引用本文
赵楷卿, 党睿. 基于光谱分析的彩绘文物照明光源损伤度评价方法[J]. 光谱学与光谱分析, 2021,41(6): 1886-1890.
ZHAO Kai-qing, DANG Rui. Evaluation Method for Damage Degree of Light Sources Used to Lighting Colorful Cultural Relics Based on Spectrum Analysis[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2021,41(6): 1886-1890.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2021)06-1886-05  
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基于光谱分析的彩绘文物照明光源损伤度评价方法
赵楷卿, 党睿*
天津大学建筑学院, 天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室, 天津 300072
*通讯作者 e-mail: dr_tju@163.com

作者简介: 赵楷卿, 1982年生, 天津大学建筑学院博士研究生 e-mail: zhaokaiqing2008@126.com

收稿日期: 2020-05-31 修回日期: 2020-10-06
基金: 国家自然科学基金项目(52078311); 天津市杰出青年科学基金项目(20JCJQJC00200); 天津大学北洋青年学者项目(1801)资助
摘要

光源中的光谱辐射是造成彩绘文物褪色、 变色等颜色受损的重要原因, 但不同光源的光谱功率分布不同, 不同材料对各个波段光谱能量的吸收反射特性各异, 导致在相同曝光量下对彩绘文物造成的色彩损伤程度有很大差别, 特别是随着光谱构成灵活的LED(light emitting diode)在文物照明中的大量应用, 如何对光源进行照明损伤度评价是目前亟待解决的关键问题。 本研究在恒温恒湿条件下, 以10种不同波段窄带光谱作为实验光源、 以17种典型彩绘文物颜料作为实验样本开展累积1 440 h的照射实验, 以240 h为周期测量样本的CIE L*a*b*色彩参数并转换为色差指标。 绘制在10种窄带光谱照射下17种颜料的色差随曝光量变化曲线, 基于曲线分析明确不同波段光谱对各类颜料的色彩损伤响应规律, 并拟合得到颜料对光谱的响应函数, 建立彩绘文物照明光源的光谱损伤度评价公式。 研究结果表明: 首先, 无论在何种波段的光谱照射下, 颜料平均色差随着曝光量的增加而增加, 但增加幅度越来越小; 其次, 在相同曝光量下, 波长越短的光源对颜料损伤越大, 不同峰值波长对颜料色彩的影响比例为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; 第三, 基于光谱构成差异的光源损伤度评价公式为D=∫380780S(λ)<0.468exp{-[(λ-462.9)/17.75]2}+0.6279exp{-[(λ-535.1)/12.13]2}+0.8135exp{-[(λ-527.7)/463]2}>dλ,当使用光谱仪测得任意光源的相对光谱功率分布函数 S( λ)后, 将所测数据代入公式便可计算出待测光源的色彩损伤值 D, 成果可为彩绘文物照明中的光源选择和准入判定提供依据。

关键词: 文物照明; 可见光谱; 无机颜料; 色差; 光谱损伤度
中图分类号:O433.4 文献标志码:A
Evaluation Method for Damage Degree of Light Sources Used to Lighting Colorful Cultural Relics Based on Spectrum Analysis
ZHAO Kai-qing, DANG Rui*
Tianjin University School of Architecture, Tianjin Key Laboratory of Architectural Physics and Environmental Technology, Tianjin 300072, China
*Corresponding author
Abstract

The spectral radiation in the light source is an essential cause of color damage, such as fading and discoloration of painted cultural relics. However, the spectral power distribution of different light sources is different, and the absorption and reflection characteristics of different materials to the radiation energy of each waveband are different, which leads to a great difference in the degree of damage caused to colorful cultural relics under the same exposure. Especially with the extensive application of LED with flexible spectral composition in cultural relic lighting, how to evaluate the lighting damage degree of the light source is the critical problem that needs to be solved. In this study, a 1440 hours experiment was used to irradiate 17 kinds of typical pigments of polychrome cultural relics with 10 kinds of narrow band spectrum under the constant temperature and humidity. By measuring the CIE L*a*b*and calculating the color difference of pigments under different light sources every 240 hours, the curve of color difference changing with exposure was drawn. Based on the curve analysis, the change law and color damage response function of pigments to different wavebands is obtained, and the formula to evaluate the damage degree of lighting source on polychrome cultural relics is established. The results show that: firstly, no matter under any kind of narrow band spectrum, the average color difference of pigments increases with the increase of exposure, but the increased range is smaller and smaller; Secondly, under the same exposure, the shorter the wavelength, the greater the damage to the pigments. The influence ratio of different peak wavelengths to the pigments is 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; thirdly, the formula for damage evaluation of the light source based on the difference of spectrumis,D=∫380780S(λ)<0.468exp{-[(λ-462.9)/17.75]2}+0.6279exp{-[(λ-535.1)/12.13]2}+0.8135exp{-[(λ-527.7)/463]2}>dλ, When the relative spectral power distribution function S( λ) of any light source is measured by the spectrometer, the color damage value D of the light source to be measured can be calculated by substituting the measured data into the formula.

Keyword: Cultural relics lighting; Visible spectrum; Inorganic pigments; Color difference; Spectrum damage
引言

在绘画、 染色丝织品、 漆器、 壁画等彩绘类文物照明中, 被照材料吸收光源的光谱能量后发生光化学反应, 出现褪色、 变色、 发乌等不可逆的永久性色彩损伤, 严重影响文物的历史价值和艺术价值[1]。 光源作为文物照明保护的关键, 光谱中不能含有紫外线和红外线已成为共识, 而可见光也会对文物造成明显色彩损伤, 由于展示需要可见光又不可或缺, 因此可见光波段是目前该领域研究的重点[2]。 不同光源的光谱功率分布不同, 不同彩绘文物颜料对各个波段光谱能量的吸收反射特性各异, 导致在相同曝光量下由于不同光源的光谱构成差异所造成的辐射损伤程度有很大差别。 尤其是随着LED在文物照明中的广泛应用, 这类光源的光谱构成灵活, 不同原理、 不同型号的LED光谱差异巨大, 而且随着技术快速更新各类LED光源层出不穷。 因此, 如何对不同光源在彩绘文物照明中的光谱损伤度进行判定, 从而根据颜料特点选择最低损伤光源进行照明, 是目前待解决的关键问题[3]。

目前相关标准中主要通过色温对光源光谱进行限定, 即推荐使用低色温光源, 主要原因为低色温光源中的短波含量少、 能量低, 对展品造成的损伤更小[4]。 但以色温作为指标并不能对文物进行精确保护: 一方面被照颜料性质差别巨大, 对不同波段光谱的响应率有明显差异, 例如以蓝绿色为基调的彩绘文物主要反射短波光谱而吸收长波光谱, 如果使用低色温光源反而会造成更大的色彩损伤; 另一方面各类光源的光谱构成不同且同色异谱明显, 相同色温的低色温光源其光谱构成可能有很大差异, 对彩绘文物造成的影响也不同。

通过光照老化实验明确光源光谱对材料色彩的影响规律, 是目前国际上解决上述问题的通行方法。 大量研究均使用卤素灯、 荧光灯、 金卤灯、 LED等既有光源对不同材料进行长期照射实验, 基于颜色参数分析获得光谱对材料的颜色损伤关系[7, 8, 9, 10, 11], 但该方法所得到的结论只适用于实验光源本身, 并不能对任意光源的光谱损伤度进行评价。 近年来随着LED芯片技术的发展, 使用不同波段窄带LED光源进行照射实验的方法被采用[12]。 本研究基于可见光范围内10种不同波段窄带光谱照射17种典型彩绘文物颜料的实验方法, 测量被照样本随曝光量的色差变化, 得到各类颜料在不同波段光谱照射下的色差随曝光量变化规律, 提出颜料对不同波长光谱的响应函数, 建立彩绘文物照明光源的光谱损伤度评价公式, 为染色文物照明中的光源选择和判定提供依据。

1 实验部分
1.1 装置

采用LUXEON C Color Line单色LED芯片制备可见光谱范围内10种不同波段的窄带光源, 使用Photo Research PR 670分光辐射计测得的光源相对光谱功率分布见图1。 同时由于实验持续时间较长, 为避免由于光源光衰对实验结果造成的影响, 每个测试周期均进行光源的光通量测量, 一旦发现有衰减马上更换备用光源。

图1 窄带光谱的相对光谱功率分布图Fig.1 Relative spectral power distribution of narrow-band spectrum

1.2 样本

采用铅黄、 朱砂、 雄黄、 红珊瑚、 赭石、 赤赭石、 土黄、 雌黄、 石黄、 石青、 青金石、 石绿、 蛤粉、 曾青、 铜绿、 石墨、 白土等17种典型无机颜料作为实验样本, 包括了彩绘文物所有常用的无机颜料类型。 制备样品方法为: 首先, 将颜料与水以1: 10的比例均匀混合; 其次, 将配制好的颜料溶液均匀涂抹在方形孔内; 最后, 将制好的试件放置在平均温度为25 ℃、 湿度为50%± 5%的黑暗环境中干燥5个月, 以保证样本色彩参数的稳定。 上述样本共制作完全相同的10组, 分别用于10种不同波段的窄带光谱实验, 通过上述方法得到实验样本见图2。

图2 实验颜料样本Fig.2 Test sample of pigments

1.3 方法

实验在地下全暗光学实验室中进行, 以排除任何天然光的干扰。 设置具有温湿度自动调节功能的照明实验箱, 实验过程中温度始终保持在(23± 0.5) ℃, 相对湿度始终控制在50%, 换气率保证在0.5 d-1。 用隔板将实验箱划分为十个独立空间, 避免不同照射组之间的相互干扰。 将十种窄带光源分别集成于实验箱上部, 向下垂直照射样本, 并调节光源功率使每组样本的表面辐照度均为(10.000%± 3%) W· m-2, 同时为保证样本表面的辐照度均匀, 实验平台上安置自动旋转转盘, 转速0.5 r· min-1。 实验装置示意图见图3, 实验现场图见图4。

图3 实验装置图Fig.3 Schematic of the experimental device

图4 实验现场图Fig.4 Experimental site

对试件进行周期性循环照射, 每天照射16 h, 共计照射90 d, 累计1 440 h。 随着照射时间延长被照样本的曝光量随之累加, 每15 d(照射240 h)作为一个测量周期, 共进行7次测试(包括初始状态)。 每次测量将样本从实验箱中取出, 在经中国计量院校准过的CIE标准A光源下使用Topcon BM-5对样本进行CIE L* a* b* 色彩参数测量[13]。 为减小测量误差, 在每个样本上均进行三次检测并求取平均值; 为避免由于电压不稳对测试结果造成的干扰, 使用稳压器保证标准A光源输出功率的稳定性; 同时测试人员穿专用黑色实验服进行测量, 避免外界干扰对测量结果的影响。

2 结果与讨论
2.1 颜料的色彩衰变规律

根据实验测得的CIE L* a* b* 色彩参数, 计算17种颜料在10种窄带光谱照射下, 各个周期相对于初始状态 Eab0* 的色差值Δ Eab1* ~Δ Eab6* 计算公式见式(1)

ΔEab1* =(L1* -L0* )2+(a1* -a0* )2+(b1* -b0* )2)ΔEab2* =(L2* -L0* )2+(a2* -a0* )2+(b2* -b0* )2)…ΔEab6* =(L6* -L0* )2+(a6* -a0* )2+(b6* -b0* )2)(1)

为得到普适性规律, 计算在同一照射测量周期下, 不同波段窄带光谱对17种颜料的色差平均值 ΔEab1* ¯~ ΔEab6* ¯, 根据计算结果, 绘制17种颜料平均色差随照射时间周期性变化曲线, 见图5。

图5 10种窄带光谱照射下颜料平均色差随照射时间变化曲线Fig.5 Curve of averagecolor difference of pigments with time under 10 narrow-band spectrum

由图5可知, 在相同曝光量下不同波长的窄带光谱对颜料色彩有着不同程度的影响, 因此需要量化颜料对不同波长光谱的响应程度, 以评估由于光源光谱构成不同对颜料造成的损伤差别。

2.2 颜料对不同波长光谱的响应函数

对图5中的曲线进行回归拟合分析, 得出10种窄带光谱照射下颜料平均色差与照射时间的函数关系式, 见表1。

表1 10种窄带光谱照射下颜料平均色差随照射时间的变化函数 Table 1 Function of averagecolor difference of pigments with time under 10 narrow-band spectrum

目前博物馆对于彩绘文物的平均展出时间为156 d, 每天展出8 h, 合计1 248 h。 因此将t=1 248 h分别带入表1中的10项函数式, 得到在展出周期内10种窄带光谱对颜料影响的平均色差值Δ Eab447* ~Δ Eab733* , 见图6。 定义中心波长为447 nm的窄带光谱对颜料的平均色彩损伤值Δ Eab447* 为1.000, 其他窄带光谱引起的色差以此为基准进行折算, 得到各窄带光谱对颜料的相对损伤值, 见图6。

图6 10种不同峰值波长的窄带光谱对颜料的损伤值Fig.6 Damage value of 10 narrow-band spectrum on pigments

对图6进行函数拟合, 得到颜料色差均值对不同波长光谱的损伤响应函数, 其中拟合优度R2=0.97, 见式(2)

$\begin{aligned}P(\lambda)=& 0.468 \exp \left\{-[(\lambda-462.9) / 17.75]^{2}\right\}+0.6279 \exp \{-\\&\left.[(\lambda-535.1) / 12.13]^{2}\right\}+0.8135 \exp \{-[(\lambda-\\&\left.527.7) / 463]^{2}\right\}\end{aligned}$(2)

式(2)中, P(λ )为颜料对不同波长光谱的损伤响应度; λ 为入射光谱的波长。

2.3 彩绘文物照明光源的光谱损伤度评价公式

光源对物体的损伤程度由照射强度、 照射时间、 光源相对光谱功率分布、 被照材料对入射光谱的响应率四个条件决定[4], 因此文物照明损伤公式见式(3)

D=Et∫380780S(λ)P(λ)dλ(3)

其中, D为材料损伤程度; E为照射强度; t为照射时间; S(λ )为入射光的相对光谱功率分布函数; P(λ )为被照材料对入射光谱的响应率。 由于评价不同光源对文物的色彩损伤程度是在相同照射强度和照射时间条件下、 由于不同光谱构成形式所造成的差别, 光源对染色文物的色彩损伤度评价公式可定义为式(4)

D=∫380780S(λ)P(λ)dλ(4)

其中颜料对入射光谱的响应率P(λ )见式(2), 因此将式(2)代入式(4)后得到染色文物的光谱损伤度评价公式, 见式(5)

$\begin{aligned}D=& \int_{380}^{780} S(\lambda)\left\langle 0.468 \exp \left\{-[(\lambda-462.9) / 17.75]^{2}\right\}+0.627\right.\\& 9 \exp \left\{-[(\lambda-535.1) / 12.13]^{2}\right\}+0.8135 \exp \{-[(\lambda-\\&\left.527.7) / 463]^{2}\right\}> \mathrm{d} \lambda\end{aligned}$(5)

当使用光谱仪测得任意光源的相对光谱功率分布函数S(λ )后, 将所测S(λ )数据代入式(5), 便可计算得到谍测光源对文物的色彩损伤值。 为使评价结果更加直观, 将文物照明中最常用且相对光谱功率分布固定的卤素灯作为评价标尺, 并定义其S(λ )的损伤系数为1.000, 从而获得待测光源相对于卤素灯的相对损伤程度。

3 结论

(1)由图5可知, 无论在何种波段的光谱照射下, 颜料平均色差随着曝光量的增加而增加, 但增加幅度越来越小。

(2)由图6可知, 在相同曝光量下, 不同波长光谱对颜料色彩的影响程度有着显著差异, 基本规律为波长越短损伤越大, 这是由于短波具有更高的能量造成的。 不同峰值波长对颜料色彩的影响比例为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。

(3)染色文物照明光源的光谱损伤度评价公式为:$\begin{array}{l}\qquad D= \int_{380}^{780} S(\lambda)\left\langle 0.468 \exp \left\{-[(\lambda-462.9) / 17.75]^{2}\right\}+0.627\right. \\9 \exp \left\{-[(\lambda-535.1) / 12.13]^{2}\right\}+0.8135 \exp \{-[(\lambda- \\\left.527.7) / 463]^{2}\right\}> \mathrm{d} \lambda\end{array}$该公式可为彩绘文物照明中的光源选择和准入判定提供依据。

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