博物館書畫類文物展陳用光的照度均勻度研究

吳振紅

一、 引言

博物館書畫類文物的陳列照明設(shè)計(jì)不僅僅是簡單的亮化工程,它和立體器物的展陳照明有較大區(qū)別，若用光不準(zhǔn)確，就會(huì)導(dǎo)致畫面光線分布不均勻、瓦翹與折痕凸顯、畫面顏色失真等一系列光害問題，從而不能將前人的藝術(shù)造詣準(zhǔn)確而完美的傳達(dá)，使得展品“原貌”不能真實(shí)重現(xiàn)，對觀眾及研究者產(chǎn)生嚴(yán)重視覺影響。圖1是帶有一定聚光功能的筒燈，從展柜頂部投射下來（圖2），而引起畫面“照度均勻度”不均衡的實(shí)例。畫幅中處于上部位置照度較高，下半部分照度相對較低，且有投影，顯得畫面瓦翹與折痕明顯，凹凸不平，而且畫面下半部分顏色也過于暗淡。

圖1 書畫文物展廳陳列實(shí)景

圖2 書畫文物照明的傳統(tǒng)布光方法

如何避免或抑制上述光害問題，已經(jīng)成為博物館書畫展陳用光迫切需要解決的實(shí)際問題，本文也將以此為切入點(diǎn)，對博物館書畫類文物展陳用光的“照度均勻度”進(jìn)行探討研究。

GB/T23863-2009《博物館照明設(shè)計(jì)規(guī)范》1（以下簡稱規(guī)范）按照材料光敏程度的分級(jí)中，書畫文物是屬于對光特別敏感的級(jí)別。從文物保護(hù)角度出發(fā)，要嚴(yán)格按照規(guī)范中照度、累積照度、色溫、紫外線含量、紅外線含量等各方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行照明設(shè)計(jì)。其中“照度控制標(biāo)準(zhǔn)”及“累計(jì)照度控制標(biāo)準(zhǔn)”是最為重要的標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范中書畫文物的照明照度應(yīng)＜50lx（表1）即書畫文物的最高照度不能超過50lx，累積照度＜50000lx.h/年（表2）。書畫對辨色要求高，應(yīng)采取一般顯色指數(shù)（Ra）不低于90，燈光色溫＜3000k的光源作照明光源。

表1《博物館照明設(shè)計(jì)規(guī)范》展品照度控制標(biāo)準(zhǔn)

表2《博物館照明設(shè)計(jì)規(guī)范》展品曝光量控制標(biāo)準(zhǔn)

博物館以收藏文物為主，文物具有不可再生性，因展品的這一特殊性，裸展相對較少，展柜卻是至關(guān)重要，博物館幾乎都離不開展柜，展柜的形式有固定式通柜、活動(dòng)式獨(dú)立柜、異形柜等，不同形式的展柜有不同的布光和調(diào)試方法。而博物館書畫陳列展覽多以通柜為主，本文也以通柜為例進(jìn)行研究。

二、模擬實(shí)驗(yàn)

（一）實(shí)驗(yàn)環(huán)境

圖3 電磁波譜

博物館展廳照明用的光源分為兩大類即純天然的自然光源和人造光源。自然光主要是來自太陽的日光。在自然光源中，波長在380nm～780nm之間的為可見光波，可見光譜段能量分布均勻，所照射的輻照物光線也均勻，但卻不能用日光作為書畫文物的照明。因在可見光波中還有肉眼所看不到的紫外光波和紅外光波（圖3）。紫外輻射對輻照物最有害，紫外線會(huì)使某些對光敏感物質(zhì)的部分化學(xué)鍵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成長鏈斷裂，而且還會(huì)在空氣中產(chǎn)生氧化性反應(yīng)。紅外輻射對文物同樣有害，其傳遞的能量主要為熱能，會(huì)使被輻照的物體變得干燥脆弱，加速輻照物體的老化反應(yīng)。

由于自然光源的日光中含有對光敏材質(zhì)損害極大的紫外線和紅外線，所以目前國內(nèi)的博物館書畫陳列廳基本上都是采用人工光源對沒有自然光射入的暗室進(jìn)行展品和展廳的照明。

故本次實(shí)驗(yàn)的環(huán)境也選取模擬實(shí)際展廳環(huán)境的暗室，利用人工光源作為展廳的光源，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

（二）實(shí)驗(yàn)樣品

購置一幅高仿中國傳統(tǒng)繪畫做模型試件，使試件能最真實(shí)反映中國傳統(tǒng)繪畫特點(diǎn)。

（三）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1、實(shí)驗(yàn)光源

照明用的人造光源按發(fā)光原理通常又分為熱光源和冷光源兩大類。

博物館傳統(tǒng)照明用的熱光源有鹵鎢燈、白熾燈、鹵素?zé)舻?。發(fā)光原理是通電后，燈絲經(jīng)過受熱而發(fā)光的原理和熱輻射原理來實(shí)現(xiàn)的。熱光源的特點(diǎn)是雖紫外線含量較低，但紅外線含量卻很高。如果持續(xù)照射輻照物的某一處，則極易使該處顏色發(fā)生變化、干燥、老化、甚至斷裂等不良反應(yīng)。

傳統(tǒng)照明中的日光燈、節(jié)能燈等則屬于人造冷光源。日光燈和節(jié)能燈的發(fā)光原理是兩個(gè)燈絲之間的氣體導(dǎo)電時(shí)發(fā)出紫外線，紫外線激發(fā)均勻涂布在燈管內(nèi)壁上的熒光粉，使其發(fā)出柔和的可見光。因此，冷光源的日光燈與節(jié)能燈的紫外線含量比熱光源高出很多，同樣會(huì)對輻照物造成傷害。

博物館陳列照明領(lǐng)域的新光源“l(fā)ed燈”也屬冷光源。led照明技術(shù)是半導(dǎo)體光電器件“高新尖”技術(shù)的代表，被譽(yù)為“21世紀(jì)新光源”，被預(yù)測將是博物館的第四代光源。

Led燈發(fā)光原理是，通電后發(fā)光二極管的N區(qū)與P區(qū)少子與多子復(fù)合而發(fā)光?？梢?，led燈發(fā)光不是靠熱能轉(zhuǎn)化為光能，也不是紫外線激發(fā)管壁的熒光物質(zhì)而發(fā)光，所以led光譜中幾乎沒有紫外和紅外輻射，能控制熱效應(yīng)和次生光化學(xué)反應(yīng)損害，有利于文物保護(hù)，是一種綠色光源。而且led燈較傳統(tǒng)光源使用壽命長、具有照度均勻度高、節(jié)能、環(huán)保、顏色豐富等特點(diǎn)，因此正在被博物館這一特殊公共場所逐步采用和認(rèn)可。像法國盧浮宮、荷蘭國立博物館、韓國國家博物館、故宮博物院等國際一流博物館都有使用led照明的實(shí)例。

因此，本實(shí)驗(yàn)采用16W導(dǎo)軌led筒燈、4.5w/m的led燈帶及16w/1.2m的led-T5光管作為實(shí)驗(yàn)光源。

2、實(shí)驗(yàn)儀器、工具

（1）HANWELL ULM 測光儀；

（2）TracePro光學(xué)仿真軟件；

（3）SolidWorks三維仿真設(shè)計(jì)制圖軟件。

（四）實(shí)驗(yàn)過程

圖4 模擬傳統(tǒng)布光法 光照度不均勻

圖5

1、“上方布光法”實(shí)驗(yàn)

首先按照傳統(tǒng)布光方法安裝光源與模擬試件。光源為16W導(dǎo)軌led筒燈，采用傳統(tǒng)的“上方布光法”，將筒燈從書畫藏品上方水平距離畫面60CM處，燈具軸心約垂直30°角照射畫面的位置安裝好光源與試件（圖4）。

從圖4中可以看出，因?yàn)闊艄庥僧嬅嫔戏酵断?，因此畫幅上部光通量大于畫幅下部。且由于筒燈有一定聚光效?yīng)，畫幅約上1/3處的視覺光線明顯比其他地方更亮。經(jīng)HANWELL ULM 測光儀進(jìn)行測試后，光線較亮處的光照度為80lux（圖5A），已然超過了標(biāo)準(zhǔn)里建議的書畫類文物不超過50lux的光照標(biāo)準(zhǔn)。而畫幅下方僅為22lux（圖5B），光照度極不均勻。

此外，因?yàn)楫嫹L期收卷，導(dǎo)致有部分折痕出現(xiàn)，畫幅整體也存在瓦翹不平的情況。依據(jù)光線投射原理，至上而下投射下來的燈光，畫面凹凸不平位置的上方會(huì)吸收較多的光線，畫面凹凸不平位置的下方則因?yàn)樯戏降恼趽鯐?huì)產(chǎn)生陰影效果。在這樣一反一正的不均勻照度情況下，畫面被凸顯的更加瓦翹不平。

2、“左右兩側(cè)垂直布光法”實(shí)驗(yàn)

改變傳統(tǒng)光源形式、布光角度及投射角度，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在對傳統(tǒng)光源、布光方法、光線投射角度等進(jìn)行改進(jìn)后，采用不含紫外線與紅外線的、且光線分布較均勻的冷光led燈管為照明光源。采用兩條2米長，功率為4.5w/m的無極亮度調(diào)節(jié)led燈帶“左右兩側(cè)垂直布光法”，在距離懸掛畫面的墻面60cm，左右各距畫幅邊際40cm處對畫幅進(jìn)行照明（圖6、圖7A）。將布光方法改為“左右兩側(cè)垂直布光法”，出光方式也由傳統(tǒng)的“點(diǎn)”光源變成燈管的“面”光源，照射面積加大，正面垂直投射沒有角度產(chǎn)生，因此不會(huì)產(chǎn)生陰影。畫面自上而下取得測試點(diǎn)經(jīng)過照度測量儀測試，得到表3的結(jié)果，其中照度最高值為49lx，最低值為46lx，算出平均值為47.5lx。從數(shù)據(jù)分析可以看出，各處照度值已非常接近均勻度值，且達(dá)到照明規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)了文物。因照度均勻度標(biāo)準(zhǔn)，故畫面顏色統(tǒng)一，凹凸感不明顯，視覺平整度得到了大幅度提升，呈現(xiàn)非常好的視覺展示效果。因led光管固定在展柜玻璃上，光管側(cè)方會(huì)漏光，可以利用遮光/反光槽來解決。

表3“左右兩側(cè)垂直布光法”照度測試值

圖6 左右兩側(cè)垂直布光法

圖7A 左右兩側(cè)垂直布光法

7B上下結(jié)合布光法

3、“上下布光法+多曲度弧面反光鏡補(bǔ)償法”實(shí)驗(yàn)

將距畫幅上、下邊緣60cm處各安裝一盞功率16W，長度1.2m的無極調(diào)光led光管。依據(jù)光線投射原理，上下光源可以相互補(bǔ)償，畫面視覺效果也比較平整（圖7B）。但從光學(xué)角度講，led光管直射到畫面后，光線會(huì)隨著距離光源的距離而衰減?！吧舷虏脊夥ā辈脊?，當(dāng)上、下光源投射到中間的時(shí)候，中間部位的光線會(huì)變?nèi)酰褂谜斩扔?jì)測量的結(jié)果也印證了該想法。為了使畫面光照更均勻，利用TracePro光學(xué)仿真軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，并用SolidWorks三維仿真設(shè)計(jì)制圖軟件得到了多曲度弧面反光鏡模型（圖8）。使用該數(shù)據(jù)模型加工的多曲度弧面反光鏡對畫面中間部分的光線進(jìn)行精確補(bǔ)償，最后測試各部光照度與圖6相似，達(dá)到理想展示效果。

三、結(jié)果與討論

通過實(shí)驗(yàn)，我們可以看出傳統(tǒng)的照明光源為筒燈，出光面積小，且采用的是“上方布光法”，屬局部布光方式，故打出的光線投射到畫面上，會(huì)出現(xiàn)光照度嚴(yán)重不均勻現(xiàn)象，使畫面的凹凸感凸顯，因光線不均勻的問題會(huì)造成畫面顏色的深淺不一，使書畫文物的陳列效果不是很理想，不能將前人的藝術(shù)造詣準(zhǔn)確而完美的傳達(dá)，嚴(yán)重影響觀眾的參觀體驗(yàn)。若使用日光燈，光線中又含有紫外線，對文物的安全也會(huì)造成影響。出現(xiàn)照度不均勻的原因是多方面的，與光源、布光方法、光線投射角度等都有關(guān)系。

“左右兩側(cè)垂直布光法”因led光管是固定在展柜玻璃上的，因此需要設(shè)計(jì)師在形式設(shè)計(jì)時(shí)將展柜外做相應(yīng)的伸延設(shè)計(jì)將光管遮擋起來。

圖8 TracePro光學(xué)仿真軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)建模

除采用“左右兩側(cè)垂直布光法”，實(shí)驗(yàn)中還采用“上下布光法+多曲度弧面反光鏡補(bǔ)償法”布光，這種方式布光的原理是上、下光源可以相互補(bǔ)償，不會(huì)產(chǎn)生明顯的陰影。但上、下布光，由于光的傳輸距離會(huì)隨著距離光源的距離而逐漸衰弱。為解決這個(gè)問題，利用數(shù)據(jù)建模設(shè)計(jì)的“多曲度弧面反光鏡”對距離遠(yuǎn)的光線進(jìn)行精確補(bǔ)償，從而會(huì)使整幅畫面的光照度分布更加均勻。

四、結(jié)論

從研究結(jié)果出發(fā)可初步得出以下結(jié)論：

從光源選擇的角度講，采用綠色環(huán)保的“l(fā)ed光管或燈帶”作為書畫文物的陳列光源更為合適。光管或燈帶為“面光源”，較之傳統(tǒng)筒燈的“點(diǎn)光源”，光線分布面積更大，光照度更加均勻。且led的顯色性能好，更適宜為顏色豐富的書畫陳列照明。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，利用led燈帶的“左右兩側(cè)垂直布光法”，不會(huì)產(chǎn)生陰影，而且能使畫面光照度更均勻，更能反映書畫文物的真實(shí)面貌，是書畫文物展示效果較理想的一種科學(xué)布光方法，提升了博物館書畫文物的展示效果。只是設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要注意布燈處的形式再設(shè)計(jì)。

另一種科學(xué)的布光方式是利用“上下布光法+多曲度弧面反光鏡補(bǔ)償法”，畫面光照度均勻、顏色統(tǒng)一、無陰影，符合燈光設(shè)計(jì)要求。該布光方法中的燈管可以利用展柜隱藏起來，相對“左右兩側(cè)垂直布光法”而言，不用進(jìn)行形式的再設(shè)計(jì)，但需利用多曲度弧面反光鏡對光線進(jìn)行精準(zhǔn)補(bǔ)償。

注釋：

1 GB/T23863-2009，《博物館照明設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

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