平面的夹角)色

散

角10°0°04′20°0°09′30°0°13′35°0°15′40°0°17′钻石的冠部角一般在30°-40°之间,所产生的色散角不超过0.2°,而且,亭部刻面对色散光线的反射不会使其色散角进一步扩大。所以,这种方式所产生的色散作用相对较弱,火彩也较弱。例钻石光线从钻石冠部斜刻面入射时的色散表需要注意的是,火彩和亮度是一对矛盾,这两种光学效果都与刻面宝石的全内反射作用有关,全内反射的一部分光线由于折射而产生火彩,另一部分光线则产生亮光。因此,不可能在同一个琢型宝石上得到最大的火彩和最大的亮度,在琢型设计研究中只能寻求它们的最优综合效果,即达到所谓的理想状态。（三）闪烁闪烁的效果与刻面的数量、大小、切磨角度以及光源或观察角度的变化速度等因素有关。一般来说,刻面的数量越多,闪烁效果越好。但是,闪烁程度高的宝石并不一定都很漂亮。因为刻面的数量越多,必然会使各小面的面积变小,切磨角度的变化也越复杂,易导致漏光,影响宝石的亮度和火彩。所以,闪烁应当是在发挥宝石的亮度和火彩效果的基础上,使宝石更加美丽的一种光学效果。闪烁是指刻面宝石因光源移动,或观察角度的变化,引起刻面对光源的反射呈明暗交替变化的现象。1.亭部角度亭角决定了亭部的深度，亭角的陡缓决定了光线能否在亭部产生全内反射。如下图(a)明亮度均匀强烈；(b)明亮度差,呈鱼眼现象；(c)明亮度差,呈钉头现象琢型亭角对光学效果的影响2.冠部角度冠部角度对宝石光学效果的影响是显而易见的。从火彩形成方式看出，冠角对光效影响也表现两方面：(a)冠角合适,色散较强；(b)冠角偏小,色散减弱（1）冠部角度对从斜刻面入射光的影响冠部角度影响到光线从冠部斜刻面入射时的入射角和色散角。冠部角越小,则光线的入射角越小,相应的色散角也减小,色散作用减弱。（2）冠部角度影响光线从冠部斜刻面出射时的入射角和色散角。在临界角范围内,出射光线的入射角会随着冠部角度的增大而增大,相应的色散角也增大,色散作用增强,火彩越明显。a冠角合适,光线在冠部射出若冠部角度过大,则会使出射光线的入射角超出临界角范围,在冠部刻面内发生全反射,无法射出宝石,造成亮光和火彩的损失。b冠角过大光线在冠部全反射3.台面比例冠部的台面与倾斜小刻面的相对大小也是影响亮度和火彩的重要因素。(a)台面过小亮度和火彩受损；(b)台面大小适中亮度和火彩皆佳；(c)台面过大火彩不佳如下图,在光线垂直照射宝石的情况下,由于只有冠部倾斜小刻面才能产生明显的火彩,因此,台面比例越大,倾斜小面所占的面积就越小,火彩会越弱；反之,台面比例越小,倾斜小面所占的面积就越大,火彩会越强。但随着台面比例减小和火彩增强,亮度会相应减弱；并当台面小到一定程度后,不仅亮度受损,火彩也同样受损。台面并非越小越也好。合适的台面比例应当是使亮度与火彩达到较好的平衡效果。一般台宽比在53%～66%范围内为宜。二、

琢型角度和比列的确定估算法

电脑模拟法理论计算法

查表法等

类推法估算法该法是应用经验计算公式,首先根据宝石的折射率和临界角计算出宝石冠部角度和亭部角度（或通过查表直接获得冠角和亭角）,然后再估算出其它各部分的角度和比例。此法主要适合于圆明亮式琢型及部分比较简单的花式琢型。（1）台面宽度

台面宽度是相对宝石的腰棱直径而言，通常用百分比表示。一般，对于圆明亮式琢型，台宽比应控制在53%-60%(或66%)为宜；对于花式琢型，如椭圆型、橄榄型、梨型、祖母绿型等，台宽比（短径方向）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）腰棱厚度腰棱厚度与宝石的大小有一定关系，宝石越大，要求腰厚也相应有所增大。腰棱厚度通常以腰围面宽度与腰棱（围）直径的百分比来表示，一般控制在2～3%左右。对于明亮式琢型而言，腰棱呈宽窄变化的波浪状，其厚度呈下式变化:

T＝0.017＋（0.05～0.08）/D式中:T-腰棱厚度；D-腰棱（围）直径。（4）亭部角度亭主面角度要利用宝石的折射率RI和临界角φ来计算求得:

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°）其比例为:台面直径为56%-66%，冠角30°-37°，冠高11%-15%，亭角39.4°-42°，亭深为41%-45%。国际钻石委员会琢型:类推法

在宝石加工或技术手册中，通常所给出琢型角度只适合石英，即水晶角度。如果知道了石英的各种小面角度，可以运用下面的公式推算出其它宝石材料的相应小面角度，但冠主面和亭主面角度仍需查表。以圆明亮琢型为例，利用石英的角度推算出黄玉的角度:石

英黄

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°

查表法宝石材料折射率临界角冠主角亭主角金红石2.616-2.90322°21′34°41°合成金红石2.616-2.90022°31′34°41°金刚石2.41924°25′35°41°立方氧化锆2.16527°31′36°41°锆

石

1.925-1.99132°02′35°41°石榴石

1.735-1.89035°05′-31°57′37°42°刚

玉1.760-1.77034°37′37°42°合成刚玉1.760-1.77034°37′37°42°金绿宝石1.746-1.75534°56′37°42°尖晶石1.71835°36′37°42°橄榄石1.654-1.69037°18′43°39°长

石1.654-1.67337°18′43°39°电气石1.642-1.64438°01′43°39°磷灰石

1.632-1.64637°45′43°39°黄

玉

1.630-1.63337°50′43°39°绿柱石1.575-1.58339°13′42°43°石

英

1.544-1.55340°20′42°43°蛋白石1.45043°36′41°45°

常见宝石材料的冠部角和亭部角根据宝石材料的折射率和临界角可以计算出琢型的各部分刻面角度查表可获得冠角和亭角数据（理论值）,但只供设计冠主面和亭主面参考,对其它小面角度和比例的确定,还需采用其它方法。第三节宝石琢型设计的美学原理设计需要最大限度地表现宝石的美和形价值（美学价值+商品价值）一、设计原则质美:指由宝石自身性质产生的感官美，其中有些是显而易见的，如颜色、透明度、光泽、质地等。有潜在质美，如亮度、火彩、闪烁，以及猫眼、星光、月光等特殊光学效应等，需要合理的琢型设计及精良加工才能将这些美发挥出来。形美:·

指宝石的艺术造型形式美，这是人们通过造型设计和精心琢磨而创造出来的美。·

质美是形美的前提条件，没有质美的形美毫无价值，而形美又是质美充分表达的主要条件。宝石琢型设计强调质美和形美的高度和谐和统一。

本章第二节关于宝石琢型设计光学原理的讨论内容属于体现宝石质美的范畴，本节再从美学原理的方面探讨宝石的形美问题，着重讨刻面宝石琢型设计的造型形式美法则。二、宝石琢型设计的造型形式美法则宝石琢型设计的造型形式美法则可概括为八项:

齐一

对称

对比

反复

渐变

韵律

比例

和谐1.齐一为单纯齐一的简称，指在造型中，相同刻面的大小、形状、角度、位置等应具有一致性，不能出现明显的差异和对立。这是琢型设计中的最基本的法则之一。如祖母绿型,四周以平行的梯形刻面围绕台面组成,以平行线条体现出规整、层次分明的特征（上图右）。例标准圆钻型,冠部包括1个台面、8个主面、8个星面、16个腰面,亭部包括8个主面、16个腰面,其中每个主面、星面、腰面都必须形态均等,大小一致,整齐排列,体现出规则整齐,井然有序的特征2.对称指在一个造型中，使其左右或上下的刻面各形态及形态组合形式呈镜像对应相同或相似。是琢型设计中基本要素之一，常见设计表现形式。对称造型又可分为完全对称和反转对称两种形式：（1）完全对称是一种单纯的绝对对称形式。如标准圆钻型和祖母绿型等，这款式给人感觉是大方、庄重、秩序井然；

（2）反转对称也叫逆对称,易使人产生动感。现代感很强。如圆弧混合型（下图左）和锯齿型（下图右）。3.对比指在造型形式中，力求使不同刻面的形态、大小、位置等表现出差异和对立，突出反差，以求鲜明醒目而富于活力。

如雪花琢型（见图）对比法则设计的刻面宝石琢型。该琢型的设计中,冠部只有7个刻面而且配置简单平淡,而亭部有78个刻面且配置复杂严谨,通过冠部"简"和亭部"繁"的强有力对比,突出了亭部的刻面,使雪花状造型富于生动。4.反复指在一个造型中，通过相同或相似的造型要素重复出现来求得形式的统一。这种造型形式能使琢型产生统一的秩序美，加深视觉印象。

如歪斜琢型图