СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЮВЕЛИРНОГО КАМНЯ Российский патент 1997 года по МПК A44C17/00 

Изобретение относится к области обработки камней, а более точно к способу обработки ювелирного камня.

Настоящее изобретение может быть использовано в ювелирной промышленности и декоративно-прикладном искусстве.

Кристаллы прозрачных природных и синтетических материалов в их естественной форме обычно лишены яркого блеска или игры и поэтому нуждаются в огранке. Целью огранки является выявление красоты природного или синтетического камня, определяемой его оптическими свойствами. Для этого камню придают форму выпуклого многогранника так, чтобы как можно больше света, падающего на камень, возвращалось наружу и могло попасть в глаза наблюдателя.

Любой огранщик сталкивался с проблемой выбора углов наклона для граней обрабатываемого камня. О важности правильного выбора их может говорить хотя бы тот факт, что после опубликования Марселем Толковским в 1919 году пропорций "идеальной" огранки бриллианта [1] многие владельцы,несмотря на неизбежную потерю массы, переогранили свои алмазы настолько новые камни выглядели лучше старых. И по сей день цена бриллианта нестандартной формы определяется размерами камня идеальной огранки, который можно огранить из данного бриллианта.

Известно много разных вариантов выбора углов наклона граней и способов их расчета. Чаще всего они не совпадают, а иногда противоречат друг другу. Эти расхождения объясняются тем, что каждый автор руководствуется только своим решением, обусловленным выбранными им исходными предпосылками и не замечает другие многочисленные аспекты проблемы. Дело усугубляется тем, что красота ограненного камня определяется целым рядом факторов. Мы постараемся объективно рассмотреть с разных сторон, как изменяются оптические свойства камня при изменении углов наклона граней и обоснуем границы их изменения, за которые не следует выходить.

Главная задача ограненного камня как оптического устройства заключается в том, чтобы в глаз наблюдателя отражалось как можно больше света, падающего на камень. В современных способах огранки это достигается за счет двойного полного внутреннего отражения луча света на гранях павильона (низа камня).

Для густо окрашенных камней полезно уменьшать угол α наклона основных граней павильона, так как при этом уменьшается путь, проходимый лучом через камень, и тем самым ослабляется окраска выходящих лучей. Однако, если уменьшить угол a так, что он станет меньше предельного угла полного внутреннего отражения, появляется очень неприятный эффект. Грани павильона, рассматриваемые сверху прямо через площадку, перестают блестеть, становятся прозрачными и сквозь них видно все, что находится под камнем. Из-за прозрачности середины теряется целостность восприятия камня и он выглядит "как стекляшка". Специалисты-практики считают, что угол a должен превышать предельный угол полного внутреннего отражения по крайней мере на 2 градуса, то есть
α>γ+2^°, (1)
где γ arcsin(1/n) предельный угол полного внутреннего отражения для данного материала с показателем преломления n.

Для бледно окрашенных камней с целью увеличения густоты окраски следует по возможности увеличить угол a даже в ущерб яркости. Однако для всех видов огранки кроме ступенчатой, возможности мастера менять этот угол сильно ограничены. Дело в том, что насыщенность окраски при увеличении углa a возрастает медленно, а яркость убывает так быстро, что в большинстве случаев нецелесообразно делать этот угол более 47 градусов.

Для того, чтобы увидеть отраженный камнем луч, надо не только повернуть его назад с помощью павильона, но еще и обеспечить его выход в воздух через грани коронки (верха камня). Если углы b наклона основных граней коронки сделать слишком большими, луч вместо выхода в воздух отразится обратно в камень. Хотя и были предложены типы огранки, рассчитанные на многократное (6 и более раз) внутреннее отражение лучей [2] их трудно реализовать на практике. Влияние несовершенства полировки граней с увеличением числа отражений накапливается и направление прохождения луча становится непредсказуемым. Полного внутреннего отражения на гранях коронки можно избежать, если делать угол b не более чем
β = γ+90^°-2α (2) (2)
При этом допускается, что ближе к рундисту (пояску камня), угол β может возрастать на несколько градусов за счет нижних клиньев коронки или дополнительных ступеней.

Из идеи возвращения лучей камнем возникли рекомендации делать такие углы наклона граней, чтобы лучи света выходили из камня назад строго в том же направлении, в котором они к нему пришли [3 и 4] Однако эти решения не завоевали популярности, вследствие того, что при таких углах наклона основных граней увидеть выходящие из камня лучи сможет только лампочка, которая их испустила, а не глаз человека. Наблюдатель же увидит в таком камне отражение собственного лица, которое не является источником света, поэтому такой камень выглядит тускло.

Известен способ огранки камня, в котором, для того, чтобы выходящие из камня лучи попадали в глаз человека, они при возвращении отклоняются от траектории падения на камень по крайней мере на 10 градусов [5] Причем, это условие должно выполняться для трех возможных способов прохождения лучей через камень.

1) Вход в площадку и выход из площадки. Для этого луча необходимое отклонение обеспечивается, если угол a удовлетворяет условиям:

2) Вход в грань коронки и выход из грани коронки. В этом случае углы α должны лежать за пределами области, ограниченной кривыми:
b
3) Вход в площадку, а выход из грани коронки. По принципу обратимости лучей, этот путь эквивалентен входу в грань коронки и выходу из площадки. В этом случае углы должны лежать за пределами области, ограниченной кривыми:
α и β
Однако предложенные формулы и полученные из них результаты справедливы только для лучей, падающих на камень вблизи нормали к плоскости площадки или рундиста. В реальных условиях ношения ювелирного украшения возможно произвольное относительное положение источника света, камня и наблюдателя. При этом для некоторых направлений падения света на камень может не обеспечиваться минимальное отклонение выходящего луча.

В основу изобретения положена задача создать способ обработки ювелирного камня, в котором, за счет правильного выбора углов наклона основных граней, обеспечивается восприятие глазом наибольшего количества световых лучей при любом возможном положении источников света, обеспечивая красоту ограненного камня.

Поставленная задача решается тем, что в способе огранки камня, в зависимости от показателя n преломления ограняемого материала, определяют минимальный и максимальный углы наклона основных граней павильона:
α предельный угол полного внутреннего отражения, при этом угол α>γ+2^°, где γ = arcsin(l/n) лежит за пределами
α.

в зависимости от выбранного угла наклона основных граней павильона, выбирают угол α наклона основных граней коронки из следующего соотношения:
b,
получая границы областей возможных значений углов β<90^°-2α+γ, наклона основных граней павильона и коронки. Из полученных выше областей исключают две области, для которых выходящий из камня луч может отклоняться менее, чем на 10 градусов от направления падения луча на камень для лучей падающих перпендикулярно площадке, и в границах оставшихся областей выбирают углы наклона основных граней коронки и павильона и осуществляют огранку камня с последующей шлифовкой и полировкой граней согласно изобретению при огранке камня, определяют две области, внутри которых выходящий из камня луч может отклоняться на угол менее 10 градусов от направления падения луча на камень для любого направления падения лучей на грани коронки или площадки, а из оставшихся областей углов наклона граней выбирают области, удовлетворяющие условиям:
α и β

При таком решении все потери света в камне минимальны. В результате камни, ограненные таким образом, выглядят ярче ограненных традиционным образом, а световые блики у них равномерно распределены по всей поверхности.

Целесообразно при огранке камня из слабо окрашенных материалов выбирать углы наклона граней, при которых луч проходит через камень наиболее длинным путем, которые удовлетворяют условию
β>360^°-8α.
При этом возрастает густота окраски ограненного камня.

Также целесообразно при огранке камня из густо окрашенных материалов, выбирать углы наклона, удовлетворяющие условию
β<360^°-8α,
при которых луч проходит через камень наиболее коротким путем, а от граней павильона отражается в наиболее широком диапазоне углов. Таким образом достигается максимальная яркость даже в густо окрашенных камнях.

Желательно также, при огранке камня, для которого необходимо выявить наилучшую игру, угол наклона основных граней коронки выбирать максимально возможным при условии β>360^°-8α.. При этом луч света проходит через призму ограняемого вещества с максимальным углом раскрытия при вершине, что обеспечивает максимальную дисперсионную окраску лучей, выходящих из камня в наиболее широком диапазоне возможных направлений.

Для материалов с высоким показателем преломления, целесообразно огранять дополнительные "цирконовые" грани, выбирая углы наклона основных граней павильона из области решений, удовлетворяющей условию:
β>360^°-8α,
а дополнительные из условия
β<360^°-8θ,
где θ угол наклона цирконовых граней, при одном угле наклона основных граней коронки b.

Целесообразно при огранке смещать на рундисте основных грани павильона относительно основных граней коронки. Наилучшие результаты получаются, если основные грани коронки лежат посередине между основными гранями павильона.

Возможно поверхность рундиста огранять плоскими гранями. При этом они должны лежать со стороны павильона под углом наклона 53-90 градусов к плоскости рундиста.

В предлагаемом способе обработки обеспечивается максимальная красота ограненного камня за счет максимальной яркости для наиболее широкого диапазона направлений падающего света и для наиболее широкого диапазона направлений рассматривания камня.

На фиг. 1 изображено отражение световых лучей от граней павильона; на фиг. 2 вид сбоку на ограненный камень; на фиг. 3 вид сверху на ограненный камень; на фиг. 4 вид снизу на ограненный камень; на фиг. 5, 6, 7 и 8 - различные области углов наклона основных граней павильона (отложены по горизонтали) и основных граней коронки (отложены по вертикали) для кварца, хризолита, корунда и циркона соответственно; на фиг. 9 вид снизу на ограненный камень с цирконовыми гранями; на фиг. 10 вид сбоку на ограненный камень с цирконовыми гранями и смещением коронки относительно павильона.

В основу предлагаемого способа обработки камня положены результаты экспериментального изучения и теоретического анализа возможных путей распространения луча света через ограненный кмень. На фиг. 1 показан ход лучей через две напротив лежащие грани 1 павильона 2, наклоненные под углом a к плоскости рундиста 3 (поясок камня). Условия полного внутреннего отражения на обеих гранях 1 выполняются только для лучей, направления падения которых лежат внутри угла v, ,, то есть между лучами А и В. (Отметим, что здесь рассматривается угол внутри камня, в воздухе он будет больше за счет преломления). Для луча С полное внутреннее отражение нарушается на первой грани 1а, а для луча D на второй грани 1в. Значение диапазона возможных направлений падающих лучей, для которых выполняются условия полного внутреннего отражения, можно рассчитать аналитически:
Φ = 180^°-2γ-2α, (1)
где γ предельный угол полного внутреннего отражения. Из этого выражения следует, что чем меньше угол a,, тем больше диапазон углов Φ,, тем больше падающих на камень лучей возвращается назад, тем больше вероятность их наблюдения и следовательно больше яркость камня. Особенно полезно уменьшить углы наклона граней 1 низа для густо окрашенных камней, так как при этом уменьшается путь, проходимый лучом через камень, и ослабляется окраска выходящих из него лучей. Однако, если огранить грани 1 павильона 2 под углом менее предельного угла полного внутреннего отражения, середина камня становится прозрачной и перестает блестеть, поэтому угол α должен по крайней мере на 2 градуса превышать угол g:
α>γ+2^°. (2)
Для бледно окрашенных камней с целью увеличения густоты окраски следует по-возможности увеличить угол α даже в ущерб яркости. Однако насыщенность окраски при увеличении угла a возрастает медленно, а яркость убывает так быстро, что в большинстве случаев нецелесообразно делать этот угол более 47 градусов. Поэтому мы не будем даже рассматривать другие недостатки, возникающие при больших углах наклона граней павильона 2.

Фиг. 1 демонстрирует также преимущества открытых оправ для закрепления камней. Так как крапановый каст оставляет павильон 2 камня доступным для обозрения, луч D нельзя считать потерянным. Это особенно полезно для бесцветных камней, так как абсорбционная окраска таких лучей намного слабее, а дисперсионная, то есть обусловленная дисперсией материала из которого изготовлен камень выше, чем обычно.

Для того, чтобы выходящий из камня луч не отражался от граней 4 коронки 5 обратно в камень, их угол наклона не должен быть слишком большим, то есть
β<γ+90^°-2α. (3)
При этом, верхние клинья 6 коронки 4 (фиг. 2 и 3), наклоненные под меньшим углом, чем основные грани 4 коронки, обеспечивают выход в окружающее пространство косых лучей, направление распространения которых не лежит в одной плоскости с осью симметрии камня. Ближе к рундисту 7 угол наклона граней 4 коронки 5 может возрастать за счет дополнительных граней нижних клиньев 8 коронки 5 или дополнительных ступеней. Отражения выходящего луча внутрь при этом не происходит, если наклон дополнительных граней возрастает на несколько градусов.

Для того, чтобы выходящий из камня луч мог попасть в глаз человека, необходимо обеспечить его отклонение от направления падения на камень по крайней мере на 10 градусов. Условия, налагаемые при этом на углы наклона граней 1 павильона 2 (фиг. 1), для лучей вошедших и вышедших через площадку 9 легко написать аналитически:

При этом для лучей, почти перпендикулярных площадке 9 обеспечивается отклонение 10 градусов, а для всех остальных оно может быть только больше. Условия, налагаемые на углы наклона граней павильона и коронки для обеспечения выходящего луча по крайней мере на 10 градусов, для лучей, вошедших в грань коронки и вышедших через грань площадки или коронки во всем возможном диапазоне углов падения, представляют собой трансцендентные уравнения, меняющиеся в зависимости от рассматриваемых областей углов наклона граней и показателя преломления ограняемого камня. Поэтому их можно решать только численно, для фиксированного показателя преломления, проверяя на величину возможного отклонения луча каждую пару углов α и β для всех возможных направлений падения света на камень.

Рассмотрим несколько примеров обработки камней, в частности кварца, хризолита, корунда и циркона, для которых возможные области углов наклона основных граней приведены на фиг. 5, 6, 7 и 8 соответственно. Углы a наклона основных граней 1 павильона 2 отложены по оси Х, а углы b наклона основных граней 4 коронки 5 по оси Y. Каждая точка плоскости, соответствующая паре углов a и β, была проверена на величину минимального возможного отклонения для любых возможных направлений падающего света, при которых луч вообще может отразиться назад. Буквой Е обозначена заштрихованная область углов наклона основных граней 1 и 4, при которых возможно недостаточное отклонение световых лучей, вошедших в камень через грань площадки 9 и вышедших через нее наружу. Заштрихованные области углов, при которых возможно недостаточное отклонение возвращающихся лучей для случаев входа луча в грань 4 коронки 5, а выходы через грань площадки 9 или грань 4 коронки 5 обозначены буквами F и G соответственно. Заштрихованные области углов, не удовлетворяющие выражениям 2 и 3 обозначены буквами Н и Р. Незаштрихованными остались четыре области К, L, M и N, внутри которых и находятся интересующие нас решения. Внешний вид таких камней был проверен экспериментально. К сожалению, камни, ограненные так, что их угловые параметры попадают в области М и N выглядят весьма странно. Дело в том, что у камней из области углов М световые блики сосредоточены только в ближайшей к зрителю половине, а у камней из области N в дальней от него половине. Такая однобокость позволяет нам исключить решения М и N из рассмотрения.

Из фиг. 5 видно, что у кварца отсутствует область L. Действительно, она появляется только для минералов с показателем преломления n больше 1,62. Таким образом, кварц можно огранить, выбирая углы наклона только из области К возможных решений. Например:
α = 43^°,β = 44^°.
Для материалов с меньшим показателем преломления n существует только одна область К возможных решений, которая в свою очередь исчезает, если n < 1,47. По-видимому, природные стекла, такие как обсидиан или тектит являются последним материалом, который можно удовлетворительно огранить, а такие минералы как флюорит или опал при огранке традиционной формы вообще не могут удовлетворить предъявленным нами требованиям.

Хотя область решений L и позволяет сильно уменьшить угол наклона граней 1 павильона 2 для камней с высоким показателем преломления, этим следует пользоваться только в фантазийных формах огранки или для центральных клиньев (фиг. 9, 10) павильона в огранке типа "цирконовая". При α<37^° и особенно при малых размерах площадки, из-за прекращения выхода через площадку 9 лучей, вошедших через нее в камень, уменьшается количество световых бликов, даваемых камнем.

Для слабо окрашенных камней целесообразно выбирать углы наклона из области К решений, удовлетворяющих условию:
β>360^°-8α,
так как они отвечают большим углам наклона граней 1 и 4 (фиг. 1), что соответствует большей толщине камня и большей оптической длине пути луча через камень. Большая оптическая длина пути обеспечивает увеличение густоты абсорбционной окраски прошедшего через камень луча. Так слабо окрашенные разновидности хризолита и корунда (фиг. 6 и 7) можно, например, огранить следующим образом:
хризолит (перидот) α = 43^°, β = 40^°,,
корунд α = 43^°, β = 38^°..

Для густо окрашенных камней целесообразно ослабить окраску выходящих лучей. Для этого нужно выбрать минимальные углы наклона граней 1, 4 (фиг. 1) павильона 2 и коронки 5. Для этого наилучшим образом подходит область L возможных решений, которая удовлетворяет условию:
β<360^°-8α,
а чрезмерно интенсивно окрашенные разновидности хризолита и корунда можно огранить, например, следующим образом:

Такие углы наклона основных граней 1 (фиг. 1) павильона повышают яркость камня также за счет увеличения диапазона углов падения лучей, которые могут быть отражены камнем назад.

Для выявления наилучшей игры, то есть разложения выходящих из камня лучей в цвета радуги, необходимо, чтобы луч, проходя через камень, преломился через призму вещества с максимальным углом раскрытия при вершине. Этому требованию удовлетворяют углы наклона граней, лежащие в самом верхнем углу области К (фиг. 8) возможных решений. Таким образом целесообразно огранять бесцветные или слабоокрашенные камни с высокой дисперсией, например для циркона можно выбрать:
α = 41,5^°, β = 38^°.
Для камней с высоким показателем преломления удается сочетать углы наклона из областей К и L одновременно. Для этого нужно огранить на павильоне 2 (фиг. 9) дополнительные грани 10, обычно называемые "цирконовыми", так как похожие по орнаменту грани издавна используются при огранке циркона для предотвращения скалывания шипа камня. Эти грани имеют меньший, чем основные грани 1 павильона 2 угол наклона и по индексам делительной шестеренки лежат между ними. Например, для густо окрашенных цирконов можно использовать следующие углы наклона для основных граней 1, 4:
α = 43^°, β = 34^°,
тогда дополнительные грани 10 можно огранить под углом θ = 38^° наклона.

При традиционной форме огранки (фиг. 2) обычно следят за соответствием граней 4 коронки 5 и граней 1 павильона 2 так, чтобы грани 4 коронки 5 лежали строго над гранями 1 павильона 2. Однако, ограненные камни выглядят лучше, если грани 4 коронки 5 (фиг. 10) смещены относительно граней 1 павильона 2 и лежат между ними, причем наилучший результат получается, если грани 4 коронки 5 лежат строго посередине между гранями 1 павильона 2. При этом лучи света, проходящие через грани коронки 5 разбиваются надвое ребрами между гранями павильона 2, а лучи, отражаемые павильоном 2, разбиваются ребрами, разделяющими грани коронки 5. Таким образом увеличивается число выходящих лучей, а сам камень выглядит так, будто он ограничен более сложной огранкой с большим чем на самом деле числом граней.

Некоторые лучи света, проходящего через камень, входят или выходят из него через рундист 7 (поясок) (фиг. 2). Чтобы сократить количество таких лучей, его стараются делать возможно более тонким. Вместо этого его можно огранить, причем, если грани рундиста 7 (фиг. 10) лежат со стороны павильона 2 и немного наклонены к плоскости рундиста 7, а сам камень закреплен в крапановый каст (не показан), лучи света, выходящие из рундиста 7, отклоняются в строну зрителя.

После выбора оптимальных для данного камня углов наклона граней осуществляют по технологии, соответствующей обрабатываемому материалу, его огранку с последующей шлифовкой и полировкой граней. Для получения описанных выше преимуществ ограненного камня необходимо при огранке возможно более точно соблюсти выбранные углы, а при полировке обеспечить высокую плоскостность граней. Экспериментальные испытания показали, что достаточную плоскостность граней можно обеспечить только использованием достаточно жесткого металлического полировальника, причем жесткость используемого для полировальника сплава должна соответствовать механическим свойствам ограняемого камня.

Таким образом, предложенный способ обработки ювелирного камня обеспечивает восприятие глазом наибольшего количества световых лучей, вышедших из камня при любом возможном положении источников света, камня и глаза, обеспечивая красоту ограненного камня. В результате, камни, ограненные таким способом, выглядят ярче ограненных традиционным образом, а световые блики равномерно распределены по их поверхности. Предложенный способ позволяет управлять цветом камня, увеличивая интенсивность окраски для бледных камней и повышая яркость густо окрашенных камней. Предложенный способ обработки ювелирного камня позволяет также максимально выявить цветовую игру обусловленную дисперсией ограняемого материала и улучшить внешний вид за счет орнамента граней и световых бликов на поверхности камня.

ЛИТЕРАТУРА
1. Tolkowsky, M. 1919, Diamond Dezign (London E. F. N. Spon).

2. U. S. Patent N 4,083,352, кл. B 28 D 5/00, 1978.

3. Johnsen, A. 1926, Sber. preuss. Akad. Wiss. 19, 322.

4. Rosch, S. 1926, Deutsche Goldschmiedeztg, Nos. 5, 7, 9.

5. Bruce L. Hurding. 1975, Gems Gemology, vol. 15, 3, 78.

Способ обработки ювелирного камня, согласно изобретению, заключается в том, что в зависимости от показателя n преломления ограняемого материала определяют минимальный и максимальный углы α наклона основных граней павильона. В зависимости от выбранного угла a наклона основных граней павильона выбирают угол b наклона основных граней коронки, получая границы областей возможных значений углов a и b наклона основных граней павильона и коронки. Из полученных областей исключают две области, для которых выходящий из камня луч отклоняется менее, чем на 10 градусов от направления падения лучей, падающих для любого направления падения лучей на грани коронки или площадки, а из оставшихся областей углов наклона граней выбирают области, удовлетворяющие условиями: α<45^°;β>180^°-4α. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ обработки ювелирного камня, заключающийся в том, что в зависимости от показателя n преломления ограняемого материала определяют минимальный и максимальный углы α наклона основных граней павильона
α>γ+2^°,
где γ = arcsin(1/n) предельный угол полного внутреннего отражения,
при этом угол α лежит за пределами

в зависимости от выбранного угла α наклона основных граней павильона выбирают угол b наклона основных граней коронки из следующего соотношения
β<90^°-2α+γ,
получая границы областей возможных значений углов α и β наклона основных граней павильона и коронки, из полученных выше областей исключают две области, для которых выходящий из камня луч может отклоняться менее чем на 10^o от направления падения луча на камень для лучей, падающих перпендикулярно площадке, и в границах оставшихся областей выбирают углы наклона основных граней коронки и павильона и осуществляют огранку камня с последующей шлифовкой и полировкой граней, отличающийся тем, что при огранке камня определяют две области, внутри которых выходящий из камня луч может отклоняться на угол менее 10^o от направления падения луча на камень для любого направления падения лучей на грани коронки или площадки, а из оставшихся областей углов наклона граней выбирают области, удовлетворяющие условиям
α<45^°
β>180^°- 4α.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для слабо окрашенных камней выбирают углы наклона граней, удовлетворяющие условию:
β>360^°- 8α.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для густо окрашенных камней выбирают углы наклона граней, удовлетворяющие условию
β<360^°- 8α.
4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что для выявления наилучшей игры угол наклона основных граней коронки выбирают максимально возможным. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для камней с высоким показателем преломления осуществляют огранку дополнительных граней, обычно называемых цирконовыми, так, что для определенного угла β выбирают угол a наклона основных граней павильона по соотношению
β>360^°- 8α,
а углов θ наклона цирконовых граней по соотношению
β<360^°- 8θ.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что основные грани павильона смещены на рундисте относительно основных граней коронки и лежат между ними. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что рундист ограняют гранями, лежащими со стороны павильона под углом наклона 53 90^o к плоскости рундиста.