Предлагаемая Вашему вниманию статья была опубликована в Вестнике Геммологии (Gemological Bulletin) №1(4), 2002, стр. 37.
Идея написания данной статьи возникла в результате многочисленных и ожесточённых обсуждений проблемы определения цвета огранённого камня, связанных с разработкой Гохраном России ГОСТа на изумруды и ТУ на рубины и сапфиры. Оказалось, что геммологи в большинстве своём не знают колориметрии, поэтому мне понадобилось собрать аргументы в одном месте и подкрепить их литературными ссылками и экспериментальными данными. Основное внимание уделено наиболее спорным вопросам. Из-за недостатка времени, большая часть статьи была написана во время моего пребывания в Лаосе (поездка за сырьём сапфиров с южного месторождения).
В настоящем варианте статьи добавлена фотография российских эталонов цвета изумрудов и расширено описание цветового куба Бенсона как перспективное продолжение компьютерной системы цветов sRGB.
Главное назначение огранённого камня – служить украшением. Именно эта сторона его использования дарит радость людям, поэтому только так мы и будем его рассматривать. Недаром в русском языке красота и окраска – однокоренные слова. Для огранённых камней используемых как украшение, цвет является самым главным свойством, которое иногда определяет даже само наименование камня. Отметим, что, и стоимость наиболее ценных камней обусловлена, в первую очередь, их цветом. Поэтому перед геммологами встаёт задача количественно измерять и описывать цвета камней. Точное определение цвета необходимо для документирования камней, их сертификации и возможности общения продавца и покупателя на расстоянии. До сих пор для этого широко используются словесные описания цветов, иногда весьма экзотические, например шафранно-жёлтый или фисташково-зеленый. В таких описаниях цвет камня либо сравнивается с характерным цветом хорошо известного объекта либо используется общепонятное описание, например: желтовато-зелёный. Первый способ наталкивается на непостоянство цвета объектов сравнения, второй опирается на бытовые термины, не имеющие строгих количественных определений. Что конкретно подразумевается под такими описаниями, зависит от культурных, бытовых традиций и обычаев каждого народа и от жизненного опыта конкретного человека. Положение границы, например, между зелёным и голубовато-зелёным, зависит также от настроения и самочувствия наблюдателя, т. е. субъективно. Наука, занимающаяся объективным количественным измерением цвета, – колориметрия давно и широко используется в полиграфии, лакокрасочной и текстильной промышленности. Отставание же геммологии, объясняется тем, что она находится на стыке очень разных наук и имеет дело с весьма сложными объектами.
Цвет огранённого камня, тесно связанный с понятием красоты, является наиболее важной характеристикой, определяющей его цену и даже название. При сертификации камней и совершении торговых сделок словесного описания цвета недостаточно и возникает потребность в точном количественном его определении. Цвет является трёхмерной величиной одинаково зависящей как от свойств наблюдаемого объекта, так и от свойств освещения. Методы определения и расчёта цвета стандартизированы Международной Комиссией по Освещению в 1931 г. К настоящему времени предложено много способов измерения цвета огранённого камня и аттестации его. Наиболее объективным (и трудоёмким) из них является метод измерения спектров пропускания огранённого камня для разных лучей с последующим расчётом цветовых характеристик для любого выбранного источника света. Самым удобным, распространённым и хорошо зарекомендовавшим себя на практике является метод визуального сравнения аттестуемого камня с эталонным набором образцов различного цвета изготовленных из того же материала. Причём, для каждого минерала следует использовать специально для него разработанные эталоны. В статье даны рекомендации для создания таких эталонных наборов.
Человеческий глаз способен ощущать электромагнитные излучения с длиной волны в диапазоне от 380 до 760 нанометров. Такое, видимое глазом излучение называется светом. Попадая на сетчатку глаза наблюдателя, свет создаёт ощущение цвета. Здесь и далее мы используем исторически принятое в российской колориметрии значение термина цвет, объединяющее совокупность всех проявлений цветового ощущения. Бытовое же значение этого слова не предусматривает точного количественного его измерения. Таким образом, свет, приходящий в глаз наблюдателя из огранённого камня создаёт ощущение цвета камня. Для того чтобы иметь возможность классифицировать различные цвета, произведём анализ ощущения цвета, т. е. выделим составляющие его свойства.
Огранённый камень не является источником света сам по себе. Мы видим в нём лишь переотраженные и преломлённые изображения источника света, под которым его рассматриваем. Увеличим яркость лампочки и интенсивность света, попадающего из камня в глаз наблюдателя, возрастёт. За это изменение отвечает лампочка. Часть её излучения поглотится материалом камня, за это отвечает камень. Если материал, из которого огранён камень, совсем не поглощает излучения, интенсивность наблюдаемого света будет максимальной. Таким образом, можно ввести понятие светлоты цвета огранённого камня, которую определить как относительную интенсивность ощущаемого наблюдателем количества света, попадающего из камня в его глаз. Светлота цвета камня, материал которого не поглощает видимый свет, равна 1 (назовём цвет такого камня белым или бесцветным), а светлота цвета камня, совсем не пропускающего света, – 0 (назовём его чёрным).
Началом исследований природы света следует считать опыты Ньютона по расщеплению белого света на отдельные составляющие с помощью стеклянной призмы. Показатель преломления призмы зависит от длины волны проходящего через неё света, поэтому, в результате прохождения через неё, все сложные излучения расщепляются на составляющие их излучения с различными длинами волн. Таким образом, было доказано, что белый свет состоит из различных излучений, которые, будучи взяты по отдельности, создают ощущения цветов, отличающихся от белого. Подобные цвета мы наблюдаем в дождевой радуге. Эти излучения можно снова собрать воедино, получив исходный белый свет. Свет, состоящий из излучения только одной длины волны, назовём спектрально чистым или монохроматическим. Если огранённый камень одинаково ослабляет излучения со всеми видимыми длинами волн, то его цвет назовём нейтрально серым. Такой цвет отличается от белого или чёрного только светлотой. Если камень по-разному поглощает излучения с разными длинами волн, то его цвет может отличаться от нейтрально серого цвета любой светлоты. Это отличие в отечественной колориметрии принято называть цветовым тоном. Другими словами, для любого цвета (пурпурные цвета являются исключением и рассматриваются ниже) можно найти излучение, неотличимое от него по ощущениям и состоящее только из белого света некоторой интенсивности и спектрально чистого излучения. Длину волны этого спектрально чистого излучения принято называть доминирующей длиной волны его цвета. Таким образом, физический смысл цветового тона некоторого цвета, это значение его доминирующей длины волны. Цветовой тон показывает, в сторону какого из спектрально чистых излучений отличается излучение данного цвета от нейтрально серого. Из нашего рассмотрения не видно существования трёх, четырёх, шести или семи выделенных «основных» цветовых тонов. Существует лишь непрерывная последовательность длин волн видимого диапазона излучений. Выделение некоторых длин волн с присвоением соответствующим им цветам специальных наименований, например, голубой, зелёный или оранжевый условно и не строго. Например, при обсуждении названия цвета одного из образцов сапфира, часть специалистов назвала его синим, часть – синим со слабым фиолетовым оттенком и ещё несколько человек – синим с сильным фиолетовым оттенком. Все присутствовавшие имели нормальное цветовое зрение, тренированное для определения цвета камней и наблюдали один и тот же камень в одинаковых условиях, то есть один и тот же цвет. Выходит, что разные люди используют различные термины для описания одного и того же цвета! Ещё большие терминологические расхождения следует ожидать для представителей разных народов и культур.
После определения доминирующей длины волны или цветового тона встаёт вопрос о величине отличия цвета камня от нейтрально серого. Заменим цвет данного камня неотличимым от него по цвету излучением, состоящим из нейтрально серого (или белого пониженной интенсивности) и спектрально чистого. Теперь можно говорить о разбавлении спектрально чистого цвета белым в исходном цвете или его чистоте или насыщенности. Таким образом, насыщенность цвета данного излучения показывает, какую долю в нём составляет спектрально чистое излучение. Цвета нейтрально серых камней имеют нулевую насыщенность, а цвета камней, близкие к цветам спектрально чистых излучений имеют насыщенность 1 или 100%.
Отдельно следует рассмотреть пурпурные цвета, ощущение которых создаётся смесью фиолетовых (или синих) и красных излучений. Для таких цветов принято указывать дополнительную длину волны, характеризующую монохроматическое излучение, которое нужно добавить к данному излучению для получения нейтрально серого цвета. Дополнив ряд длин волн видимого диапазона рядом пурпурных цветов, получаем замкнутую последовательность цветовых тонов. Интуитивно понятно и наглядно их можно расположить по окружности, поместив дополнительные цвета на противоположных основным цветам сторонах. Так как цвет любого излучения определяется совокупностью составляющих его излучений с различными длинами волн, он ляжет внутри этого круга, а в центре круга расположится нейтрально серый цвет. Круги с цветами большей светлоты можно расположить выше, а меньшей ниже рассматриваемого. Таким образом, мы получаем трёхмерное цветовое тело, внутри которого располагаются все возможные цвета (рис. 1), и приходим к естественному выводу о трёхмерности цвета. То есть, для описания любого цвета необходимо и достаточно три независимых параметра (первый закон Грасмана). На рисунке изображено цветовое тело цилиндрической формы, однако, самый нижний и верхний круги, отвечающие совершенно чёрному и совершенно бесцветному камням, должны быть просто точками. Поэтому, обычно для цветового тела выбирают более сложную форму, подобную двум соединённым основаниями конусам или эллипсоиду. Описанная таким образом система классификации цвета в координатах цветовой тон, светлота и насыщенность, благодаря её естественности и наглядности, легла в основу большинства цветовых атласов. К сожалению, её естественность и простота являются иллюзией. Проблемы начинаются при попытке более точно определить введённые выше параметры цвета. Главным же недостатком такой системы является трудность проведения цветовых расчётов в столь разнородных координатах.
Трёхмерность цвета является следствием внутреннего устройства нашего глаза. Биологи выделяют два вида светочувствительных элементов сетчатки глаза человека. Это палочки, которые отвечают за восприятие света в условиях низкой освещённости и колбочки, анализирующие свет в нормальных условиях. Обычно огранённые камни разглядывают при освещённости, достаточной, чтобы вкладом палочек можно было пренебречь. Кроме того, в той области сетчатки, с помощью которой осуществляется разглядывание камня, палочки просто отсутствуют.
Томас Юнг (1773 – 1829) первым серьёзно обосновал трёхкомпонентную теорию зрения. Он проводил опыты, в которых белый цвет получался путём смешения излучений не всего видимого спектра, а только трёх! Так как Юнг придерживался волновой природы света, для него было очевидно, что трёхкомпонентность цвета можно объяснить только устройством глаза человека. Современные специальные электрофизиологические исследования показали наличие в сетчатке глаза трёх видов колбочек с максимумами спектральной чувствительности приблизительно на 611, 529 и 462 нм. Биологам до сих пор не удалось выделить в чистом виде вещества сетчатки человеческого глаза, отвечающие за цветовое зрение. Однако детальные эксперименты по сложению цветов и исследования людей с нарушениями цветового зрения позволили точно определить кривые спектральной чувствительности r0(λ), g0(λ) и b0(λ) трёх отдельных цветовых рецепторов глаза человека, связанных с колбочками (рис. 2) [3, 4]. |
Проходя через слой материала, из которого огранён камень, свет изменяется. Коэффициент пропускания камня К(λ) зависит от длины волны λ. Так как излучения с различными длинами волн поглощаются в разной степени, изменяется и спектральный состав попадающего в глаз света P(λ), который легко определить, считая, что источник света имеет спектральный состав Е(λ):
Из этого выражения хорошо видно, что сомножители, отвечающие за источник света и за камень, равноправны. Поэтому нельзя говорить о цвете камня, не оговорив спектральный состав источника света. Без освещения нет и цвета!
Если выглянуть за окно зимним утром перед самым восходом солнца, мы увидим синий снег, а если днём заглянуть в комнату, где горит лампочка накаливания, нетрудно заметить преобладание оранжевых тонов. Так проявляется различие в спектральном составе источников света разного типа. В области светотехники и близких к ней дисциплин стандартизацией измерений и расчётов занимается Международная Комиссия по Освещению – МКО (CIE – Commission International de l’Eclairage). МКО рекомендует для колориметрии четыре стандартных источника света: A, B, C и D65. Они включены и в ГОСТ 7721 – 76 «Источники света для измерения цвета», где для каждого источника зафиксирована его спектральная плотность излучения (рис 3). Стандартный источник A, воспроизводящий условия искусственного освещения лампами накаливания, определён как источник излучения, совпадающий по спектру излучения с чёрным телом, нагретым до температуры 2856K. Источник B воспроизводит прямое солнечное освещение, а источник C – дневное освещение рассеянное безоблачным небом. Источник D65, соответствующий усреднённому дневному освещению, введён специально для люминесцирующих объектов, поэтому для него нормировано излучение и в ультрафиолетовой области спектра. |
Реальный спектр солнечного излучения достигшего поверхности земли приведён на рис. 4. Он содержит многочисленные узкие провалы, связанные с поглощением газами в атмосферах солнца и земли. Даже приблизительно повторить такой спектр в искусственном источнике света чрезвычайно трудно. Производители люминесцентных ламп для геммологических целей часто декларируют соответствие своего изделия стандартному источнику D65. |
На рисунке 5 приведён реальный спектр излучения одной из таких ламп, выпущенной весьма уважаемой фирмой. В целом, цвет этой лампы соответствует источнику D65, но спектр излучения, состоящий из узких и мощных линий излучения паров ртути и излучения люминофора нанесённого на колбу лампы, разительно отличается от солнечного. В результате при освещении такой лампой могут проявляться очень специфические оптические эффекты. Например, “александритовый эффект” в кристаллах содержащих празеодим. Такие материалы имеют жёлтые или оранжевые цвета на солнце и под лампами накаливания, но приобретают зелёные оттенки под люминесцентными лампами. Эффект смены цвета объясняется тем, что узкие полосы поглощения празеодима перекрывают некоторые из линий излучения ртути. Таким образом, декларирование соответствия одной только цветовой температуры источника света заданной совершенно недостаточно при определении цвета драгоценных камней. Необходимо знать спектральный состав излучения. |
Условно обозначая светочувствительные рецепторы глаза буквами r, g и b можно для любого спектрального состава излучения P(λ) рассчитать интенсивность восприятия всего излучения каждым рецептором, суммируя (интегрируя) вклад всех составляющих это излучение длин волн:
Таким образом, ощущаемый цвет может быть однозначно определён тремя независимыми величинами. Сама собой напрашивается аналогия с трёхмерной системой координат, где по осям отложены интенсивности восприятия цвета для трёх видов рецепторов. Такая система цветовых координат существует и называется физиологической системой. Она не получила широкого распространения, так как была определена относительно поздно, когда уже были приняты менее естественные, но более удобные для расчётов системы координат. Так исторически самой первой возникла система измерения цвета основанная на сравнении его с суммой трёх излучений красного (700 нм), зелёного (546 нм) и синего (436 нм) цветов, взятых в соответствующих количествах. По английским названиям основных цветов, эта система была названа RGB (красный, зелёный, синий). Координаты цвета в такой системе показывают, сколько нужно взять излучений её основных цветов, чтобы наблюдатель не мог отличить цвет их суммы от измеряемого цвета. Оказывается, что для разных наблюдателей с нормальным цветовым зрением, получаются очень близкие результаты.
На основе анализа целого ряда исследований в 1931 году МКО утвердила значения ординат кривых сложения системы RGB для стандартного колориметрического наблюдателя. Эти значения определены с шагом в 5 нанометров и показывают, сколько нужно взять основных цветов этой системы для того, чтобы их сумма не отличалась от монохроматического излучения с заданной длиной волны. Эти кривые подобны приведённым на рис. 1, а расчёт координат цветности в этой системе для излучения любого спектрального состава можно произвести по формулам (2), заменив спектральные чувствительности рецепторов соответствующими кривыми сложения. Отметим, что после утверждения ординат сложения (и других физических параметров) для стандартного наблюдателя, полученные результаты перестают зависеть от особенностей зрения отдельно взятого человека и становятся совершенно объективными.
Так как колориметрия основана на сложении цветов, колориметрические системы координат аналогичны геометрическим. Так, из одной колориметрической системы всегда можно перейти в другую с помощью формул преобразования координат, например, если известны координаты цвета R, G и B в системе RGB, координаты r, g и b в физиологической системе можно найти по формулам:
Для этого необходимо только определить коэффициенты преобразования Anm.
Излучения с разными длинами волн производят совершенно разные ощущения и их трудно сравнивать между собой. Тем не менее, можно говорить о визуальном восприятии их яркости и сравнивать именно по этому параметру. С этой целью МКО-31 утвердила значения относительной спектральной световой эффективности для стандартного фотометрического наблюдателя V(λ) (рис. 6). Чтобы рассчитать относительную яркость сложного излучения F, имеющего спектральный состав P(λ), нужно сложить (проинтегрировать) вклад всех составляющих его длин волн, видимых глазом: |
Если колориметрические параметры двух излучений совпадают, то и ощущения их цветов для наблюдателя с нормальным цветовым зрением будут неразличимы. Таким образом, колориметрия точно и объективно определяет равенство цветов, но, к сожалению, не может определить, как и насколько сильно ощущается различие двух разных цветов. Рассмотрим, для примера, два излучения: А – близкое к спектрально чистому с длиной волны λ и В – излучение с той же доминирующей длиной волны λ и с той же светлотой, но с меньшей насыщенностью цвета. Эти излучения имеют разные цвета и создают разные ощущения. Как визуально определить, как именно цвет излучения В отличается от А? Мы определили выше цветовой тон как отличие от серого цвета. Будут ли ощущения цветовых тонов излучений А и В одинаковы? Рецепторы в нашем глазу могут непосредственно определять светлоту цвета (частота импульсов передаваемых по нейронам из сетчатки в мозг наблюдателя пропорциональна логарифму яркости излучения), но у нас нет никаких органов, измеряющих непосредственно цветовой тон или насыщенность цвета! Сигналы трёх рецепторов поступают в мозг и там обрабатываются. Алгоритмы этой обработки сформировались в процессе биологической эволюции организма человека и ориентированы на поиск пищи и защиту от врагов. Ни одна из этих целей не требует раздельного и точного определения цветового тона или насыщенности цвета, поэтому наш мозг плохо справляется с такой задачей. Кроме того, мозг является адаптивной системой, легко тренируемой и подстраивающейся под решение нужных задач. Например, если человеку надеть специальные очки, переворачивающие изображение вверх ногами, то мозг довольно быстро справится с проблемой и всё повернёт обратно! Так и с цветом, создадим систему классификации цвета, в которой в ряду цветов, приписываемых одному цветовому тону, по мере разбавления цвета серым, цвета меняются, для примера, от зелёного к желтовато-зелёному и жёлтому. Предложим её для использования людям, и вскоре (уже в процессе обучения пользования системой) они адаптируются и, действительно будут искренне считать, что это образцы цвета различной насыщенности, но одного цветового тона. Если определить цветовой тон только как ощущение, то они будут абсолютно правы. Точно так же будет права другая группа людей, которых научили, что цвета с уменьшением насыщенности изменяются от зелёного, через голубовато зелёный к голубому!
Недостатки системы классификации цвета – светлота – цветовой тон – насыщенность легче всего проследить на примере цветового атласа Манселла принятого в США в качестве государственного стандарта [5]. На рубеже XIX – XX веков Манселл создал серию цветовых таблиц, цвета в которых расположены по различию в цветовом тоне, светлоте и насыщенности и представляют собой смеси красящих пигментов нанесённых на бумагу. Таблицы предназначались для обучения в художественных школах и для спецификации цвета. Так как эта работа проводилась за 30 лет до утверждения международных колориметрических стандартов, Манселл мог опираться только на свои личные ощущения. Он разбил весь цветовой круг на 40 цветовых тонов, визуально равноотстоящих друг от друга. Ряды образцов с постоянным цветовым тоном, но разной насыщенности Манселл определял, устанавливая образец цвета на быстро вращающемся диске, на который были добавлены белый и чёрный сектора необходимых угловых размеров. Полученные таким образом ряды цветов воспроизводились пигментами. Очевидно, что для таких рядов понятие цветового тона совпадает с доминирующей длиной волны. Однако, после смерти автора таблиц, его цветовой атлас неоднократно изменялся. После утверждения МКО –31 колориметрических стандартов была создана специальная комиссия для объективного измерения цветовых параметров образцов цвета системы Манселла. В результате обнаружилось, что цветности образцов имеют очень сильные отклонения в произвольные стороны (нарушения гладкости и монотонности цветового пространства). Это говорит о трудности и ненадёжности определения параметров цветовой тон и насыщенность только на основании ощущений человека. В результате бОльшая часть образцов цвета были скорректированы и все они аттестованы в международной системе XYZ. Одновременно обнаружилось, что в результате ранее внесённых «улучшений», цвета в ряду одинакового цветового тона имеют немного разные доминирующие длины волн. Для сравнения, когда в 50-х годах ХХ века в германии разрабатывались цветовые таблицы DIN 6164, их авторы уже использовали все достижения колориметрии и понятие цветового тона у них совпадает с доминирующей длиной волны. Таким образом, различие понятий цветовой тон и доминирующая длина цветов свойственно только системе Манселла. Необходимо так же развеять миф о равноконтрастности (равноудаленности по восприятию цветовых образцов друг от друга) системы Манселла. В цилиндрической системе координат равноконтрастность недостижима по тем же причинам, по которым у долек апельсина толщина возрастает от центра к краю. Тем не менее, несмотря на архаичность, система Манселла является настоящим стандартом, так как для каждого её цвета в Национальном Бюро Стандартов США хранится специальный эталон, цветовые характеристики которого документированы в международной системе XYZ.
Атлас цветов, основанный на системе светлота – цветовой тон – насыщенность, был разработан и у нас в стране в НПО «ВНИИ метрологии им. Менделеева» [6]. В отечественной системе цветовой тон совпадает с доминирующей длиной волны и стандартизированы не только цветовые координаты образцов в системе XYZ, но даже рецептура приготовления красителей!
Для изучения восприятия цвета человеком очень интересна гипотеза, выдвинутая в середине XIX века немецким физиологом Герингом. Он считал, что существуют 6 основных цветов, объединённых в 3 пары: белый – чёрный, красный – зелёный и жёлтый – синий. Каждой паре соответствует своё светочувствительное вещество, которое при воздействии одного излучения из пары разрушается, а другого восстанавливается. Таким образом, трёхкомпонентность зрения соблюдается, но поведение рецепторов не соответствует реальному. Однако эта гипотеза оппонентности очень хорошо моделирует восприятие цвета человеком на высшем психическом уровне, где все процессы описываются возбуждением и торможением.
Сильно опередил своё время Вильям Бенсон, предложивший ещё в 1868 году сгруппировать все цвета в цветовой куб, две проекции которого изображёны на рис. 7. Нейтрально серые цвета отложены по диагонали куба (снизу вверх на рисунке), зелёные, синие и красные цвета разной интенсивности отложены по трём рёбрам куба. Все остальные области куба являются суперпозицией (суммой) этих основных цветов. Только в 1952 году в Германии была создана технически наиболее совершенная система цветов Хикетхайера, которая использовала идею цветового куба Бенсона. Она была разработана с учётом требований трёхцветной полиграфической печати и цветной фотографии. Присутствие каждого из трёх основных цветов разбито на 10 градаций. Таким образом, получается аккуратный кубик размерами 10х10х10, содержащий 1000 образцов цвета. Каждый цвет обозначается тремя цифрами от 0 до 9. На рисунке 7 все цвета разбиты как раз на эти 10 градаций. Для людей, обученных классифицировать цвета в системе светлота – цветовой тон – насыщенность, описанная система может показаться непривычной, но те, кто сталкивался когда-либо с процессом цветной печати, оценят её простоту и наглядность. Кроме того, представление всех возможных цветов в виде такого куба является наиболее естественным для отображения цветов на экране компьютера и публикации в Интернете. Дело в том, что кубик, изображённый на картинке построен на основных цветах международной стандартной системы sRGB (именно они отложены по трём нижним рёбрам куба). Это позволяет всем, открывшим эту страничку, видеть его одинаково. Тут необходимо только заметить, что строго одинаково эти цвета будут видны только при пользовании браузерами с поддержкой цветового менеджмента, а на момент написания статьи это умеет только FireFox с установленным плагином управления цветом. Однако подавляющее большинство пользователей могут не задумываться об этом. Обычные мониторы и так покажут цвета правильно. Желающие покрутить этот кубик на экране своего компьютера, разрезать и рассмотреть его подробнее, могут скачать специальную программу из раздела Software этого сайта. Именно с её помощью и был приготовлен рисунок для данной статьи. |
Рассмотрим, как располагаются все возможные цвета несамосветящихся объектов в строгой колориметрической системе XYZ. Это стало, в принципе, возможно, после того, как в 1920 году Шредингером было введено понятие цветов с оптимальными спектрами отражения [7]. Окрашенные вещества обычно отражают (материал из которого огранён камень, пропускает, а сам камень отражает) в глаз наблюдателя излучения в некотором диапазоне длин волн. Если этот интервал узок, то цвет насыщен, но тёмен. При широком интервале цвет светел, но ненасыщен. Максимальная насыщенность цвета получается, если края пропускаемого диапазона длин волн резкие, т. е. объект без потерь отражает свет внутри диапазона, и не отражает длины волн, находящиеся за его пределами. Меняя ширину такого диапазона и его положение в видимом спектре можно определить все максимально насыщенные цвета для всех возможных уровней светлоты. Эти цвета лежат на некоторой поверхности, которая ограничивает все наблюдаемые человеческим глазом цвета. Такая работа была проделана советским учёным Н. Нюбергом (1928) и немецким учёным Р. Лютером (1927). Таким образом, было определено цветовое тело Нюберга – Лютера. Оказалось, что оно имеет форму раздутого чемодана, поставленного на один угол – точнее выпуклого параллелепипеда со скруглёнными рёбрами (вспомните описанный выше куб Бенсона!). Ахроматическая ось является диагональю этого параллелепипеда. Скруглённые рёбра, примыкающие к нижней вершине, примерно соответствуют красному, зелёному и синему цветам. Такая форма цветового тела обусловлена тем, что оно должно вписываться в параллелепипед, рёбра которого определяются цветами, соответствующими спектральной чувствительности трёх рецепторов человеческого глаза. Таким образом, эти три цвета для человека оказываются особыми, выделенными. Возможно, это и является причиной особой привлекательности цветов изумруда, рубина и сапфира.
Инструментальное определение цвета огранённого камня является очень непростой задачей. Особенные трудности связаны с дихроизмом большинства природных кристаллов. Опытный огранщик так выбирает параметры камня (размер, орнамент граней и углы их наклона) и ориентирует его при огранке, чтобы представить окраску камня и использовать её неравномерность наилучшим способом. При этом камень, как правило, имеет оптимальный цвет при наблюдении его со стороны площадки, так как именно такое направление является наиболее вероятным при наблюдении оправленного камня. В других направлениях цвет камня оказывается другим и, если только огранщик не ошибся, худшим. Не вдаваясь сейчас в тонкости оптимизации формы ограняемого камня, отметим только, что в некоторых случаях знание спектров поглощения минерала необходимо для правильного выбора параметров его огранки. В огранённом камне мы видим изображения источников света, цвет которых определяется длиной оптического пути луча через камень и направлениями, которыми этот луч идет. Если хоть немного передвинуть источник света, изменится распределение световых бликов на поверхности камня и их цвет. Следовательно, цвет огранённого камня зависит от конкретного расположения источника света. Таким образом, для точного определения цвета необходимо сначала стандартизировать пространственное распределение освещения, отвечающее усреднённому освещению характерному для камня закреплённого в ювелирном изделии (конечный потребитель будет любоваться именно закреплённым камнем). После этого измерить цвет огранённого камня можно тремя способами:
Измерение спектра пропускания. При этом световой луч должен проходить через камень (с учётом всех возможных переотражений) именно так, как это происходит при разглядывании камня. Так как камень обычно представляет собой мозаику бликов различной окраски, одного единственного измерения недостаточно. Это самый трудный способ, но, однажды полученный спектр (или их набор), позволяет рассчитать цвет камня для любого источника света с произвольным спектральным распределением излучения.
Определение цвета с помощью визуального или электронного колориметра. Для этого камень освещают стандартным источником света. Необходимо отметить, что точное воспроизведение любого из стандартных источников излучения является весьма сложной задачей. Для визуального определения наблюдатель сравнивает цвет камня с цветом смеси трёх излучений различных, по возможности насыщенных, цветов. Такой прибор может измерять только те цвета, которые попадают внутрь треугольника, построенного на цветностях трёх опорных цветов. Измерение некоторых наиболее насыщенных цветов оказывается невозможным. В электронном колориметре, вышедшее из камня излучение (в идеале – от отдельного блика) разделяется с помощью красного, зелёного и синего светофильтров на три световых потока, которые анализируются отдельными фотоприёмниками. Чтобы получить адекватные результаты для любых камней, спектры пропускания светофильтров с учётом спектральной эффективности приёмников, должны совпадать с кривыми спектральной чувствительности цветовых рецепторов глаза человека (рис. 2). И визуальный и автоматический методы требуют точного воспроизведения спектрального распределения одного из стандартных источников света для освещения камня. Полученные результаты легко пересчитываются в любую стандартную систему, например XYZ, но только для того источника освещения, при котором и производилось измерение. На принципе визуального колориметра основан хорошо известный прибор «Color master» разработанный Gem Instruments Corporation. К сожалению, прибор весьма громоздок и его авторам не удалось обеспечить высокой точности измерений из-за нестабильности спектрального состава источников излучения. В руководстве по эксплуатации отсутствует привязка к международной системе XYZ, что, по-видимому, связано с недостаточной точностью прибора.
Сравнение цвета аттестуемого камня с набором цветовых эталонов. В этом случае, как и в предыдущем, необходимо освещение только одним стандартным источником света. Возможно сравнение цвета камня с эталонами цвета из любого цветового атласа, кроме того, делались попытки создания специальных атласов, в том числе и с красителями, нанесёнными на прозрачную плёнку. Универсальные цветовые атласы имеют два существенных недостатка:
Атласы цветов используются в тех случаях, когда нет необходимости в большой точности, но сам процесс измерения надо выполнить быстро и просто. Одной из таких систем определения цвета камня, является предложенный GIA набор цветовых эталонов Gem Set. Полный набор содержит 324 образца цвета, которые представляют собой окрашенные пластмассовые имитации огранённых камней. Набор очень красив, компактен и удобен в работе. К сожалению, этим его преимущества и ограничиваются. Дробность цветов в наборе недостаточна для его использования в торговле самоцветами. Низка так же и точность изготовления отдельных образцов (погрешность цвета иногда превышает дробность цветов в наборе). Создатели набора декларируют соответствие его системе Манселла, принятой в США, что не соответствует действительности, так как число градаций по цветовому тону (Hue), светлоте (Tone) или насыщенности (Saturation), как и названия цветов и сами цвета не соответствуют атласу Манселла. Авторы набора не привязывают цвета своих образцов (по-видимому, по причине низкой точности) к цветам атласа Манселла или международной системе XYZ. Недостатки набора Gem Set, очевидно, являются следствием его универсальности. Он, безусловно, хорош в образовательных целях, но совершенно не пригоден для цветовой аттестации дорогих камней.
Хотя создание универсальной системы цветовых эталонов одновременно для всех огранённых камней технически невыполнимо (а, скорее всего, и ненужно), для отдельных, экономически наиболее важных минералов давно разработаны и успешно используются наборы эталонов, созданные специально для них. Например, различные системы определения цвета бриллиантов или отечественный набор эталонов цвета для изумрудов, фотография которого приведена на следующем рисунке.
На самом деле, это копия эталонной коллекции ГОХРАНа России разработанной для ТУ 95.335 – 88 «Изумруды природные обработанные», изготовленная на фирме ЛАЛ с помощью специалистов ГОХРАН. На фотографии не представлен первый цвет, а насыщенность второго занижена. Это связано с ограничениями цветовой системы sRGB, являющейся де-факто стандартом для изображений, выкладываемых в Интернет. Камни на фотографии представляют собой образцы низа каждого цвета, т.е. если испытуемый камень хоть чуть светлее эталонного образца, он относится уже к более низкому (светлому) цвету. Камни светлее образцов 5-го цвета изумрудами не считаются, а относятся к бериллам. Обратите внимание, что образцы представлены парами. Верхний камень чуть "голубее", нижний чуть "желтее". Для изготовления образцов использованы камни Малышевского месторождения (Урал) и эти два цветовых тона отражают возможные колебания его для уральских изумрудов. Два эталона для каждого цвета (кроме первого) сделаны не для того, чтобы подразделять камни на "голубоватые" или "желтоватые", а для того, чтобы более точно определять светлоту и насыщенность цвета: "голубоватые" камни должны сравниваться с "голубоватым" эталоном, а желтоватые с "жёлтоватым" эталоном. Названия отклонений цветового тона заключены в кавычки, так как на самом деле, уральские камни очень однородны по цветовому тону. Эта фотография приведена лишь в качестве примера одной из практически действующих систем классификации цвета. Недопустимо аттестовывать природные камни по этой фотографии. Аттестация изумрудов должна производиться ТОЛЬКО сравнением с эталонами цвета изготовленными из изумрудов. Для бриллиантов и изумрудов используются цветовые эталоны из природных материалов, соответствующих аттестуемым камням по природе окраски. Для построения набора цветовых эталонов для отдельного минерала, необходимо исследовать физические механизмы, определяющие его окраску. Чаще всего, окраска прозрачного минерала вызвана некоторой примесью (либо радиационными центрами окраски), концентрация которых отвечает за интенсивность окраски. Даже если цвет обусловлен минералообразующим элементом (альмандин, хризолит), интенсивность окраски зависит от других примесей и, конечно, от размера камня и соответствующей ему длины пути светового луча в нём. В любом случае, отдельные образцы сильно различаются интенсивностью окраски. При увеличении количества красящей примеси и густоты окраски увеличивается поглощение света на некоторых длинах волн и, как следствие, уменьшается светлота камня. Светлота камня определяется человеком надёжнее других параметров цвета, поэтому, прежде всего, нужно выстроить образцы по их светлоте. Однако с концентрацией красителя неразрывно связаны все три параметра цвета. Так, при уменьшении светлоты окраски одновременно, как правило, возрастает её насыщенность и несколько изменяется цветовой тон (доминирующая длина волны). Хорошей иллюстрацией последнего факта может служить медицинский спиртовой раствор «зелёнки». В тонком слое, или при сильном разбавлении, она изумрудно зелёная, а при толщине слоя более 3 мм (нужен очень яркий источник света!) раствор становится тёмно красным. |
Аналогичный эффект наблюдается в гранатах с эффектом изменения цвета с острова Шри-Ланка. Если из одного кусочка сделать два камня: один диаметром менее 2 мм, а другой более 15 мм, то, независимо от источника света, первый камень будет светло зелёным, а второй очень тёмно красным. Рассчитанные значения насыщенности и цветового тона в зависимости от светлоты, соответствующей различным размерам камня, огранённого из такого граната для стандартного источника света А приведены на рис. 8. Из рисунка видно, что данный материал может иметь не любые значения цвета, а только те, что обусловлены характерным для него механизмом поглощения. Обычно эти цвета расположены вдоль некоторой кривой в цветовом пространстве. Остаётся только выбрать пороги светлоты, которые бы соответствовали равномерным для данного ограночного материала ступеням привлекательности цвета. Цветовые эталоны соответствующие этим порогам точно и однозначно разделяют разные цветовые ступени, являясь образцами верха или низа каждого цвета. |
|
Обычно, наиболее привлекательный цвет минерала обусловлен только одним механизмом оптического поглощения, например, примесь хрома в изумруде и рубине, или сапфировые центры окраски (пара Ti и Fe2+) в сапфире рис. 9. 
Другие примеси или радиационные центры окраски могут добавлять свои механизмы оптического поглощения. В этом случае цвет камня изменяется. Однако это изменение не может быть произвольным, а определяется только теми, ограниченными наборами окрасок, которые характерны для данного минерала и соответствуют геологическим условиям роста его кристаллов. Так, например, рубин может приобретать коричневатые оттенки, обусловленные примесью железа, и сиреневые, связанные с сапфировыми центрами окраски. Дополнительные механизмы поглощения снижают светлоту камня и, как правило, понижают насыщенность окраски. Чтобы описать такие отклонения (если это необходимо), к эталонным образцам светлоты следует добавить образцы, ограничивающие отклонения цветового тона и насыщенности цвета от оптимальных для данного минерала значений. В любом случае, все возможные для выбранного минерала цвета занимают весьма небольшой объём внутри цветового тела, поэтому для практической аттестации цвета отдельного минерала достаточно небольшого числа эталонных образцов. Выбор конкретных эталонов требует тщательного и кропотливого сравнения и анализа цвета большого количества образцов огранённых камней.
|
В заключение, автор благодарит всех многочисленных людей, участвовавших в устных обсуждениях рассмотренных выше вопросов, и приносит извинения за обилие непривычных геммологам терминов и понятий. Дальнейшее упрощение материала исказило бы его суть.
