基于光譜分析的彩繪文物照明光源損傷度評價方法

趙楷卿， 黨 睿

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)重點實驗室， 天津 300072

引 言

在繪畫、 染色絲織品、 漆器、 壁畫等彩繪類文物照明中， 被照材料吸收光源的光譜能量后發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)， 出現(xiàn)褪色、 變色、 發(fā)烏等不可逆的永久性色彩損傷， 嚴(yán)重影響文物的歷史價值和藝術(shù)價值[1]。 光源作為文物照明保護的關(guān)鍵， 光譜中不能含有紫外線和紅外線已成為共識， 而可見光也會對文物造成明顯色彩損傷， 由于展示需要可見光又不可或缺， 因此可見光波段是目前該領(lǐng)域研究的重點[2]。 不同光源的光譜功率分布不同， 不同彩繪文物顏料對各個波段光譜能量的吸收反射特性各異， 導(dǎo)致在相同曝光量下由于不同光源的光譜構(gòu)成差異所造成的輻射損傷程度有很大差別。 尤其是隨著LED在文物照明中的廣泛應(yīng)用， 這類光源的光譜構(gòu)成靈活， 不同原理、 不同型號的LED光譜差異巨大， 而且隨著技術(shù)快速更新各類LED光源層出不窮。 因此， 如何對不同光源在彩繪文物照明中的光譜損傷度進行判定， 從而根據(jù)顏料特點選擇最低損傷光源進行照明， 是目前待解決的關(guān)鍵問題[3]。

目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中主要通過色溫對光源光譜進行限定， 即推薦使用低色溫光源， 主要原因為低色溫光源中的短波含量少、 能量低， 對展品造成的損傷更小[4]。 但以色溫作為指標(biāo)并不能對文物進行精確保護： 一方面被照顏料性質(zhì)差別巨大， 對不同波段光譜的響應(yīng)率有明顯差異， 例如以藍綠色為基調(diào)的彩繪文物主要反射短波光譜而吸收長波光譜， 如果使用低色溫光源反而會造成更大的色彩損傷； 另一方面各類光源的光譜構(gòu)成不同且同色異譜明顯， 相同色溫的低色溫光源其光譜構(gòu)成可能有很大差異， 對彩繪文物造成的影響也不同。

通過光照老化實驗明確光源光譜對材料色彩的影響規(guī)律， 是目前國際上解決上述問題的通行方法。 大量研究均使用鹵素?zé)簟?熒光燈、 金鹵燈、 LED等既有光源對不同材料進行長期照射實驗， 基于顏色參數(shù)分析獲得光譜對材料的顏色損傷關(guān)系[7-11]， 但該方法所得到的結(jié)論只適用于實驗光源本身， 并不能對任意光源的光譜損傷度進行評價。 近年來隨著LED芯片技術(shù)的發(fā)展， 使用不同波段窄帶LED光源進行照射實驗的方法被采用[12]。 本研究基于可見光范圍內(nèi)10種不同波段窄帶光譜照射17種典型彩繪文物顏料的實驗方法， 測量被照樣本隨曝光量的色差變化， 得到各類顏料在不同波段光譜照射下的色差隨曝光量變化規(guī)律， 提出顏料對不同波長光譜的響應(yīng)函數(shù)， 建立彩繪文物照明光源的光譜損傷度評價公式， 為染色文物照明中的光源選擇和判定提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 裝置

采用LUXEON C Color Line單色LED芯片制備可見光譜范圍內(nèi)10種不同波段的窄帶光源， 使用Photo Research PR 670分光輻射計測得的光源相對光譜功率分布見圖1。 同時由于實驗持續(xù)時間較長， 為避免由于光源光衰對實驗結(jié)果造成的影響， 每個測試周期均進行光源的光通量測量， 一旦發(fā)現(xiàn)有衰減馬上更換備用光源。

1.2 樣本

采用鉛黃、 朱砂、 雄黃、 紅珊瑚、 赭石、 赤赭石、 土黃、 雌黃、 石黃、 石青、 青金石、 石綠、 蛤粉、 曾青、 銅綠、 石墨、 白土等17種典型無機顏料作為實驗樣本， 包括了彩繪文物所有常用的無機顏料類型。 制備樣品方法為： 首先， 將顏料與水以1: 10的比例均勻混合； 其次， 將配制好的顏料溶液均勻涂抹在方形孔內(nèi)； 最后， 將制好的試件放置在平均溫度為25 ℃、 濕度為50%±5%的黑暗環(huán)境中干燥5個月， 以保證樣本色彩參數(shù)的穩(wěn)定。 上述樣本共制作完全相同的10組， 分別用于10種不同波段的窄帶光譜實驗， 通過上述方法得到實驗樣本見圖2。

圖1 窄帶光譜的相對光譜功率分布圖

圖2 實驗顏料樣本

1.3 方法

實驗在地下全暗光學(xué)實驗室中進行， 以排除任何天然光的干擾。 設(shè)置具有溫濕度自動調(diào)節(jié)功能的照明實驗箱， 實驗過程中溫度始終保持在(23±0.5) ℃， 相對濕度始終控制在50%， 換氣率保證在0.5 d-1。 用隔板將實驗箱劃分為十個獨立空間， 避免不同照射組之間的相互干擾。 將十種窄帶光源分別集成于實驗箱上部， 向下垂直照射樣本， 并調(diào)節(jié)光源功率使每組樣本的表面輻照度均為(10.000%±3%) W·m-2, 同時為保證樣本表面的輻照度均勻， 實驗平臺上安置自動旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤， 轉(zhuǎn)速0.5 r·min-1。 實驗裝置示意圖見圖3， 實驗現(xiàn)場圖見圖4。

圖3 實驗裝置圖

對試件進行周期性循環(huán)照射， 每天照射16 h， 共計照射90 d， 累計1 440 h。 隨著照射時間延長被照樣本的曝光量隨之累加， 每15 d(照射240 h)作為一個測量周期， 共進行7次測試(包括初始狀態(tài))。 每次測量將樣本從實驗箱中取出， 在經(jīng)中國計量院校準(zhǔn)過的CIE標(biāo)準(zhǔn)A光源下使用Topcon BM-5對樣本進行CIE L*a*b*色彩參數(shù)測量[13]。 為減小測量誤差， 在每個樣本上均進行三次檢測并求取平均值； 為避免由于電壓不穩(wěn)對測試結(jié)果造成的干擾， 使用穩(wěn)壓器保證標(biāo)準(zhǔn)A光源輸出功率的穩(wěn)定性； 同時測試人員穿專用黑色實驗服進行測量， 避免外界干擾對測量結(jié)果的影響。

圖4 實驗現(xiàn)場圖

2 結(jié)果與討論

2.1 顏料的色彩衰變規(guī)律

…

(1)

圖5 10種窄帶光譜照射下顏料平均色差隨照射時間變化曲線

由圖5可知， 在相同曝光量下不同波長的窄帶光譜對顏料色彩有著不同程度的影響， 因此需要量化顏料對不同波長光譜的響應(yīng)程度， 以評估由于光源光譜構(gòu)成不同對顏料造成的損傷差別。

2.2 顏料對不同波長光譜的響應(yīng)函數(shù)

對圖5中的曲線進行回歸擬合分析， 得出10種窄帶光譜照射下顏料平均色差與照射時間的函數(shù)關(guān)系式， 見表1。

表1 10種窄帶光譜照射下顏料平均色差隨照射時間的變化函數(shù)

圖6 10種不同峰值波長的窄帶光譜對顏料的損傷值

對圖6進行函數(shù)擬合， 得到顏料色差均值對不同波長光譜的損傷響應(yīng)函數(shù)， 其中擬合優(yōu)度R2=0.97， 見式(2)

P(λ)=0.468exp{-[(λ-462.9)/17.75]2}+0.627 9exp{-[(λ-535.1)/12.13]2}+0.813 5exp{-[(λ-527.7)/463]2}

(2)

式(2)中，P(λ)為顏料對不同波長光譜的損傷響應(yīng)度；λ為入射光譜的波長。

2.3 彩繪文物照明光源的光譜損傷度評價公式

光源對物體的損傷程度由照射強度、 照射時間、 光源相對光譜功率分布、 被照材料對入射光譜的響應(yīng)率四個條件決定[4]， 因此文物照明損傷公式見式(3)

(3)

其中，D為材料損傷程度；E為照射強度；t為照射時間；S(λ)為入射光的相對光譜功率分布函數(shù)；P(λ)為被照材料對入射光譜的響應(yīng)率。 由于評價不同光源對文物的色彩損傷程度是在相同照射強度和照射時間條件下、 由于不同光譜構(gòu)成形式所造成的差別， 光源對染色文物的色彩損傷度評價公式可定義為式(4)

(4)

其中顏料對入射光譜的響應(yīng)率P(λ)見式(2)， 因此將式(2)代入式(4)后得到染色文物的光譜損傷度評價公式， 見式(5)

(5)

當(dāng)使用光譜儀測得任意光源的相對光譜功率分布函數(shù)S(λ)后， 將所測S(λ)數(shù)據(jù)代入式(5)， 便可計算得到諜測光源對文物的色彩損傷值。 為使評價結(jié)果更加直觀， 將文物照明中最常用且相對光譜功率分布固定的鹵素?zé)糇鳛樵u價標(biāo)尺， 并定義其S(λ)的損傷系數(shù)為1.000， 從而獲得待測光源相對于鹵素?zé)舻南鄬p傷程度。

3 結(jié) 論

(1)由圖5可知， 無論在何種波段的光譜照射下， 顏料平均色差隨著曝光量的增加而增加， 但增加幅度越來越小。

(2)由圖6可知， 在相同曝光量下， 不同波長光譜對顏料色彩的影響程度有著顯著差異， 基本規(guī)律為波長越短損傷越大， 這是由于短波具有更高的能量造成的。 不同峰值波長對顏料色彩的影響比例為447 nm∶475 nm∶500 nm∶519 nm∶555 nm∶595 nm∶624 nm∶635 nm∶658 nm∶733 nm=1.000∶1.096∶0.816∶0.921∶0.853∶0.777∶0.814∶0.796∶0.706∶0.674。