裝飾用鑽石的切割結構的製作方法

2023-05-21 17:39:51 2

專利名稱：裝飾用鑽石的切割結構的製作方法
背景技術：
發明領域本發明涉及鑽石和珠寶的切割結構，特別涉及一種新穎的切割結構，它能生成其熠熠發光的數量和質量都優於現有切割結構的鑽石和珠寶。
相關技術為了通過切割裝飾用鑽石獲得燦爛的鑽石和珠寶，在每一顆裝飾用鑽石上切割出58個琢面後用於珠寶中。
在評價鑽石好壞時，使用如下通常稱為4C的四條標準1、克拉(重量單位)；2、顏色；3、切割(比例、對稱性和光潔度)；4、純度(雜質的質量和數量)。
說到用克拉表示的重量，鑽石的價值通常決定於用重量表示的大小。顏色決定於寶石；無色透明的寶石稀少而珍貴。美國寶石學學會(GIA)把無色透明的鑽石分成D、E和F級，把即使只稍稍發黃的鑽石歸於K級或更低級。切割結構使得寶石顯得燦爛和熠熠發光。由固有雜質和/或缺陷確定的相對純度也在寶石原料階段確定。
由於顏色和純度是寶石固有的，因此可人為改變的唯一因素是決定燦爛和熠熠發光程度的切割結構。因此，人們不斷進行研究，以找出能提高燦爛和熠熠發光程度的切割結構。
數學家Tolkowsky提出所謂的切割結構的GIA制來提高鑽石的燦爛和熠熠發光程度。按照GIA制，理想的切割的底側角(pavilion angle)為40.75°、頂側角(crown angle)為34.50°，切平面直徑等於腰稜翻光面直徑的53％。切割好壞基本上按鑽石的漂亮程度進行評價，但更重量的是寶石能切割出多少顆鑽石。
發明概述本發明的一個目的是提供一種能提高鑽石的燦爛和熠熠發光程度的切割結構。
本發明的另一個目的是提供一種切割結構，當如此切割的一鑽石從一特定方向發光時，燦爛和熠熠發光程度大大提高，當在光線下觀測如此切割的鑽石時，可從反射光的閃爍看到其燦爛和熠熠發光性的相對程度。
本發明的另一個目的是提供一種具有光譜效應的切割結構，它能使得射入一鑽石的光線在鑽石中分解成其光譜分量，從切平面和各頂側琢面反射帶藍色的光。
由於切割好的鑽石鑲嵌在珠寶等等上時其在腰稜翻光面上方的部分受光的照射，因此在從切平面和頂側各琢面上入射光得出的各光線中從切平面和各頂側琢面(包括星形琢面、主琢面和腰上琢面)射出的光線的方向的意義重大。由對射出的光線進行考察的結果表明，從各頂側琢面射出的光源自切平面和各頂側琢面上的入射光，而從切平面射出的光源自各頂側琢面。本發明即從這一發現作出。
本發明裝飾用鑽石的切割結構包括上方一頂部和下方一底部，如從該鑽石切平面上方看去，可同時看到射入頂側琢面後從頂側琢面射出的光線、射入切平面後從頂側琢面射出的光線以及射入頂側琢面後從切平面射出的光線。為了實現這一特徵，在本發明切割結構中，底側角p為45°-37.5°，頂側角c的範圍滿足下列方程-3.5×p+163.6≥c≥-3.8333×p+174.232本發明裝飾用鑽石的切割結構包括一呈截頭錐體的頂部和該截頭錐體部下方的一錐形底部。當底側角p為45°-37.5°時，頂側角c的範圍滿足下列方程時-3.5×p+163.6≥c≥-3.8333×p+174.232該切割結構造成射入頂側琢面後從頂側琢面射出的光、射入切平面後從頂側琢面射出的光和射入頂側琢面後從切平面射出的光的入射光與射出光之間的角度相同。
本發明裝飾用鑽石切割結構中的切平面直徑與腰稜翻光面直徑之比為0.60-0.33，最好為0.55-0.38。
在上述尺寸下，最好是，底側角p為45°-37.5°，頂側角c的範圍滿足下列方程-3.75427×p+172.8166≥c≥-3.74167×p+174.4883為了在從紫光到深藍光的波長範圍內使三個聚焦角互相重合併強化反射的藍光，頂側角c的範圍最好滿足方程-3.7239×p+171.4315≥c≥-3.74167×p+174.4883。此外，底側角p最好不大於40°。
在本發明裝飾用鑽石的切割結構中，從鑽石中心軸線到底部腰下琢面的底面側頂點的距離在一通過底部主琢面的腰側頂點和鑽石中心軸線的平面上的投影Gd(用與腰稜翻光面的半徑之比表示)應不大於約0.3，最好不大於0.25，更好在0.2左右。
其切割結構的底側角和頂側角符合本發明的鑽石比任何現有切割結構的反射光強，總的來說更光彩奪目。此外，通過減小切平面和擴大頂側琢面，可更有效利用從頂側琢面反射的光和頂側琢面上的入射光，獲得裝飾性更強的鑽石。
當射入頂側琢面後從頂側琢面射出的光、射入切平面後從頂側琢面射出的光和射入頂側琢面後從切平面射出的光的入射光與射出光之間的角度相同時，反射光若明若暗。因此，在用光線照射鑽石的同時改變觀察方向或鑽石一軸線(與切平面正交的軸線)的傾斜方向時，反射光強的角度和反射光弱的角度變動造成反射光若明若暗。這一特點加上很強的反射光，使得鑽石更顯燦爛和熠熠發光。
此外，由於射入鑽石後受鑽石反射的光的圖案更密，鑽石更顯得熠熠發光。射入鑽石中的光還可分解成光譜分量，使得鑽石的色質受到控制。通常在白光下觀察鑽石，本發明切割結構的鑽石的突出特性是其底側琢面透射紅光、反射藍光，從切平面和頂側琢面反射的光帶有更強的藍色分量。改變底側角和頂側角就能控制這一光譜性能。如把底側角和頂側角設定成反射、生成波長更長的紅光，就會同時反射藍光和紅光，因此，可在反射光中看到入射光的各種光譜，造成從紅光到紫光整個光譜的前所未有的和諧，鑽石從而顯得五光十色。
附圖的簡要說明

圖1示出本發明鑽石的切割結構的外觀。圖1A為示出本發明鑽石的切割結構的外觀的俯視圖。圖1B為示出本發明鑽石的切割結構的外觀的側視圖。圖1C為示出本發明鑽石的切割結構的外觀的仰視圖。
圖2為本發明鑽石的切割結構的剖面圖。
圖3示出如何觀察本發明鑽石切割。
圖4示出c-c反射光。
圖5示出t-c反射光。
圖6說明三個聚焦角。
圖7為示出射入頂側琢面的光的光路的一圖。
圖8為示出射入頂側琢面的光的光路的另一圖。
圖9為示出射入頂側琢面的光的光路的又一圖。
圖10為示出射入切平面的光的光路的一圖。
圖11為示出射入切平面的光的光路的另一圖。
圖12示出圖7-11所示光路中z軸方向上入射光的光路。
圖13示出把底側角作為參數時聚焦角與頂側角之間的關係曲線。
圖14示出把頂側角作為參數時聚焦角與底側角之間的關係曲線。
圖15示出使三個焦點互相重合的頂側角與底側角間的關係曲線。
圖16示出現有切割結構中z軸方向上入射光的光路。
圖17示出所分解後射出光的數量與底側角之間的關係曲線。
圖18為示出本發明鑽石反射光與入射光的強度比圖案的一圖。
圖19為示出本發明鑽石反射光與入射光的強度比圖案的另一圖。
圖20為示出本發明鑽石反射光與入射光的強度比圖案的又一圖。
圖21為示出現有切割結構的鑽石的強度比圖案的一圖。
圖22為示出本發明鑽石反射光角度差的圖案的一圖。
圖23為示出本發明鑽石反射光角度差的圖案的另一圖。
圖24為示出本發明鑽石反射光角度差的圖案的又一圖。
圖25為示出現有鑽石反射光角度差的圖案的一圖。
優選實施例的描述圖1示出本發明一鑽石1的切割結構的外觀，圖2為其剖面圖。圖1A為俯視圖；圖1B為側視圖；圖1C為仰視圖。該鑽石的頂面為一切平面11，腰稜翻光面12以上部分為一呈截頭錐體的頂側翻光面，該切平面構成該截頭錐體的頂面。腰稜翻光面12以下部分為一呈錐體的底側翻光面，其頂角部分稱為底面13。在該頂側翻光面的圓周上通常有8個主琢面14；切平面圓周與主琢面之間形成有星形琢面15；腰稜翻光面12與主琢面14之間形成有腰上琢面16。在底側翻光面的圓周上，通常有8個主琢面17，腰稜翻光面與這些主琢面之間形成有腰下琢面18。
在圖2剖面圖中，與圖1中相同的部件用同一標號表示。該圖中，頂側翻光面的主琢面14與腰稜翻光面一水平截面(XY平面)的交角即頂側角用c表示，而底側翻光面的主琢面17與腰稜翻光面一水平截面(XY平面)的交角即底側角用p表示.。在本說明書下文中，頂側翻光面中的主琢面、星形琢面和腰上琢面統稱為頂側琢面，而在底側翻光面中的主琢面和腰下琢面統稱為底側琢面。為便於說明起見，如圖2所示，該鑽石中設有坐標軸(右手制)，其z軸從切平面中心向上伸展，其原點o為腰稜翻光面的中心。順便指出，圖中未示出y軸，因為y軸從原點o指向紙面後方。
對本說明書來說，以如下順序研究光路。
(1)該鑽石每45°對稱於z軸，每45°扇形對稱於一平面(例如zx平面)。向裡和向外光路的始點在該扇形的一半區域即22.5°區域中。例如，為尋找目標(射出點)和以一定角度射入某一點的光線的光路，追溯從該22.5區域中各點的入射光。整個光路可方便地從對稱性估計。
(2)在追溯光路時，每一光線用始點坐標為(Xi、Yi、Zi)的一矢量和方向單位矢量(l、m、n)表示，該鑽石的每一琢面用該平面上點坐標(a、b、c)已知的一矢量及其與該平面正交的單位矢量(u、v、w)表示。如此切割的鑽石在45°區域中總共有8個表面，包括切平面、頂側主琢面、2個腰上琢面、星形琢面、底側主琢面和2個腰下琢面，每次轉動45°有另外7組琢面。由於腰稜翻光面為圓柱面，其高度極小而影響很小，因此忽略不計。
(3)光路、射出角、射出點、反射和折射(各光線與各平面之間的交角)由矢量計算確定。
因此，計算反射點、折射點和射出點得出這些光線與平面的交點(聯立方程的解)。
光線方程(x-Xi)/l＝(y-Yi)/m＝(z-Zi)/n平面方程u(x-a)+v(y-b)+w(z-c)＝0這些交點為這些聯立方程的解，相繼、一致地計算與每一平面的交點，得出滿足條件的正確解。
入射、折射時光路的方向改變(方向改變後矢量)用折射率和由入射光矢量和平面方向矢量構成的合成矢量計算。反射的計算相同，只是合成矢量的形式不同。方向改變後的光線用把這些交點作為始點的直線表示。
計算琢面的正交矢量和光線的方向矢量的標量積得出平面與光線之間的角度，當這一角度小於臨界角時，發生折射，而大於臨界角時發生反射。對於每次反射，重新算出方向改變後光線與平面的交點，然後進行相同計算。
(4)這些光路計算同時適用於凝視線(從觀察一邊追溯到光源)和光線(從光源到觀察點)。因此從射出一邊到光源的光路追溯和從光源一邊到射出點的光路追溯的計算原理相同。
(5)入射白光在鑽石中經多次反射分解成光譜，當入射琢面時角度小於臨界角時從琢面射出紅色分量，而鑽石中保留藍色。如要獲得藍色分量，用上述方法塑造光路。
在確定鑽石大小時，除了切平面直徑或其與腰稜翻光面直徑的比例(用百分比表示)，有時使用頂側翻光面高度、底側翻光面深度或總深度，但切平面直徑、底側角p和頂側角c一旦確定，它們就可算出，因此本說明書不再討論。
鑲嵌在比方說珠寶中的鑽石通常從切平面上方觀察。如圖3所示，在垂直於切平面的z軸(中心線)上離開切平面11一定距離(250-300mm)的觀察者30看到從該鑽石反射的光，包括穿過切平面11後從頂側琢面14射出的光(下文稱為「t-c光」)、穿過頂側琢面14後從切平面11射出的光(下文稱為「c-t光」)、穿過頂側琢面14後從頂側琢面14射出的光(下文稱為「c-c光」)、以及穿過切平面11後從切平面射出的光(下文稱為「t-t光」)。
觀察者要看到鑽石的熠熠發光，在鑽石中反射的光須到達觀察者。入射光(光源)軸線與射出光軸線的相交位置稱為「焦點」，它們的交角在本說明書中定義為「聚焦角」。如c-t光、t-c光和c-c光的聚焦角之差在一定範圍內，這三個反射光線同時到達觀察者。當這三個反射光的聚焦角之差不大於約7.4°時，觀察者在任何大小的光源下都可看到這三個反射光。我們發現，當聚焦角中任意兩個或多個聚焦角互相相同時，鑽石燦爛和熠熠發光程度最大。t-t光極小，因此可忽略。
本發明鑽石的切割結構有三個焦點c-t光的焦點、t-c光的焦點和c-c光的焦點。當切割結構使得t-c光的焦點如凸透鏡那樣位於鑽石背面(此時聚焦角用正號表示)時，c-c光有一聚焦角，其焦點如凹透鏡那樣位於鑽石前面。當c-c光和t-c光的焦點如凸透鏡那樣位於鑽石背面、從而在-z軸方向上時，在各個方向上入射在鑽石1的切平面11和頂側琢面14上的光到達切平面11前方的觀察者30。
按照本發明，在上述切割結構中，如圖4所示，當c-c光的聚焦角變成負值(-f)時，由於光聚焦在切平面11的前方(在觀察者一邊)，c-c光也到達觀察者30。因此，如圖3所示，當把一定大小的光源20放置在鑽石1的切平面的前方時，光源20中入射某些頂側琢面14(圖3中上部頂側琢面)的光與圖5光路相反地從切平面11射出到切平面11前方的觀察者30。與此同時，光源20中入射其他頂側琢面14(圖3中下部頂側琢面)的光與圖4光路相反地從上部頂側琢面14射出到切平面11前方的觀察者30。由於一克拉的鑽石的直徑即腰稜翻光面直徑只有6.25mm，如圖5中t-c光的聚焦角(+f)的絕對值與圖4中c-c光的聚焦角的絕對值相等，鑽石1反射的t-c光、c-t光和c-c光互相平行地射向觀察者30，觀察者看到的是這些光的合成，從而反射光顯得更燦爛和熠熠發光。圖6示出這是如何發生的。當t-c光、c-t光和c-c光一起到達觀察者30時，鑽石1顯得更燦爛和熠熠發光。
c-t光、t-c光和c-c光的存在把底側角p為38°、頂側角c為29.5°、切平面直徑為0.38(用與腰稜翻光面直徑之比表示)的鑽石用作本發明一實施例，從與各琢面大致平行到與z軸成直角的許多不同方向上的光入射在其頂側琢面和切平面上。圖7-11示出這些光是如何射出的。
圖7示出在-z軸方向上在頂側琢面上在與腰稜翻光面半徑的比為0.98的位置上入射的光的光路。在這些光中，光A的入射方向從與頂側琢面大致平行到與z軸成-12°角。它們受底側琢面的反射後到達另一邊的頂側琢面，經另一邊的頂側琢面反射後到達另一邊的底側琢面，然後在另一邊的底側琢面透射而從鑽石的底邊射出。光B的入射方向與z軸的夾角為-12°-+10°。它們受底側琢面的反射後到達另一邊的底側琢面，經另一邊的底側琢面反射後在另一邊的頂側琢面透射而從鑽石的頂邊射出。光C的入射方向與z軸的夾角為+10°-+32°。它們受底側琢面的反射後到達另一邊的底側琢面，在另一邊底側琢面反射後到達另一邊的頂側琢面，在另一邊的頂側琢面反射到原來的底側琢面，然後在原來底側琢面透射而從鑽石的底邊射出。光D的入射方向與z軸的夾角為+32°-+60°。它們受底側琢面的反射後到達另一邊的底側琢面，經另一邊的底側琢面反射後在切平面透射而從鑽石的頂邊射出。光E的入射方向與z軸的夾角為+60°-+90°。它們受底側琢面的反射後到達另一邊的底側琢面，在另一邊的底側琢面透射而從鑽石的底邊射出。
圖8示出在-z軸方向上在頂側琢面上在與腰稜翻光面半徑的比為0.8的位置上入射的光的光路。在這些光中，光A的入射方向從與頂側琢面大致平行到與z軸成-38°角。它們受底側琢面的反射後到達另一邊的頂側琢面，經另一邊的頂側琢面反射後到達另一邊的底側琢面，然後從鑽石的底邊射出。光B和C的入射方向與z軸的夾角為-38°-+58°。它們受底側琢面的反射後到達另一邊的底側琢面，經另一邊的底側琢面反射後到達另一邊的頂側琢面和切平面，然後從鑽石的頂邊射出。在這些光中，光B的入射方向與z軸的夾角為-38°-0°。所有這些光從另一邊的頂側琢面射出。光C的入射方向與z軸的夾角為0°-+58°。它們的射出範圍從頂側琢面上部到切平面。光D的入射方向與z軸的夾角為+58°-90°。它們直接到達另一邊的底側琢面後在另一邊底側琢面透射而從鑽石的底邊射出。
圖9示出在-z軸方向上頂側琢面上靠近切平面即與腰稜翻光面半徑的比為0.4的位置上入射的光的光路。光A的入射方向從與頂側琢面大致平行到與z軸成+2°角。它們受底側琢面的反射後到達另一邊的底側琢面，經另一邊的底側琢面反射後在從另一邊頂側琢面頂部到切平面的一區域中透射而從鑽石的頂邊射出。光B的入射方向與z軸的夾角為+2°-90°。它們到達另一邊的底側琢面後在另一邊的底側琢面透射而從鑽石的底邊射出。
圖10示出在-z軸方向上在靠近切平面即與腰稜翻光面半徑的比為0.35的位置上入射的光的光路。光A的入射方向從與切平面大致平行到與z軸成-35°角。它們到達底側琢面後在底側琢面透射而從鑽石底邊射出。光B的入射方向與z軸的夾角為-35°--10°。它們受底側琢面的反射後到達另一邊的頂側琢面，經另一邊的頂側琢面反射後在另一邊的底側琢面，然後在鑽石中反射多次。光C的入射方向與z軸的夾角為-10°-+48°。它們受底側琢面的反射後到達另一邊的頂側琢面和切平面，在另一邊頂側琢面和切平面透射而從鑽石的頂邊射出。光D的入射方向與z軸的夾角為+48°-90°。它們受另一邊底側琢面的透射而從鑽石底邊射出。
圖11示出在-z軸方向上在切平面中部即與腰稜翻光面半徑的比為0.02的位置上入射的光的光路。光A的入射方向從與切平面大致平行到與z軸成-35°角。它們到達底側琢面後在底側琢面透射而從鑽石底邊射出。光B的入射方向與z軸的夾角為-35°-+35°。在這些光中，-35°-0°的光到達底側琢面後受底側琢面的反射到達另一邊的底側琢面，然後受另一邊的底側琢面的反射後受另一邊的頂側琢面的透射而從鑽石頂邊射出。0°-+35°的光到達另一邊的底側琢面後光路與上述光對稱，由頂側琢面透射而從鑽石頂邊射出。光C的入射方向與z軸的夾角為+35°-90°。它們的光路與光A的光路對稱，受另一邊的底側琢面透射而從鑽石底邊射出。
從圖7-11可顯然看出，穿過頂側琢面的光在鑽石中反射、改變方向後大部分從頂側琢面射出，一部分從切平面射出。在切平面上入射的光中，從鑽石返回的光的大部分從頂側琢面射出。這與分析現有切割結構的類似光路所得結果即大部分光從切平面射出有很大不同。
圖12集中示出圖7-11光路中-z軸方向上的入射光。在該圖中，光線(1)為圖7所示光線中在-z軸方向上在頂側琢面靠近腰稜翻光面位置入射後從另一邊的頂側琢面射出的光(用(1′)表示)。光線(2)為如圖8所示在-z軸方向上大致在中部位置入射後從另一邊頂側琢面靠近與切平面的邊界的位置射出的光(用(2′)表示)。或者光線可從切平面靠近與頂側琢面的邊界的位置射出。光線(3)為如圖3所示在-z軸方向上在頂側琢面與切平面邊界處入射後從切平面射出的光(用(3′)表示)。光線(4)為如圖10所示在-z軸方向上在切平面上靠近與頂側琢面的邊界的位置入射後從另一邊的頂側琢面射出的光(用(4′)表示)。光線(5)為如圖11所示在-z軸方向上在切平面中部處入射後從另一邊的頂側琢面射出的光(用(5′)表示)。
由於光路是可逆的，因此可反過來追溯光路。因此，從左側頂側琢面入射的光(1′)在+z軸方向上從右側頂側琢面射出(1)。同樣，光線(2′)、(3′)、(4′)和(5′)分別作為(2)、(3)、(4)和(5)射出。
入射在左側頂側琢面上(1′)與(2′)之間的光從右側頂側琢面(1)與(2)之間射出。因此，它們為入射在頂側琢面上後從頂側琢面射出的光。由於入射在切平面上(2′)與(3′)之間的光從右側頂側琢面(2)與(3)之間射出，因此它們為入射在切平面上後從頂側琢面射出的光。由於入射在左側頂側琢面上(4′)與(5′)之間的光從切平面(4)與(5)之間射出，因此它們為入射在頂側琢面上後從切平面射出的光。因此可看到，在+z軸方向上射出的光為c-c光、t-c光和c-t光。
同時看到c-c光、t-c光和c-t光由於有三種光即c-c光、t-c光和c-t光，因此當上述三種光同時出現在+z軸方向上時觀察者可看到鑽石發出耀眼光芒。
由於鑽石通常受到許多光源的照明，因此入射到鑽石上的光來自許多不同方向。顯然可知，在+z軸方向上察看鑽石的觀察者可同時看到這三種光，這些光的入射角之差應保持在±7.4°之內。例如，如用1米長、照明能的有效範圍為90％的日光燈照射3米外、方向傾斜30°的一鑽石，則光的照射角為±7.4°。
從計算可知，一鑽石的底側角p和頂側角c之間存在使得c-c光、t-c光和c-t光的聚焦角近似相等的關係。表1列出底側角與頂側角之間的該關係，其中，列出底側角p為37.6°、38.0°、38.4°和38.8°時上述聚焦角和聚焦角之差。從表1可得出如下結論，為把聚焦角之差保持在±7.4°內，當底側角為37.6°時頂側角應為30.1°-32.0°；當底側角為38.0°時頂側角應為28.5°-30.6°；當底側角為38.4°時頂側角應為27.0°-29.2°；當底側角為38.8°時頂側角應為25.°-27.8°。這一範圍為頂側角p和底側角c的由下列兩直線圍住的一區域c＝-3.8333×p+174.232 (1)c＝-3.5×p+163.6 (2)
這一區域示出在圖15曲線圖中。
表1
c-c光、c-t光和t-c光的聚焦角的重合當c-c光、t-c光和c-t光的入射光與射出光的夾角相等即處於三聚焦狀態時，鑽石顯得更燦爛和熠熠發光。因此，在三聚焦狀態，相同光源在鑽石上的入射光同時向觀察者射出，因此觀察者可看到更燦爛和熠熠發光的鑽石。
這些聚焦角隨著頂側角和底側角的變動而變動。圖13曲線示出把底側角p作為參數時聚焦角與頂側角之間的關係，而圖14曲線示出把頂側角c作為參數時聚焦角與底側角之間的關係(這些曲線使用波長為396.8nm的紫光(H光譜線))。從這些曲線可顯然看出，t-c光和c-t光的聚焦角隨著頂側角和底側角的增加而減小，這些曲線的斜率大致相同。但是，c-c光的聚焦角隨著頂側角和底側角的增加而大大增加。當頂側角和底側角切割成使得這些聚焦角相等時，燦爛和熠熠發光性提高。例如，當頂側角為29.5°、底側角為38°時，三聚焦角相等，鑽石更顯得燦爛和熠熠發光。除了底側角與頂側角的這一組合外，當頂側角為28.5°，底側角為38.25°時聚焦角也變成相等和三聚焦。
如圖15所示，頂側角c與底側角p之間存在如下近似關係時聚焦角相等c＝-3.74167×p+171.6883 (3)其中，使用波長為396.8nm的紫光(H光譜線)。
通常在白光下觀察一鑽石。由於白光為從深紅光(759.4nm)到紫光(396.8nm)的波長不同的所有光的混合物，因此如一種頂側角-底側角組合使得在某一波長下確立起三聚焦狀態，這些角度就會共同提高燦爛和熠熠發光程度。為了使波長為759.4nm的深紅光具有相等的三聚焦角，頂側角c與底側角p之間的關係應近似為c＝-3.75427×p+172.6166 (4)這一直線也示出在圖15中。
其頂側角c和底側角p位於直線(3)與(4)之間區域中的鑽石在白光的某些或其他分量下的聚焦角相等。
在本發明切割結構的鑽石中，入射光如下所述分解成光譜分量。因此，如鑽石的頂側角c和底側角p在靠近直線(4)的區域中，入射白光會分解成從紅光到紫光的光譜分量後出現在鑽石的被觀察琢面(切平面和頂側琢面)上。
底側角p和頂側角c的範圍儘管按照本發明使得聚焦角相等的頂側角c和底側角p位於圖15中直線(3)與(4)之間區域中，但底側角p最好大於等於37.5°小於等於45°。
當底側角p為45°時，入射光與反射光幾乎平行，所有聚焦角都相等為0°。因此，入射光從觀察者所在方向進入鑽石後向觀察者射出。
為了使觀察者後方一光源射向鑽石的光入射鑽石後在z軸方向上、離鑽石250-300mm的觀察者反射，入射光與反射光之間須有一約18°的角。為使入射光與反射光的夾角等於或大於18°，底側角不得大於40°。因此底側角最好保持等於或小於40°。
如底側角小於37.5°，入射在頂側主琢面的上部即與切平面邊界處的光從底側琢面靠近底面部分向鑽石後方洩漏。從鑽石前面看去，觀察者在+z軸方向上看不到有光從頂側主琢面的上部射出，該上部為暗部。因此，底側角不得小於37.5°。
容差儘管頂側角與底側角之間存在使得聚焦角相等的上述關係，但頂側角容許有約±0.2°的誤差，底側角容許有約±0.05°的誤差。
由於進入觀察者眼中的光有1°左右的差別對於光源來說不算什麼差別，因此頂側角和底側角規定成使得聚焦角的差保持在1°內。如圖13所示，頂側角對聚焦角的貢獻對於c-c光為每度頂側角5.29°，對於t-c光和c-t光為每度頂側角-1.74°。為把影響大得多的c-c光的聚焦角波動範圍保持在±1°內，頂側角的誤差最好保持在±0.2°內。
如圖14所示，底側角對聚焦角的貢獻對於c-c光為每度底側角19.08°，對於t-c光和c-t光為每度底側角-9.92°。為把影響大得多的c-c光的聚焦角波動範圍保持在±1°內，底側角的誤差最好保持在±0.05°內。
因此，聚焦角的容差為±1°，頂側角容許有±0.2°的誤差。因此，頂側角和底側角應保持在圖15中從直線(3)平移-0.2°頂側角的一直線與從直線(4)平移+0.2°頂側角的一直線之間區域中。因此，如要使各聚焦角相等和三聚焦，頂側角c和底側角p須在由下列兩方程表示的兩直線之間區域中c＝-3.74167×p+171.4883 (3′)和c＝-3.75427×p+172.8166 (4′)以上說明了頂側角與底側角之間使得白光的聚焦角相等的關係，為了使反射光呈光彩奪目的藍色，聚焦角應在紫光(396.8nm)到深藍色光(486.1nm)的範圍內相等。圖15中用虛線標出深藍色光(486.1nm)的聚焦角相等的區域。該關係近似為
c＝-3.7239×p+171.2315 (5)考慮到由聚焦角波動造成的誤差。
頂側角c和底側角p應保持在方程(3)平移-0.2°頂側角得出的方程(3′)與方程(5)平移+0.2°頂側角得出的方程(5′)之間區域中。順便指出，為使該曲線圖簡明起見，圖15未示出直線(5′)。
c＝-3.74167×p+171.4883(3′)c＝-3.7239×p+171.4315 (5′)切平面的大小按照本發明，最好切平面小、頂側琢面大。儘管切平面的直徑與腰稜翻光面直徑之比可為大於等於0.33小於等於0.60，但為了擴大頂側琢面，切平面直徑與腰稜翻光面直徑之比最好大於等於0.38小於等於0.55。如以上結合圖7-12所述，本發明切割結構與現有切割結構比較，為了擴大頂側琢面，提高c-c光的比例，切平面直徑大大減小。
圖16示出對頂側角為34.5°、底側角為40.75°、切平面直徑比為0.53的現有切割中光路進行研究所得結果。與圖12一樣，該圖示出在z軸方向射出的光與入射光的關係。從頂側琢面射出的光為在切平面入射的光，從切平面射出的光為在頂側琢面和切平面入射的光。用上述說明使用的記號表示，有t-c光和c-t光，但沒有c-c光。在現有切割結構中，切平面顯得燦爛和熠熠發光。在這種情況下，使切平面顯得燦爛和熠熠發光的切平面直徑0.53是合理的。
與之比較，本發明可通過減小切平面與腰稜翻光面直徑之比來增加頂側琢面的面積，從而使頂側琢面更顯得燦爛和熠熠發光。但是，如切平面直徑比超過0.55，在-z方向上入射的光中，圍繞切平面入射的光圍繞底側琢面向下洩漏。換句話說，在入射在切平面和頂側琢面的光中，沒有光從切平面的外區射出，因此該區域變暗。該暗部隨著切平面直徑比的增加而擴大。如切平面直徑比從0.55減小到0.38，切平面和頂側琢面上不再有暗部，這些暗部變得明亮。但是，如切平面直徑小於0.38，在-z軸方向上入射的光中，入射在頂側琢面上部(靠近切平面的部分)的光從底側翻光面的頂點洩漏。因此，該區域變暗。頂側琢面、從而該暗部隨著切平面大小的減小而擴大。如切平面直徑比減小到小於0.33，該暗部變得非常大。
因此，切平面直徑與腰稜翻光面直徑之比應大於等於0.33小於等於0.60，最好大於等於0.38小於等於0.55。
熠熠發光性一鑽石的反光常常用燦爛程度(反光數量)、熠熠發光程度和閃光或色散(分解成光譜分量)程度衡量。在這些標準中，燦爛程度表示反光強度或反光數量。因此，本發明具有三聚焦角的切割結構的鑽石如上詳述顯得特別燦爛，因為它同時從頂側琢面和切平面向z軸方向射出光。
本發明鑽石的熠熠發光程度和色散程度也優於現有鑽石。儘管從許多不同方向入射在一鑽石的通常為被觀察琢面的切平面和頂側琢面的光在該鑽石中反射後從切平面和頂側琢面射出，但本發明鑽石在頂側琢面上的反射圖案更密，從而熠熠發光程度提高。
此外，當光從許多不同方向入射到本發明鑽石的切平面和頂側琢面上時，從頂側琢面、特別是(頂側琢面中的)主琢面和腰上琢面射出的光的光譜角變大而顯示各種顏色，獲得優越的色散。
頂側翻光面的腰上琢面和底側翻光面的腰下琢面對熠熠發光和色散的貢獻特別大。在底側角和頂側角都小的本發明鑽石中，由於腰下琢面和腰上琢面之間的角度變小、從而入射鑽石的某些光在鑽石中反射次數多達8次，而在現有鑽石中只反射3次或4次，因此熠熠發光程度和色散程度都提高。
下面參見圖1，用Gd表示從鑽石中心軸線(z軸)到底側翻光面中腰下琢面18的底面側頂點181的距離(半徑)在一通過底側翻光面中主琢面17的腰稜側頂點171和鑽石的中心軸線(z軸)的平面(zx)上的投影。Gd為zx平面上從z軸到底側翻光面腰下琢面的底面側頂點181的距離，為離中心軸線(z軸)的直接距離與cos 22.5°的乘積。Gd的長度影響到熠熠發光和色散程度。Gd越短，腰下琢面的面積越大，腰下琢面與腰上琢面之間的角度越小，造成反射光的圖案更密，該更密圖案集中在頂側琢面的周邊上。這使得該圖案更密。Gd的長度不應大於腰稜翻光面直徑的3/10，最好為0.25或小於0.25，在0.2左右最佳。
如切平面與腰稜翻光面直徑之比減小，則頂側琢面變大，與此同時，頂部中的星形琢面、主琢面和腰上琢面也擴大。因此，熠熠發光性和色散性優越的部分的面積變大。
如改變星形琢面15與腰上琢面16的面積比使得腰上琢面16更接近與鑽石中心軸線垂直，從腰上琢面反射的光會變得更明亮，鑽石的周邊也變得更明亮。
儘管通過觀察揭示出上述內容，但通過計算追溯光路可證實如下內容。
為了證實反射光的熠熠發光性，計算在切平面和頂側琢面上入射後在鑽石中反射的光路，算出在z軸方向上從切平面和頂側琢面反射的光的強度圖案。使用波長為550nm(折射率為2.423)的光，在z軸方向上從標在鑽石的切平面和頂側琢面上的一0.01×0.01(與用1表示的腰稜翻光面半徑的比例表示)格柵的每一格射出的光的強度用與入射鑽石的光的比例表示。畫出鑽石頂面圓周的1/16弧段(等於22.5°)的光強。由於鑽石圓周的每1/8轉動對稱於z軸，每1/8對稱於通過其z軸的中心平面，因此圓周的任何1/16可代表整個鑽石。
本發明一鑽石的底側角取38.5°、頂側角取27.9°、切平面直徑與腰稜翻光面直徑之比取0.5和Gd值取0.33或0.16，計算反射的強度圖案，所得結果分別示出在圖18和19中。本發明另一鑽石的底側角取38.5°、頂側角取27.9°、切平面直徑與腰稜翻光面直徑之比減小到0.38和Gd值取0.16，計算反射的強度圖案，所得結果示出在20中。此外，為進行比較，對底側角為40.75°、頂側角為34.5°、切平面直徑比為0.53和Gd值為0.314的現有切割結構鑽石的反射的強度圖案進行計算，其結果示出在圖21中。圖18-21中標出的數字為各圖案的典型反射光強度，這些圖還示出從z軸方向看去出現在鑽石頂面上的切割線。在這些附圖中，數字0表示該區域沒有反射光。
與現有切割結構鑽石的光強圖案比較，圖18-20所示本發明鑽石的光強圖案更密。比較圖18-20所示本發明鑽石，其切平面直徑比減小的圖20圖案比圖18和19更密，比較圖18和19，其Gd值為0.16的圖19比其Gd值為0.33的圖18更密。
這些附圖不僅表明本發明鑽石反光強度圖案比現有切割結構的鑽石密，而且表明本發明鑽石的發光強度圖案隨著切平面直徑比的減小和Gd值的減小而變密。
分解成光譜分量檢查入射在頂側琢面上的光是如何在一鑽石中分解成其光譜分量的。用頂側角為26.7°、底側角為38.75°、切平面直徑比為0.38和腰稜翻光面高度為0.026的本發明切割結構的一鑽石和頂側角為34.5°、底側角為40.75°、切平面直徑比為0.53和腰稜翻光面高度為0.026的現有切割結構的一鑽石檢查入射在頂側琢面中主琢面和腰上琢面上的光。
用760nm-400nm波長混合的白光入射、穿過0.0125×0.025間隔(用與腰稜翻光面的比表示)的每格。在紅色分量在一琢面上的入射角不大於紅光的臨界角、同時藍色分量的入射角大於藍光的臨界角的條件下，與z軸成各種斜角和與xy平面成各種方向角的入射光在其路徑上經若干次反射後散布而生成各種顏色。如這些光線與z軸之間的斜角改變2°直到90°，與xy平面的方向角改變45°直到整個圓周。對滿足上述條件的光線數進行計數。
當色散成顏色分量的光線的角度不大於紅色的臨界角、例如24.51°時，光線的紅色分量折射、射出外部。同時，當相同光線的角度大於藍色的臨界角、例如23.936°時，這些光線的藍色分量反射後保留在鑽石內部，最終形成一彩色圖案。表2列出這類分解後射出光線的數量。
表2
從表2可看出，入射在腰上琢面上的光線分解、射出外部的650nm以上分量的比例為5％，這一比例以及這類光線的總數為任何現有切割結構的兩倍。
以上以38.75°的底側角為例對分解後射出光線的數量進行計數，在本發明切割結構中擴大底側角超過38°將造成分解射出光線數增加，在底側角p為38.75°時達到最大值。隨著底側角的增加，分解射出光線數遞減，在40°底側角時分解射出光線數非常小，與任何現有切割接近。這一趨勢示出在圖17中。在圖17中，水平軸線表示底側角p；虛線表示入射在腰上琢面上光分解後射出的光線數；灰線表示入射在頂側主琢面的光分解後射出的光線數。當底側角p為40°(頂側角c21.75°)時，分解後射出光線數與任何現有切割接近。這表明，為獲得彩色圖案，底側角必須保持小於40°。
把760nm-400nm波長混合成的白光用作入射光，檢查光譜分量在頂側琢面和切平面上形成的彩色圖案。算出反射光中波長為686.4nm(折射率2.4073)的紅光分量的射出角與波長為430.8nm(折射率2.4514)的藍光分量的射出角之差後用該差衡量分解(色散)的大小。入射光的位置和角度與確定熠熠發光的分布時相同，對鑽石頂面與圓周的1/16(22.5°)對應的扇形計算分解後畫出角度差圖案。這些角度差圖案表示從鑽石上方看去可看到的彩色圖案。
圖22和23分別示出底側角為38.5°、頂側角為27.9°、切平面直徑比為0.5和Gd值為0.33和0.16的本發明切割結構的鑽石的反射光的角度差圖案。圖24示出切平面直徑比減小到0.38和Gd值為0.16的本發明切割結構的另一鑽石的反射光的角度差圖案。作為對照例，圖25示出底側角為40.75°、頂側角為34.5°、切平面直徑比為0.53和Gd值為0.314的現有切割結構的一鑽石的反射光的角度差圖案。
圖22-24所示本發明角度差圖案比(圖25所示)現有切割結構的鑽石的反射光的角度差圖案大，這使得鑽石呈彩色。由於反射光除了光學圖案更密外呈彩色，因此頂部的主琢面和腰上琢面上出現藍色密圖案。
按照本發明使聚焦角相等可提高紅寶石、藍寶石、氧化鋯和紫翠玉的燦爛和熠熠發光性。紅寶石和藍寶石有其特有顏色，但其顏色可得到加強，使其顯得更美麗。
儘管以上結合切割出58個琢面的鑽石說明了本發明優點，但本領域普通技術人員顯然可看出，如該設計涉及相同的三聚焦角或底側角和頂側角在本發明範圍內，本發明就不限於58個切割琢面，而可用於其他形狀，包括圓形鑽石、橢圓形、翡翠形、珍珠形。
如上詳述，本發明裝飾用鑽石的切割結構不但提供總體上更強的反射光，而且由於在特定方向上射出的光的數量和比例的增加，這些方向上的燦爛和熠熠發光程度提高，使得鑽石更顯得閃閃發光。
此外，由於從頂側琢面射出大量光，因此切平面的大小減小以增加頂側琢面的面積，從而進一步提高燦爛和熠熠發光程度。
此外，光在鑽石中分解成其光譜分量，使得從頂側琢面射出的藍光增強，從而使得鑽石本身呈藍色。也可使得反射光中出現從紅色到藍色的光譜。
權利要求
1.具有上方頂部和下方底部的鑽石的一種切割結構，其中底側角p大於等於37.5°小於等於45°，頂側角c的範圍滿足下列條件-3.5×p+163.6≥c≥-3.8333×p+174.232
2.按權利要求1所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於，切平面的直徑與腰稜翻光面直徑之比大於等於0.33小於等於0.60。
3.按權利要求2所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於，切平面的直徑與腰稜翻光面直徑之比大於等於0.38小於等於0.55。
4.按權利要求1所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於底側角p大於等於37.5°小於等於45°，頂側角c的範圍滿足下列條件-3.75427×p+172.8166≥c≥-3.74167×p+171.4883
5.按權利要求4所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於，底側角p與頂側角c之間的關係如下-3.7239×p+171.4315≥c≥-3.74167×p+171.4883
6.按權利要求5所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於，切平面的直徑與腰稜翻光面直徑之比大於等於0.33小於等於0.60。
7.按權利要求6所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於，底側角p大於等於37.5°小於等於40°。
8.按權利要求7所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於，從鑽石中心軸線到底部中腰下琢面的底面側頂點的距離(半徑)在一通過底部中主琢面的腰側頂點和鑽石中心軸線的平面上的投影Gd不大於0.3。
9.按權利要求8所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於，Gd值不大於0.25。
10.按權利要求6所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於，切平面的直徑與腰稜翻光面直徑之比大於等於0.38小於等於0.55。
11.按權利要求10所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於，底側角p大於等於37.5°小於等於40°。
12.具有一截頭錐形頂部和該截頭錐形下部中錐形底部的裝飾用鑽石的一種切割結構，其中底側角p大於等於37.5°小於等於45°，頂側角c的範圍滿足下列條件-3.5×p+163.6≥c≥-3.8333×p+174.232；射入頂側琢面後從頂側琢面射出的光、射入切平面後從頂側琢面射出的光和射入頂側琢面後從切平面射出的光的入射光與射出光之間的角度相等。
13.按權利要求12所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於底側角p大於等於37.5°小於等於45°，頂側角c的範圍滿足下列條件-3.75427×p+172.8166≥c≥-3.74167×p+171.4883
14.按權利要求13所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於底側角p與頂側角c之間的關係如下-3.7239×p+171.4315≥c≥-3.74167×p+171.4883
15.按權利要求14所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於，底側角p大於等於37.5°小於等於45°。
16.按權利要求15所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於，切平面的直徑與腰稜翻光面直徑之比大於等於0.33小於等於0.60。
17.按權利要求16所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於，從鑽石中心軸線到底部中腰下琢面的底面側頂點的距離(半徑)在一通過底部中主琢面的腰側頂點和鑽石中心軸線的平面上的投影Gd不大於0.3。
18.按權利要求17所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於，Gd值不大於0.25。
19.按權利要求16所述的裝飾用鑽石的切割結構，其特徵在於，切平面的直徑與腰稜翻光面直徑之比大於等於0.38小於等於0.55。
全文摘要
具有截頭圓錐形一頂部和該截頭圓錐形部緊下方一圓錐形底部的鑽石的一種切割結構,該鑽石的頂部的燦爛和熠熠發光性提高,反射出藍光。頂側角c和底側角p選擇成使得入射頂側琢面後從頂側琢面射出的光、入射切平面後從頂側琢面射出的光和入射頂側琢面後從切平面射出的光同時指向觀察者。此外,底側角p和頂側角c最好選擇成使得入射光形成的角度與射出光形成的角度大致相等。其切平面直徑與腰稜翻光面直徑之比應大於等於0.33小於等於0.60,最好不大於0.55,更好不大於0.38。
文檔編號A44C17/00GK1340321SQ0112588
公開日2002年3月20日 申請日期2001年8月27日 優先權日2000年8月25日
發明者川淵良範, 松村保 申請人:株式會社微笑智能