宝石琢型设计原理

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宝石琢型设计原理_设计/艺术_人文社科_专业资料。宝石琢型设计原理 一、宝石琢型设计光学原理 ? 1、刻面琢型宝石的光学效果 ? 刻面宝石的特殊光学效果是体现其美感的重要特征, 主要表现在亮度(Intensity)、火彩(Fire)、闪 烁(Sp

宝石琢型设计原理 一、宝石琢型设计光学原理 ? 1、刻面琢型宝石的光学效果 ? 刻面宝石的特殊光学效果是体现其美感的重要特征, 主要表现在亮度(Intensity)、火彩(Fire)、闪 烁(Sparkle)三个方面,三者的综合效果称为明亮 度(Brilliance)。 (1)亮度 ? 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。 1)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),二者之间有下列简化关系式: ? 由公式可见,折射率和反射率成正比关系。也就是 说,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。 ? 钻石的反射率R为多少?水晶的反射率R为多少? ? 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。因此,从表面上看,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)对其亮度的贡献固然重 要,但与其内反射光作用相比,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 ,表面 反射率R为0.76。 ? 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。 ? 由此可见,内反射作用才是提高刻面宝石亮度的真 正潜力。 光线在宝石内的全内反射作用 i – 入射角;r – 折射角;θ – 临界角 ? 宝石的临界角(i )与其折射率(n)有关,可用下 式表示: ? 由式中可以看出,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。 ? 如果这些角度设计不当,过大或过小都会导致刻面 宝石的厚度过大或过小,使光线不能从正面出射而 是在亭部漏失,造成宝石外观亮度的减弱。 主要刻面角度对产生内反射亮光的影响 ? ① 只有当琢型的各部分比例和角度合适时,才能使 光线在亭部产生全内反射作用,而从冠部射出,呈现 较好的内反射亮光; ? ② 如果亭部主面角度过大,会造成亭部的比例过深, 使光线在亭部刻面上发生折射作用,从亭部侧面漏 出体外(称第二次漏光现象),导致光线损失,亮度 较弱; ? ③ 如果亭部主面角度过小,会造成亭部的比例过浅, 也使光线在亭部刻面上发生折射作用,从亭部背面 穿透漏失(称第一次漏光现象),导致亮度不佳; ? ④ 如果冠部的主面角度不当,除可能会造成亭部漏 光外,还会使经过亭部的内反射光线在到达冠部刻面 时再次发生内反射,最终也要导致亮光的重大损失。 刻面宝石折射率与其临界角、冠角、亭角的关系范围表 折射率 临界角 1.40 – 1.60 45°36′- 38°42′ 1.60 – 1.80 38°42′- 33°42 1.80 – 2.00 33°42′- 30° >2.00 <30° 冠主面角 40°- 45° 37°- 43° 35°- 37° 34°- 35° 亭主面角 43°- 45° 39°- 43° 41°- 42° 40°- 41° (2)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。 ? 火彩现象主要出现于具有高色散率的无色和浅色的 透明宝石,并与琢型的比例和角度等因素密切相关。 1)色散与色散值 ? 色散是由于组成白光的各种波长的光都以不同的角 度折射而导致白光分解为可见光谱组成色的现象。 ? 同理,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。 ? 色散值是反映材料色散强度的物理量。通常用弗朗 霍芬谱线nm)相当的 蓝紫光与红光所测得的折射率之差值作为色散值。 ? 钻石的G线 ? 钻石的B线 ? 则,钻石的色散值 = 2.451-2.407 = 0.044 ? 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。 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: ? ①白光从冠部斜刻面出射的色散作用产生火彩 ? ②白光从冠部台面出射的色散作用产生火彩 ①白光从冠部斜刻面出射 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 – 折射角 ? 由于光线是从宝石(光密介质)向外即空气(光疏 介质)折射,故各种色散光的折射角均大于入射角。 ? 火彩的强弱与冠部倾斜刻面的倾角有关,刻面倾角 越大,光线的入射角也越大,各种色散光的差异也 会随着入射角的增大而增大,色散作用也增强,火 彩也越明显。 光线从钻石冠部斜刻面出射时的色散 入射角 0° 5° 10° 15° 20° 23°65′ 大于24°26′(临界角) 色散角 (折射出钻石的紫光与红光之间的 夹角) 0° 0°19′ 0°42′ 1°12′ 2°13′ 12°57′ 发生全反射 ? 因此,为了得到更强的火彩,就要使从宝石冠部出 射光线的入射角越接近临界角越好。 ②白光从冠部台面出射 光线从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。 光线从钻石冠部台面出射时的色散 冠部角 (冠部角指冠部主刻面与腰棱平面的夹 角) 10° 20° 30° 35° 40° 色散角 0°04′ 0°09′ 0°13′ 0°15′ 0°17′ ? 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。 (3)闪烁 ? 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。 ? 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。 ? 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。 2、琢型面角比例与光学效果的关系 ? 影响宝石光学效果的主要因素是:亭部角度、冠部 角度、台面比例。 (1)亭部角度 琢型亭角对光学效果的影响 (a)明亮度均匀强烈;(b)明亮度差,呈鱼眼现象;(c) 明亮度差,呈黑底现象 (2)冠部角度 冠部角度对从台面出射光的影响 (a)冠角合适,色散较强;(b)冠角偏小,色散减弱 冠部角度对从斜刻面出射光的影响 (a)冠角合适,光线在冠部射出;(b)冠角过大,光线)台面比例 冠部刻面大小对亮度和火彩的影响 (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 ? 但是,随着台面比例减小和火彩增强,亮度会相应 减弱;并且,当台面小到一定程度后,不仅亮度受 损,火彩也同样受损。 ? 所以,台面并非越小越好。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。 ? 一般认为,台宽比在53%~66%范围内为宜。 3、琢型角度和比列的确定 ? 确定琢型角度和比例的方法很多,有查表法、估算 法、类推法、理论计算法、电脑模拟法等,这里仅 介绍前三种方法。 (1)查表法 ? 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,常见宝石材料的折射率、临界角 及其琢型主要角度数据见《宝玉石加工 试验指导 书》。 宝石材料 金红石 合成金红石 金刚石 立方氧化锆 锆石 石榴石 刚玉 合成刚玉 金绿宝石 尖晶石 折射率 2.616-2.903 2.616-2.900 2.419 2.165 1.925-1.991 1.735-1.89 1.760-1.770 1.760-1.770 1.746-1.755 1.718 临界角 22°21′ 22°31′ 24°25′ 27°31′ 32°02′ 35°05′ 34°37′ 34°37′ 34°56′ 35°36′ 冠主角 亭主角 34° 41° 34° 41° 35° 41° 36° 41° 35° 41° 37° 42° 37° 42° 37° 42° 37° 42° 37° 42° 宝石材料 橄榄石 长石 电气石 磷灰石 黄玉 绿柱石 石英 蛋白石 折射率 1.654-1.690 1.654-1.673 1.642-1.644 1.632-1.646 1.630-1.633 1.575-1.583 1.544-1.553 1.450 临界角 37°18′ 37°18′ 38°01′ 37°45′ 37°50′ 39°13′ 40°20′ 43°36′ 冠主角 亭主角 43° 39° 43° 39° 43° 39° 43° 39° 43° 39° 42° 43° 42° 43° 41° 45° ? 通过查表,可以很方便的获得冠角和亭角数据(理 论值),但这两项数据只能供设计冠主面和亭主面 时参考,对于其它小面角度和比例的确定,光效应艺术还需要 采用其它的方法。 (2)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5 0%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°) (3)类推法 ? 在一些宝石加工教科书或技术手册中,通常所给出 的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。 ? 以下以圆明亮琢型为例,利用石英的角度推 算出黄玉的角度: 石英 冠主面 42° 星小面 -27° 差 值 15° 黄玉 冠主面 43° 差 值 -15° 星小面 28° 上腰面 44°~47° 冠主面 -42° 差 值 2°~5° 冠主面 43° 差 值 +2°~5° 上腰面 45°~48° 下腰小面 45° 亭主面 -43° 差 值 2° 亭主面 39° 差 值 + 2° 下腰面 41° 作业 ? 1、用估算法计算:腰棱直径为1cm的圆明亮型的尖 晶石的面角比例。 ? 2、用类推法计算:锆石的琢型角度。 二、宝石琢型设计的美学原理 ? 宝石琢型设计一般需要考虑体现质美和形美两个方 面的因素。 质美: ? 指由宝石自身性质产生的感官美 。 ? 有些是显而易见的,如颜色、透明度、光泽、质地 等。 ? 有些质美是潜在的,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。 ? 宝石琢型设计强调质美和形美的高度和谐和统一。 宝石琢型设计的造型形式美法则 ? 造型形式美法则是美学中的一个概念,其大意是指 从形式美的独立意义出发,按照一定规律和法则创 造美的形式的科学。 ? 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。 祖母绿型 标准圆钻型 ? 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。 ? 对称是琢型设计中的基本要素之一,也最常见的设 计表现形式。 圆弧混合型 锯齿型 ? 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。 ? 这是一种表现形式间差异性的法则,其主要作用在 于使造型产生生动的效果,使之富于活力。 雪花琢型 ? 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。 歪斜琢型 ? 5、渐 变 ? 指在一个造型中,使刻面呈连续、近似形态的有秩 序排列。 ? 这种造型形式能增加宝石琢型的层次感。 螺旋型 蜂巢型 ? 6、韵 律 ? 指在一个造型中,使不同刻面间具有规律的节奏和 律动变化,其作用是使造型产生动感、富有生气, 或具有抒情的意味。 祖母绿型 标准圆钻型 圆弧混合型 ? 7、比 例 ? 即在造型构成中,使宝石琢型的各部分比例及各刻 面的大小配置符合理想的尺度,以体现出和谐的比 例美。 ? 8、和 谐 ? 和谐也称多样统一,也就是将造型形式的各要素集 中于宝石琢型设计之中,使之成为完美和谐的统一 体。 ? 和谐是对前面法则的高度概括,为造型设计中的最 高法则,也是评价设计琢型美学效果的最终依据。 AGTA宝石设计比赛得奖作品 ? 6名宝石雕刻家荣获17个奖项及5个获提名表扬。 ? 得奖作品于2001年1月31日至2月5日在美国亚利桑那 州土桑宝矿石展公开展出。 ? 比赛分为经典宝石,琢面,雕刻,混合,艺术品及 配对与配套六个组别。 ? AGTA指出,是项比赛让外界有机会欣赏宝石商和宝 石雕刻家的作品,并透过相互竞争,促进宝石切割 艺术的发展。 配对与配套组冠军:锰铝榴石 经典宝石组冠军:10.18ct蓝宝石 琢面组冠军:12.93ct菱锰矿 琢面组亚军:46.56ct海蓝宝石 琢面组季军:83.33ct橄榄石 混合组冠军:42.92ct紫黄晶 混合组亚军:35.25ct黄晶 混合组季军:38.56ct紫黄晶 混合组季军:96.85ct海蓝宝石

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