第1节 宝石琢型设计光学原理

3.1.1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，主要表现在三个方面：

　　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，二者的总和即为宝石的整体明亮度。

（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。

　　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。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 ，代入上述公式计算:

　　则得到刚玉的表面反射率R为0.76。也就是说仅有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，则宝石的亮度必将大幅度提高。由此可见，内反射作用才是提高刻面宝石亮度的真正潜力。

如下图所示，只有设法使进入宝石体内的折射或直射光线在到达亭部各刻面的入射角大于全反射临界角，以及最后反射到冠部各刻面时的入射角小于临界角，这样才能使光线最大限度地从宝石正面（冠部）射出。

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
(a) 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

上图表示了琢型的主要刻面角度对产生内反射亮光影响的几种情况：

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。

下表是刻面宝石的折射率与其临界角、冠主面角和亭主面角的关系范围数据，可供刻面宝石琢型设计时参考。从表中可以看出，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。

刻面宝石折射率与其临界角、冠角、亭角的关系范围表

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