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1、第四章 宝石的颜色 第一节 宝石颜色的概念 一、颜色的定义 颜色是眼睛和神经系统对光源的感觉，它是光源在眼睛的视网膜上形成的讯号刺激大脑皮层产生的反应，这种生理的反应就是颜色的感觉。产生宝石颜色的三要素：光源、宝石和观察者(器)。没有光，就不能感知颜色；没有宝石，就无法感知颜色的对象；没有眼睛或观测器，就无法感知颜色的存在。光与色之间有着不可分割的密切关系，光是产生色的直接原因，色是光被感觉的结果(见图1-4-1)。二、可见光光谱 1可见光光谱 可见光是一种电磁波，在整个电磁波谱中，能引起人眼视觉的仅占很小部分(见图1-4-2)。物理学上将波长在380760nm之间可以被人的肉眼视觉的光称为可
2、见光。不同波长的光具有不同的颜色，它们从长波一端向短波一端的顺序依次为红色(700nm)、橙色(620nm)、黄色(580nm)、绿色(5lOnm)、蓝色(470nm)、紫色(420nm)，两个相邻颜色之间可有一系列过渡色。 然而颜色与波长的上述对应关系并不是完全固定的，在光谱中除了三点即572nm(黄)、503nm(绿)和478nm(蓝)的颜色不受光强度影响外，其余颜色在光强度增加时，都略向红色或蓝色偏移。如在光强度增加的条件下，原本525nm的绿色看上去微具蓝色(见图1-4-3)。 2人眼对可见光光谱的分辨能力人眼对可见光光谱有敏锐的分辨能力。在540nm附近及可见光光谱两端，人眼具有最高
3、分辨能力，在这些范围内，只要波长改变lnm，人眼便能分辨出颜色的差异；在多数部位需改变12nm，人眼才能分辨出颜色的变化。在整个可见光光谱中，正常视觉可分辨出100多种不同的颜色。 三、宝石的颜色及宝石颜色的分类 宝石的颜色 宝石的颜色是宝石对不同波长的可见光相互作用的结果。一般情况下，我们看到某一宝石的颜色，是由于宝石自身的致色因子对光源的不同波长或能量具有不同程度的选择性吸收和透射或反射所致。当光照射到宝石上，部分被反射，部分被吸收，部分被透过。透明的宝石以透射光为主，兼有对光的反射，颜色主要由透过的光谱组成所决定；不透明宝石以反射为主，兼有透射和吸收，颜色则以反射光谱为主。例如：我们看到
4、的一粒红宝石的色调为红色，是因为红宝石中杂质铬离子不同程度地选择性吸收了光源中黄绿光和蓝紫光，而透射出橙、红光及部分蓝光(未被吸收的残余能量的组合)。宝石的颜色可分为非彩色系、彩色系两类。 彩色系 指太阳光谱中的各单色光及其复合色光，彩色除了有明度差异，还有色相和彩度的差异。宝石对不同波长的可见光选择性吸收时，宝石就有了各种颜色，所呈现的颜色是残余光中各色光的混合色，绝大部分宝石属彩色系列。 非彩色系 指由白色、黑色及它们之间过渡的灰色系列，称为黑白系列。纯白色反射率为100，纯黑色为0。非彩色只有明度的差异。当反射率达到8090以上时呈白色，吸收率在80一90以上时呈黑色，介于二者之间呈灰色
5、。非彩色系列的宝石有无色钻石、无色水晶、无色长石，还有黑玛瑙、黑曜岩等。 第二节 宝石颜色的表征方法 一、宝石颜色的表征方法 根据中国颜色体系国家标准，表征颜色的三个重要的物理量分别为：色相、明度、彩度。 1色相Hue 色相(也称为色彩)是颜色的主要标志量，是各颜色之间相互区别的重要参数，红、橙、黄、绿、青、蓝、紫及其他的一些混合色名均是由色相的不同而加以区分之。色相的划分并非绝对，常见6色、8色、20色、100色，但无论数目多少，其划分方法仅有一种，即把各色相按太阳光谱中的波长顺序进行排列，构成一个色谱带(见图1-4-4)。彩色宝石的色相取决于对可见光的选择性吸收。 由单色相组成的宝石，在自
6、然界中几乎不存在，绝大多数宝石的颜色均是由多种不同波长的色相相互组合而形成的混合色。色相混合主要表现为以下三种：加色混合、减色混合、中性混合。以下仅讨论与宝石色相有关的加色和减色混合。 加色混合 即色光三原色(R、G、B)按不同比例混合，以获得更多的色相。加色混合效果是借助人的视觉器官来协调完成的，因而它是一种视觉混合。加色混合的作用是提高宝石的色相和明度，但其彩度不变。三原色按一定比例可混合为白色(见图1-4-5)。为标准化起见，国际照明委员会CIE(CIE是法文CommissionInternationaldelEclairage的缩写词)规定红、绿、蓝三原色的波长分别为700nm、546
7、1nm、4358nm。通常取光通量为1光瓦的红基色光为基准，于是要配出白光，就需要45907光瓦的绿光和00601光瓦的蓝光，而白光的光通量则为：申v=1+45907+00601=56508光瓦。 减色混合 指颜料三原色Y、M、C按不同比例的混合，混合后的色调成分越多，其黑浊度越大。三原色按一定比例混合则为黑色(见图1-4-6)。由加色混合和减色混合组成最常见的12色相环(见图1-4-7)。 2明度Value 明度(也称亮度Luminance或色调Tone)指光对宝石的透、反射程度，对光源来讲，即相当于它的亮度。明度是人眼对宝石表面的明暗感觉，一般而言，宝石的光反射率越高，明度越高。 3彩度C
8、hroma 彩度(也称饱和度Saturation)指彩色的浓度或彩色光所呈现颜色的深浅和鲜艳程度。对于同一色相的彩色光，其彩度越高，颜色就越深，或越纯；反之彩度越小，颜色就越浅，或纯度越低。高彩度的彩色光可因掺人白光而降低纯度或变浅，变成低彩度的色光。彩色光中灰色成分越多，其彩度越低。彩度以可见光谱中单色光为最高或最大，作为100100=1，当混入其他色光后变不纯，其数值变小，纯白色的彩度等于零。彩度通常用Pe表示。色相、明度、彩度三者间的关系见图1-4-8。 二、宝石颜色的测量 宝石颜色的定量或度量十分复杂，它涉及到观察者的视觉生理和心理、照明和观察条件等问题。定量表征颜色的体系称为表色系。
9、 颜色定量测量常用的系统有CIE色度学系统和孟塞尔颜色系统。一般来说，两个系统测量的对象有所不同：CIE(国际照明委员会)色度学系统侧重于对色光的测量，孟氏系统则测量物体的表面色。色度学系统主要用色度坐标来描述光谱色和光谱混合色的明度、色相、彩度。现代色度学系统采用CIE所规定的一套颜色测量原理、数据和方法，即CIE标准色度学系统。孟塞尔颜色系统是用颜色立体模型表示表面色的一种方法(表色体系)。它可以把表面色的三种基本特性明度、色相、彩度，用三维坐标形式全部表征出来。 11931 CIEXYZ表色系 如果色光是单一波长的光，那么匹配所得到的数量就是这个单色光的刺激值。如果波长遍及可见光范围，则
10、得到刺激值按波长的变化，这个变化称为光谱三刺激值。CIERGB光谱三刺激值是317位正常视觉者，用CIE规定的红、绿、蓝三原色光，对等能光谱色从380nm到780nm所进行的专门性颜色混合匹配实验得到的。匹配光谱每一波长为等能光谱色所对应的红、绿、蓝三原色的数量，称为CIERGB光谱三刺激值，记为r(A)、g(入)、凸(A)。因此，匹配某波长入的等能光谱色C(A)的颜色方程为 C(入)=r(入)(R)+g(入)(G)+b(入)(B) 在颜色匹配实验中所得到的R、G、B的量值称为颜色三刺激值。在XYZ标准色度系中，光源、颜色、宝石的透射及反射颜色等自然界所能观察到的任何颜色均能由x、r、Z这三个
11、参数来表征，表示匹配某种颜色时所用的三原色的数量，即三刺激值。由于三刺激值X、Y、Z是三种独立的数值，即： X Y Z x = y= z= X+Y+Z X+Y+Z X+Y+Z 上式中：x、y、z为XYZ制的色度坐标，且三个色度坐标中有一个是不独立的，因而可以用x，y直角坐标系来表示各种色度，这种平面图形就是CIE色度图。 任何一个颜色(物体色或光源色)，都能用独立的线性无关的三个原色适当地相加(减)混合与之匹配。实验证明：用红、绿、蓝三原色产生其他各种颜色最方便，所以这三种颜色是最优的三原色。三原色量的多少用三刺激值(X、Y、Z)表示，而其中的r值表征物体色的明亮程度。CIE标准色度学系统用三
12、刺激值X、Y、Z和色晶坐标x、y、z来定量表示每一个颜色。对于无色或微带颜色的物质可通过三刺激值计算其“白度”(用黄度指数表示)来表征其颜色状况。 确定彩色的标准坐标系统，称为CIE色度图。图1-4-9中的偏马蹄形曲线是光谱轨迹，凡是偏马蹄形曲线内部的所有坐标点(包括这条封闭曲线本身)都是物理上能够实现的颜色。正点称为“等能白”，这是一个假想的白光，而用于颜色测量中的三个由CIE规定的标准光源A、C、D则分别位于正点的周围(物体的颜色与照明光源有关)。在该色度图上：马蹄形曲线为400700nm可见光光谱的轨迹，从光谱红端700540nm的绿色光谱轨迹几乎是直线，此后光谱轨迹突然转弯，颜色从绿转
13、为蓝一绿、蓝和紫色波段压缩在光谱轨迹尾部较短的范围内;400700nm的直线代表了非光谱色，它们是由紫光与红光混合而得到的一系列深浅不同的紫红与晶红；本坐标系统的三个原色点中，红原色(X)的坐标为x=l，y=z=0，绿原色(Y) 是y=l，x=z=0，蓝原色(Z)是z=1，x=y=0，都落在马蹄形光谱轨迹之外；y=0的直线为无亮度线；f是理论上的白光的投影点，由三原色X、Y、Z等量混合而成，其色度坐标为xE=0333，yE=0333，zE=03333，通过正点的任何直线与光谱轨迹相交两点所代表的颜色互为补色；C点是CIE标准光源C的投影点，C光源的色温为6774K，代表平均日光。根据颜色色度坐
14、标值及色度图上的投影点可以较准确地了解颜色特点。如某宝石的颜色色度坐标值为x=016，y=055，将x、y投影于色度图中得到投影点S，过S正作直线并延长交光谱曲线于S点，S点所指示的波长为5113nm，该波长值即是该颜色的主波长，它粗略地代表人眼对宝石颜色的感觉，说明该宝石的大致颜色为绿色。再看S点与光源坐标正点的距离，S点越接近百点，说明该色纯度(相当于彩度)越低，即颜色越不鲜艳。刺激值中的Y值大致表示了该颜色的明度。 2按标准色样的表色系 孟塞尔表色系统是根据颜色视觉特点所制定的颜色分类和标定系统，已被国际上广泛采用作为分类和标定表面色的方法。孟塞尔用一个三维空间的类似球体模型来表示各种表
15、面色的三种基本特性：色相、明度、彩度(见图1-4-10(a)，其球体的中央轴代表无彩色白黑系列中性色的明度等级，白色在顶部，理想白色明度值定为10，黑色在底部，理想黑色明度值为10。如图所示，颜色立体水平剖面上的各个方向代表10种孟塞尔色相，分别用英文名称的字头表示：红(R)、黄(Y)、绿(G)、蓝(B)、黄红(YR)、绿黄(GY)、蓝绿(BG)、紫蓝(PB)、红紫(RP)。细分时每个色相又分成10个等级，从110。样品离中央轴的水平距离代表彩度的变化，在孟塞尔系统中称为孟塞尔彩度，中央轴的彩度为0，离开中央轴愈远，彩度数值越大。 为了便于使用，美国国家标准局和美国光学会不断修订并出版了孟塞尔颜色图册。最新版本的孟塞尔颜色图册包括两套：一套
