На чтение 24 минПросмотров16Комментарии0Опубликовано
Измерения цвета драгоценных камней сложно производить с помощью обычных систем упорядочения цветов. Узнайте, как последние достижения в области колориметрии повысили точность.
Одной из важнейших задач геммологии является разработка точной, простой, последовательной и воспроизводимой методики измерения цвета драгоценных камней и технических характеристик. Идеальным решением является колориметр для драгоценных камней. Однако такой прибор должен учитывать уникальные оптические свойства драгоценных камней, такие как блеск и плеохроизм, которые делают драгоценные камни чрезвычайно сложными образцами для инструментального измерения.
Ограничения систем цветовых диаграмм для измерения цвета драгоценных камней
До середины 80-х годов был достигнут незначительный прогресс, несмотря на появление и широкое продвижение различных систем цветовых диаграмм. Ни одна из этих систем не является удовлетворительной для геммологии, главным образом потому, что: 1. Они неадекватно охватывают весь диапазон цветов драгоценных камней, 2. Они недостаточно подробно описывают диапазоны, которые они охватывают, и 3. Материалы для нанесения цветовой гаммы (печатные цвета и прозрачные пленки) недостаточного качества, чтобы предотвратить отклонения в производственных циклах.
Трехмерное цветовое пространство
Наука колориметрии хорошо зарекомендовала себя практически во всех областях деятельности, где важен цвет, таких как краски, пластмассы, текстиль и другие промышленные и потребительские материалы. Объективные приборы в настоящее время широко используются в этих областях. Однако до появления таких инструментов людям приходилось полагаться на визуальные системы, такие как цветовые диаграммы, для определения цвета. Эти диаграммы представляют собой разделы того, что мы можем назвать трехмерным цветовым пространством. Эти параметры называются оттенком, светлотой и насыщенностью.
Оттенок
Оттенок — это атрибут, который мы описываем, когда говорим о красном, желтом, зеленом, синем, фиолетовом и других оттенках, промежуточных по отношению к соседним парам в этом ряду. Эти оттенки можно легко визуализировать с помощью цветового круга.
Легкость
Также называемая значением или тоном, шкала светлоты — это шкала с белым и черным в качестве конечных точек и оттенками серого между ними. Однако обратите внимание, что все хроматические цвета также могут быть масштабированы до светлоты в зависимости от их общей отражающей способности. Светлоту можно визуализировать в виде вертикальной оси с белым вверху и черным внизу.
Насыщенность
Также называемая цветностью, насыщенность — это показатель количества оттенков в цвете, его яркости или того, насколько он отличается от серого цвета той же светлоты. Цветность можно увидеть на вертикальных участках трехмерного цветового пространства. Участок вдоль определенного радиального направления цветового круга обозначается как определенный оттенок. Более светлые оттенки этого оттенка расположены в верхней части разреза, более темные — в нижней. Цветность (яркость) оттенка увеличивается при движении наружу от центральной оси. Диапазон цветности зависит как от оттенка, так и от светлоты, что делает сплошной цвет неправильной формы, а не простым яйцевидом или сферой.
Системы упорядочивания цвета
Разделение сплошного цвета на более мелкие единицы и присвоение каждой из них названия или набора числовых координат позволяет получить спецификацию цвета. В результате получается классификация, известная как система порядка цветов. Сплошной цвет может быть разделен многими способами. Неудивительно, что существует также множество систем упорядочения цветов.
Некоторые системы упорядочения цветов, созданные в первые десятилетия 20-го века, были представлены диаграммами, выполненными красками, нанесенными на бумагу. Архитекторы и дизайнеры использовали систему Вильгельма Оствальда для выбора цвета и спецификации. Биологи использовали систему Роберта Риджуэя для классификации тысяч образцов флоры и фауны. (Некоторые из этих старых систем, такие как системы Оствальда и Риджуэя, используются до сих пор). Таким образом, потребность в точных измерениях цвета и спецификациях была твердо установлена еще до того, как появились приборы и связанные с ними системы упорядочения цветов.
Система A.H. Munsell
Пожалуй, самой популярной и широко распространенной из систем определения порядка цветов в виде диаграмм является система, разработанная А. Х. Манселлом и тщательно переработанная Американским оптическим обществом (OSA) в 1943 году. Шкала оттенков Манселла основана на пяти оттенках, равномерно расположенных по кругу оттенков (красный, желтый, зеленый, синий, фиолетовый) и промежуточных оттенках (желто-красный, зелено-желтый, сине-зеленый, фиолетово-синий, красно-фиолетовый). Основные оттенки обозначаются сокращенно R, Y, G, B и P, а промежуточные — YR, GY, BG, PB и RP.
Дальнейшее разделение приводит к сорока диаграммам оттенков в Книге цветов Манселла. Цвета отображаются на этих диаграммах с интервалом значений (светлоты) в одну единицу от 2 до 9. Цветность (насыщенность) представлена в целых единицах измерения в диапазоне от 2 (почти серая) с двухступенчатыми интервалами до 14 и 16 для наиболее ярких цветов. Система счисления — десятичная, что позволяет точно указывать цвета. Цветные книги Munsell доступны как в матовом, так и в глянцевом исполнении, причем в последнем насчитывается около полутора тысяч цветов.
Все эти системы определения порядка цвета (включая более поздний немецкий стандарт DIN 6164 и шведскую стандартную систему естественного цвета) имеют определенное сходство. Отбор цвета осуществляется по линиям постоянного оттенка (или аналогичному показателю). Таким образом, соответствующие цвета на соседних диаграммах оттенков визуально удаляются друг от друга по мере того, как они становятся все более насыщенными (то есть удаляются радиально от центра цветового круга). Таким образом, самые яркие цвета более удалены друг от друга, чем менее яркие, часто в пять и более раз.
Эти цветовые диаграммы не подходят для измерения цвета драгоценных камней, поскольку в них недостаточно ярких цветовых областей и они недостаточно расширены для анализа драгоценных камней. Цветовую гамму ярких прозрачных драгоценных камней просто невозможно передать непрозрачными цветами на бумаге. Кроме того, непрозрачные цвета краски не похожи на прозрачные драгоценные камни, даже если цвета на самом деле одинаковые.
Система CIE
Важный шаг вперед был сделан в 1931 году, когда международное внедрение системы Международной комиссии по цвету (CIE) привело к росту интереса к измерениям цвета и техническим характеристикам, особенно с помощью колориметрии. Система CIE включала стандартные источники освещения (лампы накаливания, солнечный свет, северный дневной свет), стандартного наблюдателя и стандартные функции реагирования зрительной системы человека. CIE продолжает оставаться главной международной организацией в области исследований цвета и стандартизации. С 1931 года она внесла важные улучшения и дополнения в первоначальную концепцию.
Цветовая индустрия была основана на исследованиях и разработках спектрофотометров и колориметров, способных проводить измерения и представлять данные в терминах CIE. Однако это создало проблему с существующими системами упорядочения цветов. Такие системы обязательно должны быть визуально разнесены, чтобы они выглядели при определенном источнике света. Визуальные расстояния и общий вид будут соответственно изменены, если будут использоваться другие источники. Если для таких цветов публикуются данные CIE, цифры действительны только для источника света, для которого были рассчитаны данные измерений.
Цветовое пространство CIE визуально неоднородно. Более однородное цветовое пространство делает определение допусков и небольших цветовых различий более значимым и, следовательно, более полезным для науки и промышленности. Были проведены обширные исследования для математического преобразования данных CIE в более визуально однородное цветовое пространство.
Система Hunter
В 1942 году Ричард С. Хантер разработал фильтрующий колориметр для измерения цвета непрозрачной поверхности и, в дополнение к нему, систему упорядочения цветов Hunter. Это преобразование данных CIE с использованием простых уравнений, которые были включены в вычислительные элементы прибора. Пространство Hunter было типа «противоположный оттенок» или «оттенок соперника», как показано ниже.
Когда атрибут охотника a положительный, цвет приобретает красный оттенок; когда отрицательный — зеленый. Аналогично, при положительном значении b цвет приобретает желтизну; при отрицательном — голубизну. Третьим атрибутом Охотника была L для светлоты. Равные шаги по трем шкалам (L, a, b) были предназначены для представления равных визуальных шагов в нескольких цветовых направлениях, что позволяло просто вычислять цветовые различия по формуле:
ΔΕ= √(ΔL²+ Δa²+ Δb²)
Где дельта (Δ) Ε обозначает разницу в цвете.
Сегодня обычной практикой для цветоизмерительных приборов является включение цветовых обозначений Hunter в качестве опции считывания результатов измерений. Хотя образцы цвета материалов никогда не производились для иллюстрации цветового пространства Hunter, практически одинаковый визуальный интервал стал очень полезным для описания цветовых характеристик и допусков в промышленности и внес важный вклад в продажу и использование этих инструментов.
CIELAB Space
CIE и другие продолжали работать над созданием цветового пространства с улучшенными визуальными интервалами. В 1976 году было рекомендовано пространство CIELAB. Подобно Hunter space, CIELAB space представляет собой математическое преобразование данных CIE и наносится на график в прямоугольных координатах. Цветовые атрибуты CIELAB обозначаются как L* (L-звезда), a* (a-звезда) и b* (b-звезда), чтобы отличать их от Hunter, и имеют те же номинальные значения. Как и в случае с Hunter, CIELAB является стандартным индикатором для современных приборов.1
Система OSA-UCS
Оптическое общество Америки-Система равномерного цветового интервала (OSA-UCS), система противоположных оттенков, разработанная Оптическим обществом Америки, является не только улучшением по сравнению с интервалом Манселла, но и прямым преобразованием CIE. Цвета OSA-UCS (на момент написания статьи 558 цветов, доступны в виде образцов размером 2 x 2 дюйма) представлены в шкалах с интервалом в две единицы по цветности и одну по яркости. Прототип коллекции OSA color, произведенный в Дании, показывает интервалы шкалы цветности всего в одну единицу с шагом яркости 0,5 и более двух тысяч цветов. Цвета OSA-UCS являются лучшим примером равномерного цветового интервала, произведенного на сегодняшний день, и, вероятно, вскоре появятся в качестве опции считывания на приборах.
Измерения цвета драгоценных камней
Некоторые геммологи безуспешно пытались использовать существующие приборы для определения цвета драгоценных камней. Производители приборов не считают, что геммология гарантирует дорогостоящие исследования и разработки, необходимые для разработки инструментов, специально применимых к драгоценным камням. Существующие цветовые диаграммы и упрощенные оптические устройства, используемые в настоящее время геммологами, серьезно ограничены в точности и полезности.
Недавний вывод на рынок компанией Minolta Camera Co. недорогого портативного колориметра побудил нескольких исследователей модифицировать этот прибор для колориметрии драгоценных камней. Одним из первых был доктор Ричард Петтиджон. Он попытался адаптировать датчик Minolta для конкретного использования с драгоценными камнями, уменьшив размер луча и добавив стеклянную пластину для крепления датчика и небольшое зеркало для отражения света, проходящего через камень, к датчику. Однако такое расположение было слишком неточным и неповторяемым, чтобы быть жизнеспособным решением. Более того, расположение зеркал диктует, что «стандартным» источником света для измерения должна быть ксеноновая лампа-вспышка, встроенная в устройство, а не независимо измеренный стандарт белого.
Дж. Реннилсон и У.Н. Хейл разработали улучшенную версию этого прибора, также использующую колориметр Minolta. Стекло и зеркало заменены небольшой интегрирующей сферой с белой подкладкой. Луч света диаметром 2 мм снизу освещает драгоценный камень, установленный на прозрачной пластинке по центру сферы. Свет, отраженный от драгоценного камня, смешивается с светом, прошедшим через него, и улавливается выходным отверстием детектора в стенке сферы. Этот колориметр с запатентованной геометрией подсветки и коллекционирования достаточно точен и воспроизводим для работы с драгоценными камнями. Данные выводятся в формате CIE data (Y, x, у) и CIELAB (L *, a *, b *) для стандартного источника освещения CIE D65 или C (оба представляют стандартный дневной свет в несколько иной форме). Этот вид приборов, вероятно, произведет полную революцию в области драгоценных камней, привнеся порядок и объективную реальность в хаотичную систему расплывчатых и часто устаревших терминов для измерения цвета и спецификаций драгоценных камней.
Прибор Реннилсона-Хейла еще не был доступен, когда была подготовлена таблица измерений цвета драгоценных камней в конце этой статьи. Поэтому использовался прибор Петтиджона. Геометрия освещения и обзора дает результаты, которые не являются такими точными и последовательными, как интегрирующая сфера / волоконно-оптическая система Реннилсона и Хейла. Кроме того, преобразование данных CIELAB в систему обозначений Манселла было выполнено с помощью микрокомпьютера Minolta DP-100.2
Ошибки при преобразовании могут возникать из-за ограниченной емкости хранилища данных этого устройства.3 Дальнейшие ошибки неизбежны при попытке проиллюстрировать драгоценные камни фотографией и печатным воспроизведением на бумаге.4 Следовательно, приведенные в таблице числовые данные о цвете не следует считать достаточно точными, чтобы установить контрольные точки для конкретных видов драгоценных камней. Однако эта степень погрешности невелика по сравнению с фактическими изменениями цвета, проявляемыми большинством видов. Настоящая цель этой статьи и этих измерений — впервые в геммологической литературе установить номенклатуру, направление и методологию научных, точных, воспроизводимых и объективных измерений и спецификаций цвета драгоценных камней. Сами цифры считаются менее важными в данном контексте, чем понимание того, как они были получены, и последствий этой новой технологии для геммологии и рынка драгоценных камней.
Примечания
Доктор Джоэл Арем глубоко признателен У. Н. Хейлу-младшему, частному консультанту по цвету и 22-летнему ветерану Munsell Color Co., Inc (как президенту и техническому директору), который предоставил значительную часть этого текста. (Hale Color Consultants, Inc., 1505 Phoenix Road, Феникс, Мэриленд, 21131).
В терминологии CIELAB цветность рассчитывается на основе a * и b * следующим образом: Цветность = C * = √ (a * 2 + b * 2)
Неоценимую помощь в преобразовании измеренных значений L * a * b * в числа Манселла, наряду со многими ценными предложениями, оказал Ричард Э. Маккарти из Силвер-Спринг, Мэриленд.
Данные о цвете драгоценных камней, представленные здесь, представлены в виде показаний CIELAB и соответствующих обозначений Манселла. Преобразование в числа Манселла является прямым преобразованием CIELAB. Не предпринималось попыток упростить результирующие значения Munsell в соответствии с ограниченным диапазоном реальных образцов цвета Munsell. Это приблизительное значение предоставляется читателю.
Многие драгоценные камни, сфотографированные в Энциклопедии драгоценных камней Arem, были измерены с помощью колориметра Петтиджона-Минолты. Перекрестные ссылки на эти драгоценные камни приведены в разделе цветных табличек в конце Энциклопедии цветов Arem, а приведенная в таблице информация о цвете относится к конкретным цветам, формам и весу драгоценных камней, что облегчает сопоставление с фотографиями.
Примечание редактора: IGS с благодарностью признает вышеизложенное работой доктора Джоэла Арема. Мы глубоко благодарны ему за то, что он позволил нам изменить назначение этого контента с указанием авторства.