白光LED對(duì)中國傳統(tǒng)書畫色彩的影響

摘要：

為得到低色溫高顯色性白光LED光譜對(duì)中國傳統(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)。

關(guān)鍵詞：

展陳照明；白光LED；傳統(tǒng)書畫；色彩；量化影響

中圖分類號(hào)：

TU 1136

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：16744764（2015）01006106

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)，中國絕大多數(shù)博物館都設(shè)有書畫展廳，中國傳統(tǒng)書法繪畫是最主要的展品類型之一，存量巨大[3]。而且作為中國傳統(tǒng)文化的精髓，千百年來出現(xiàn)了許多國寶級(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。國外學(xué)者對(duì)該問題進(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[45]，其基材、顏料、制作工藝等都與中國傳統(tǒng)書畫存在很大差異，研究結(jié)論對(duì)我國書畫并不適用，而中國學(xué)者主要是對(duì)光照影響機(jī)理進(jìn)行定性描述[67]，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《博物館照明設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 23863—2009）（以下簡稱《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)光較多等問題正是書畫照明所不允許的。通過紫外LED芯片配合RGB熒光粉也可得到WLED[10]，但其光譜中過高的紫外含量將對(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、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)。

為解決上述問題，設(shè)計(jì)了低色溫高顯色性WLED對(duì)中國傳統(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)而周期性測量試件的色彩參數(shù)，并繪制變化曲線圖；最后通過數(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。

黨睿，等：白光LED對(duì)中國傳統(tǒng)書畫色彩的影響

1技術(shù)路線

實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線見圖1。

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，制作中國書畫模型試件。以宣紙和絲絹?zhàn)鳛榛?，在上面繪制中國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133 W，發(fā)光效率496 lm/W，同時(shí)測定紅、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)測量周期，隨著照射時(shí)間延長，被照物總曝光量隨之累加，每個(gè)照射周期后進(jìn)行測量。采用BM5型亮度計(jì)在D65標(biāo)準(zhǔn)光源下測量試件的CIE 1931色坐標(biāo)（x，y）及亮度值L，記錄所測數(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）色度圖上進(jìn)行表示[15]，將亮度值擬合為變化曲線圖。

需要說明的是，實(shí)驗(yàn)中試件表面的輻照度為175 mW/cm2，根據(jù)該WLED光源的SPD，折合照度為460348 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，樣本未來的衰變數(shù)值進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。但目前國際上對(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)由于測試目的是探求光照對(duì)展品的物理損傷情況，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175 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)行測量，測量結(jié)果見圖2。

圖2WLED光譜分布圖

Fig.2Spectrum distribution of WLED

根據(jù)測試結(jié)果可知：首先，光譜能量主要分布于380 nm～780 nm的可見光區(qū)域，幾乎不含紅外和紫外光譜；其次，在可見光譜區(qū)域內(nèi)藍(lán)光成分較少，由于藍(lán)光波長較短能量較強(qiáng)，是可見光譜中對(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BM5型亮度計(jì)在D65標(biāo)準(zhǔn)光源下測量六種顏色試件的CIE 1931色坐標(biāo)（x，y）及亮度值L，連續(xù)測試5個(gè)周期，將測試結(jié)果記錄后整理成表格。為保證測試結(jié)果準(zhǔn)確，每組數(shù)據(jù)均為3次測量后的平均值。色彩參數(shù)見表1。

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）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)周期的依次檢測結(jié)果，見圖3。將亮度值L擬合為隨時(shí)間周期變化曲線，見圖4。

圖3色坐標(biāo)在CIE1931（2°視場）色度圖中的變化曲線

Fig.3Curve 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.4Cyclic 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（0339 0，0340 9）變化到第5周期的（0351 2，0353 5），即沿中心白點(diǎn)逐漸向570 nm主波長方向遷移，說明顏色開始由白變黃，有發(fā)黃跡象；亮度從第2周期開始下降，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（0258 0，0280 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，波長較短的藍(lán)、綠光含量較低，而黃、紅等中、長波部分含量很高，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（0441 3，0347 0）變化到第三周期的（0431 1，0351 7）后，沿580 nm主波長向中心白點(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（0423 9，0421 9）變化到第5周期的（0425 1，0402 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（0429 9，0330 8）變化到第5周期的（0467 6，0321 1），變色趨勢與黃色較為類似，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周期降低后便開始逐步升高，但總體變化并不顯著，說明有微弱褪色現(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)在可見光波長范圍內(nèi)，藍(lán)、綠光等短波含量較低，中、長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，但無論是從色相、飽和度還是亮度，參數(shù)變化幅度并不大，說明該類型WLED光源未來在書畫展陳照明中具有一定的應(yīng)用前景。

6研究展望

通過研究WLED對(duì)中國傳統(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)測量參數(shù)分析整理衰變曲線擬合實(shí)際問題量化科學(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)中國傳統(tǒng)書畫的量化損傷情況。

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