白光LED對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)書畫色彩的影響

黨 睿，王立雄，劉 剛，雒 琛

(天津大學(xué) 建筑學(xué)院；天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

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白光LED對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)書畫色彩的影響

黨 睿，王立雄，劉 剛，雒 琛

(天津大學(xué) 建筑學(xué)院；天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

為得到低色溫高顯色性白光LED光譜對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)書畫色彩的量化影響規(guī)律，論證白光LED在書畫展陳照明中的實(shí)際適用性，基于滿足書畫照明標(biāo)準(zhǔn)的RYGB型白光LED光源照射書畫模型試件的實(shí)驗(yàn)方法，周期性測(cè)量試件色彩參數(shù)，進(jìn)而繪制色坐標(biāo)和亮度值隨時(shí)間周期性變化曲線圖，通過(guò)分析色坐標(biāo)在CIE 1931色度圖上的變化情況以及亮度衰變曲線，得到此類白光LED對(duì)書畫色相、飽和度、明度的量化影響規(guī)律，提出RYGB型白光LED在書畫展陳照明中的應(yīng)用依據(jù)。

展陳照明；白光LED；傳統(tǒng)書畫；色彩；量化影響

光學(xué)輻射是造成展品受損的重要因素，因此人工光環(huán)境質(zhì)量是衡量博物館水平的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，而直接作用于展品的展陳照明更是重中之重[1]。由于不科學(xué)照明會(huì)對(duì)展品造成不可逆的永久性損傷，導(dǎo)致文物的歷史信息流失和遺產(chǎn)價(jià)值降低，因此必須避免或減小光學(xué)輻射損害[2]。

在對(duì)多座博物館進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，中國(guó)絕大多數(shù)博物館都設(shè)有書畫展廳，中國(guó)傳統(tǒng)書法繪畫是最主要的展品類型之一，存量巨大[3]。而且作為中國(guó)傳統(tǒng)文化的精髓，千百年來(lái)出現(xiàn)了許多國(guó)寶級(jí)書畫珍品，具有極高的藝術(shù)價(jià)值和文物價(jià)值。但中國(guó)傳統(tǒng)書畫由于自身的基材和顏料特性，較其它類型文物更易受到光學(xué)輻射損害而發(fā)生褪色和變色。國(guó)外學(xué)者對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了較為深入的探索，但研究樣本均為油畫等西方繪畫類型[4-5]，其基材、顏料、制作工藝等都與中國(guó)傳統(tǒng)書畫存在很大差異，研究結(jié)論對(duì)我國(guó)書畫并不適用，而中國(guó)學(xué)者主要是對(duì)光照影響機(jī)理進(jìn)行定性描述[6-7]，缺乏深入的定量化研究。

熒光燈、鹵鎢燈、金鹵燈3種傳統(tǒng)光源是目前在書畫照明中所采用的主要類型[8]，而WLED(White Light Emitting Diodes)的出現(xiàn)，為展陳照明提供了新的光源選擇。中國(guó)《博物館照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 23863—2009)(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)中，對(duì)用于書畫類展品照明的光源參數(shù)要求為：Tc<3 300 K，同時(shí)Ra>90。但目前WLED的最主要制備方法是使用藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉，由于該方法所獲得的WLED光譜中缺少紅綠部分，因此難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)低色溫、高顯色性的技術(shù)指標(biāo)[9]。另一種制備方法是通過(guò)將紅、綠、藍(lán)三色LED芯片按照一定比例混合得到[10]，這種WLED雖可達(dá)到較好的顯色水平，但它存在的發(fā)熱量高和藍(lán)光較多等問(wèn)題正是書畫照明所不允許的。通過(guò)紫外LED芯片配合RGB熒光粉也可得到WLED[10]，但其光譜中過(guò)高的紫外含量將對(duì)書畫造成嚴(yán)重?fù)p傷。目前能夠滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求的WLED制備方法是，采用藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃、紅、綠三色熒光粉，通過(guò)優(yōu)化3種顏色熒光粉之間的比例，可得到低色溫高顯色性WLED[11]，這種新型光源的出現(xiàn)，為WLED在書畫展陳照明中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。因?yàn)檫@類WLED不僅節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、易維護(hù)，同時(shí)還具有光譜中的紫外線和紅外線含量低、能夠根據(jù)需求調(diào)節(jié)SPD(Spectral Power Distribution)[12]、可見(jiàn)光波段中藍(lán)光光譜少等特點(diǎn)，使其在理論上非常適合用于書畫照明[13]。但由于WLED面世時(shí)間較短，而且光譜組成較傳統(tǒng)光源有很大差異，對(duì)書畫色彩的損傷情況尚不明晰，因此WLED的實(shí)際適用性缺乏科學(xué)依據(jù)。

為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了低色溫高顯色性WLED對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)書畫模型的光照影響實(shí)驗(yàn)[14]。首先按照傳統(tǒng)方法制作6種典型顏色的書畫試件，使之最大程度接近真實(shí)展品；其次測(cè)量WLED出射光譜，保證滿足實(shí)驗(yàn)精度要求；進(jìn)而周期性測(cè)量試件的色彩參數(shù)，并繪制變化曲線圖；最后通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到WLED對(duì)書畫色相、飽和度、明度的量化影響規(guī)律。

1 技術(shù)路線

實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

圖1 研究技術(shù)路線Fig.1 Technical route

2 實(shí)驗(yàn)方法

1)模型試件：由天津大學(xué)工筆重彩研究所按傳統(tǒng)技法和工藝，制作中國(guó)書畫模型試件。以宣紙和絲絹?zhàn)鳛榛?，在上面繪制中國(guó)書畫使用最為廣泛的黑(石墨)、白(鉛白)、青(石青)、茶(赭石)、黃(雌黃)、紅(朱砂)共6種顏料，并使用小麥淀粉制成的糨糊按照古典技法進(jìn)行手工裝裱，使模型試件能夠最真實(shí)反映中國(guó)傳統(tǒng)書畫特點(diǎn)。

2)實(shí)驗(yàn)光源：采用藍(lán)光LED芯片激發(fā)紅、黃、綠三色熒光粉的方法，獲得了能夠滿足《標(biāo)準(zhǔn)》的RYGB(紅黃綠藍(lán))型WLED成品。這種光源的色溫Tc=2 700 K,顯色指數(shù)Ra=92，功率13.3 W，發(fā)光效率49.6 lm/W，同時(shí)測(cè)定紅、黃、綠、藍(lán)是其主要單色光譜成分，紅外和紫外光譜含量極少。

3)實(shí)驗(yàn)方案：實(shí)驗(yàn)在地下全暗光學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，同時(shí)溫度、濕度、空氣質(zhì)量保持恒定。實(shí)驗(yàn)采用循環(huán)照射，每天照射8 h，每6 d為一個(gè)測(cè)量周期，隨著照射時(shí)間延長(zhǎng)，被照物總曝光量隨之累加，每個(gè)照射周期后進(jìn)行測(cè)量。采用BM-5型亮度計(jì)在D65標(biāo)準(zhǔn)光源下測(cè)量試件的CIE 1931色坐標(biāo)(x，y)及亮度值L，記錄所測(cè)數(shù)據(jù)并繪制統(tǒng)計(jì)表格，進(jìn)而將色坐標(biāo)數(shù)據(jù)繪制于CIE 1931(2°視場(chǎng))色度圖上進(jìn)行表示[15]，將亮度值擬合為變化曲線圖。

需要說(shuō)明的是，實(shí)驗(yàn)中試件表面的輻照度為1.75 mW/cm2，根據(jù)該WLED光源的SPD，折合照度為4603.48 lx，而《標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于書畫類展品的表面照度要求為50 lx,因此實(shí)驗(yàn)照度為標(biāo)準(zhǔn)照度的92倍，屬于加速老化實(shí)驗(yàn)。由于不同種類顏料的物理化學(xué)特性存在差異，因此在加速老化實(shí)驗(yàn)中的光照強(qiáng)度、照射時(shí)間、樣本衰變程度并不一定與正常照射時(shí)存在線性關(guān)系，也不能夠依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)正常照射情況下，樣本未來(lái)的衰變數(shù)值進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。但目前國(guó)際上對(duì)于這類實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：只要保證實(shí)驗(yàn)方法和操作過(guò)程科學(xué)，加速實(shí)驗(yàn)結(jié)果與正常條件下具有一致性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠證明所設(shè)定條件對(duì)樣本的實(shí)際影響程度及影響規(guī)律[16]。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1)WLED光譜

按照書畫照明常用照射距離，在刻度式鐵架臺(tái)上將光源調(diào)節(jié)到距試件50 cm，同時(shí)由于測(cè)試目的是探求光照對(duì)展品的物理?yè)p傷情況，因此實(shí)驗(yàn)采用輻照度(單位mW/cm2)而非照度(單位lm)作為限定指標(biāo)，此時(shí)試件表面輻照度為1.75 mW/cm2。進(jìn)而采用分光光度計(jì)(量程為300～1 100 nm)對(duì)WLED的光譜進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 WLED光譜分布圖Fig.2 Spectrum distribution of WLED

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知：首先，光譜能量主要分布于380 nm～780 nm的可見(jiàn)光區(qū)域，幾乎不含紅外和紫外光譜；其次，在可見(jiàn)光譜區(qū)域內(nèi)藍(lán)光成分較少，由于藍(lán)光波長(zhǎng)較短能量較強(qiáng)，是可見(jiàn)光譜中對(duì)展品損害最大的譜段，因此該光源有利于書畫照明保護(hù)；第三，在可見(jiàn)光譜區(qū)域內(nèi)并不缺少紅綠部分，這對(duì)于還原書畫作品豐富的色彩、提高視看效果具有重要作用。所以，實(shí)驗(yàn)所選用的WLED完全能夠滿足書畫展陳照明需求。

2)色彩參數(shù)

采用BM-5型亮度計(jì)在D65標(biāo)準(zhǔn)光源下測(cè)量六種顏色試件的CIE 1931色坐標(biāo)(x，y)及亮度值L，連續(xù)測(cè)試5個(gè)周期，將測(cè)試結(jié)果記錄后整理成表格。為保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，每組數(shù)據(jù)均為3次測(cè)量后的平均值。色彩參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 書畫試件色彩參數(shù)變化表

4 數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)行WLED對(duì)書畫色彩的輻射影響分析，通過(guò)坐標(biāo)點(diǎn)法將實(shí)驗(yàn)所得(x,y)數(shù)據(jù)繪于CIE1931(2°視場(chǎng))色度圖中形成色坐標(biāo)變化曲線，圖中坐標(biāo)點(diǎn)由1到5為5個(gè)周期的依次檢測(cè)結(jié)果，見(jiàn)圖3。將亮度值L擬合為隨時(shí)間周期變化曲線,見(jiàn)圖4。

圖3 色坐標(biāo)在CIE1931(2°視場(chǎng))色度圖中的變化曲線Fig.3 Curve of color coordinate in CIE1931(2°)

由圖3和圖4可知：

1)黑色(石墨)：色坐標(biāo)僅發(fā)生微小變化，變化范圍一直在色度圖中心點(diǎn)附近，只稍向上方偏移，變色情況不明顯；亮度從第2周期開(kāi)始提高，即有泛白跡象。由于黑色能夠吸收各個(gè)譜段的光子能量，在入射光譜相同的情況下，相比于其他顏色，光照對(duì)黑色的影響應(yīng)該最為明顯，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明并非如此。主要原因在于構(gòu)成黑色顏料的石墨材料特性，石墨主要成份是碳素,它是有機(jī)烴類化合物,經(jīng)熱解后形成多面體碳微粒[6],其物理和化學(xué)性質(zhì)及其穩(wěn)定, 耐光、耐熱、耐酸堿,因此光照對(duì)黑色影響并不十分顯著。

圖4 亮度值隨時(shí)間周期性變化曲線Fig.4 Cyclic variation curve of brightness

2)白色(鉛白)：色坐標(biāo)變化較為明顯，由第1周期的(0.339 0，0.340 9)變化到第5周期的(0.351 2,0.353 5),即沿中心白點(diǎn)逐漸向570 nm主波長(zhǎng)方向遷移，說(shuō)明顏色開(kāi)始由白變黃，有發(fā)黃跡象；亮度從第2周期開(kāi)始下降，發(fā)烏變暗。白色能夠反射各個(gè)波段的光譜，因此在入射光相同時(shí)白色獲得的能量最少，應(yīng)該比其他顏色受光照影響更小，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其色坐標(biāo)發(fā)生了較為明顯的變化。究其原因，仍與顏料性質(zhì)有關(guān)，鉛白為堿式碳酸鉛[6],化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，易受光照影響而分解為氧化鉛，因此有較為明顯的變黃和發(fā)烏現(xiàn)象。

3)青色(石青)：色坐標(biāo)總體上由(0.258 0，0.280 8)向中心白點(diǎn)方向振蕩移動(dòng)，色相有略微改變且飽和度降低；亮度在整個(gè)照射周期內(nèi)逐步提高，有發(fā)白褪色現(xiàn)象。根據(jù)混色原理，青色是由藍(lán)色和綠色混合而成，因此顏料呈現(xiàn)青色是由于其反射入射光中的藍(lán)、綠光譜而吸收其他波段的光譜。根據(jù)圖2可知，實(shí)驗(yàn)所用的RYGB型WLED光譜中，波長(zhǎng)較短的藍(lán)、綠光含量較低，而黃、紅等中、長(zhǎng)波部分含量很高，所以青色在吸收大量輻射后，其變色程度本應(yīng)比較明顯，但實(shí)驗(yàn)證實(shí)它的顏色只發(fā)生了微小變化。經(jīng)分析原因如下：變色現(xiàn)象是由于顏料中的分子獲得大于其活化能的能量后[17]，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而降解所導(dǎo)致的，而青色雖獲得了大量輻射，但主要為中、長(zhǎng)波，這部分光譜由于光子振動(dòng)頻率低、能量小，數(shù)量雖大但能量不強(qiáng)，因此青色在吸收大量的中、長(zhǎng)波輻射后色彩衰變并不明顯。

4)茶色(赭石)：色坐標(biāo)由第1周期的(0.441 3，0.347 0)變化到第三周期的(0.431 1，0.351 7)后，沿580 nm主波長(zhǎng)向中心白點(diǎn)偏移，色相有小幅改變，飽和度降低；亮度由第1周期到第4周期逐步升高，第4到第5周期變化不大，有一定褪色現(xiàn)象。茶色主要反射波長(zhǎng)在580～610 nm之間的光譜，實(shí)驗(yàn)光源中位于該范圍的光譜含量較高，因此茶色所吸收的光譜總量要低于青色，但由于茶色吸收了含有很高能量的藍(lán)綠光譜，同時(shí)構(gòu)成赭石顏料的三氧化二鐵與構(gòu)成石青顏料的堿性銅碳酸鹽光化學(xué)性質(zhì)類似[6]，因此茶色的變色幅度高于青色。

5)黃色(雌黃)：色坐標(biāo)由第1周期的(0.423 9，0.421 9)變化到第5周期的(0.425 1，0.402 6)，基本沿色度圖邊界的同心圓向下偏移，即色相由黃到橙，而飽和度略降但改變不明顯；亮度由第1周期到第5周期逐步降低，說(shuō)明有發(fā)烏變暗現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)光源中的黃色光譜含量略低于茶色，且黃色與茶色均吸收了高能的藍(lán)綠光，同時(shí)構(gòu)成雌黃的三硫化二砷化學(xué)性質(zhì)與赭石類似[6]，因此黃色的變色程度高于茶色。

6)紅色(朱砂)：色坐標(biāo)由第1周期的(0.429 9，0.330 8)變化到第5周期的(0.467 6，0.321 1)，變色趨勢(shì)與黃色較為類似，基本沿色度圖邊界的同心圓向下偏移，飽和度稍有提高而變化幅度不大；亮度由第1周期到第2周期降低后便開(kāi)始逐步升高，但總體變化并不顯著，說(shuō)明有微弱褪色現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)光源中的紅色光譜含量很高，因此紅色顏料所吸收的光譜相比于茶色更少，加之二者都不反射高能的藍(lán)綠光，在構(gòu)成朱砂的硫化汞光化學(xué)性質(zhì)與赭石類似[6]的條件下，紅色的變色程度比茶色更低。

綜上所述，光照對(duì)6種顏料的色彩影響程度為：白色最明顯，然后依次是黃色、茶色、紅色、青色、黑色。

5 結(jié)論

光照影響顏料色彩衰變的主要因素有4個(gè)：光照強(qiáng)度、照射時(shí)間、顏料光化學(xué)穩(wěn)定性、光源SPD。在RYGB型WLED照射中國(guó)傳統(tǒng)書畫實(shí)驗(yàn)中，各組試件的光照強(qiáng)度和照射時(shí)間始終保持一致，因此顏料光化學(xué)穩(wěn)定性和光源SPD兩個(gè)因素對(duì)色彩衰變的影響結(jié)論如下：

1)顏料光化學(xué)穩(wěn)定性對(duì)色彩改變影響更大，這從6種顏色的變色程度實(shí)驗(yàn)結(jié)果中能夠得到印證：白色雖吸收的光譜能量最少，可是其光化學(xué)穩(wěn)定性最差，因此變色最為明顯；黑色雖吸收各個(gè)波段的光譜能量，然而石墨具有極其穩(wěn)定的光化學(xué)特性，所以變色最不顯著。但顏料對(duì)光的敏感程度是其自身的固有屬性，是不可改變的。

2)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可看出，高能量的短波輻射是造成顏料色彩改變的首要因素：青色雖受到的輻射總量高于茶色、黃色和紅色，但其所吸收的主要是中、長(zhǎng)波光譜，能量不強(qiáng)，因此變色程度低于茶、黃、紅三色。而在其他條件相同時(shí)，顏料對(duì)于光譜的選擇性吸收特性決定了其各自的光照受損程度：茶、黃、紅3種顏料的光化學(xué)性質(zhì)類似，且對(duì)光源短波輻射的吸收情況相同，但由于三者對(duì)光譜中、長(zhǎng)波部分的吸收存在差異，導(dǎo)致變色程度略有差別。

3)實(shí)驗(yàn)所使用的RYGB型WLED光譜中，不含有紫外和紅外成分，同時(shí)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，藍(lán)、綠光等短波含量較低，中、長(zhǎng)波含量雖高但其不是造成顏色衰變的主要因素。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明RYGB型WLED雖然對(duì)書畫試件有一定程度影響，但無(wú)論是從色相、飽和度還是亮度，參數(shù)變化幅度并不大，說(shuō)明該類型WLED光源未來(lái)在書畫展陳照明中具有一定的應(yīng)用前景。

6 研究展望

通過(guò)研究WLED對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)書畫色彩影響，探索出了“試件照射實(shí)驗(yàn)-關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量-參數(shù)分析整理-衰變曲線擬合-實(shí)際問(wèn)題量化-科學(xué)結(jié)論凝練”這一技術(shù)路線，該方法可在同類型研究中進(jìn)行拓展應(yīng)用。因此在后續(xù)研究中，將以鹵鎢燈、金鹵燈、熒光燈3種博物館展陳照明既有典型光源作為實(shí)驗(yàn)光源，對(duì)書畫試件進(jìn)行光照影響實(shí)驗(yàn)。并將研究結(jié)果與WLED作橫向?qū)Ρ确治觯訵LED的影響因子為1，計(jì)算得到鹵鎢燈、金鹵燈、熒光燈的相對(duì)損害系數(shù)，以明確目前4種展陳照明典型光源對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)書畫的量化損傷情況。

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(編輯 胡 玲)

Influence of WLED on color of Chinese traditional calligraphy and painting

DangRui，WangLixiong，LiuGang，LuoChen

(School of Architecture；Tianjin Key Laboratory of Architectural Physics and Environmental Technology， Tianjin University, Tianjin 300072，P.R.China)

In order to quantify the WLED’s impact on color of Chinese traditional calligraphy and painting, and explore the practical applicability of using WLED as display lighting, an experiment was carried out on the RYGB type of WLED irradiated models of calligraphy and painting. And the color parameters was tested periodically to make curve charts of color coordinate and luminance over time. The impact of the WLED on hue, saturation, brightness was quantified based on the carve to provide evidence of application of WLED.

display lighting; WLED; calligraphy and painting; color; quantitative influence

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.01.011

2014-07-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(51308384)；天津市自然科學(xué)基金(13JCQNJC07600)。

黨 睿(1981-)，男，主要從事建筑技術(shù)科學(xué)研究，(E-mail)dr_tju@163.com。 劉 剛(通信作者)，男，副教授，(E-mail)lglgmike@163.com。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China(No.51308384)；Tianjin Natural Science Foundation(No.13JCQNJC07600)；Peiyang Scholar Planof Tianjin University

TU 113.6

A

1674-4764(2015)01-0061-06

Received：2014-07-08

Author brief：Dang Rui(1981-)，main research intrest:building technology science,(E-mail)dr_tju@163.com. Liu Gang(1977-)，male,associate professor,(E-mail)lglgmike@163.com.