構(gòu)成白光LED的單色光對中國淡彩繪畫色彩的影響

黨 睿， 劉 杰， 劉 剛， 原 野(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)

構(gòu)成白光LED的單色光對中國淡彩繪畫色彩的影響

黨 睿*， 劉 杰， 劉 剛， 原 野
(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)

為得到構(gòu)成白光LED光譜的主要單色光對中國傳統(tǒng)淡彩繪畫色彩的影響規(guī)律，確定不同波長單色光對繪畫色彩的量化損傷程度，進而根據(jù)研究結(jié)果得到最低損傷白光LED的光譜功率分布，以構(gòu)成白光LED光譜的4種主要單色光作為實驗光源，分組照射中國傳統(tǒng)淡彩繪畫模型試件。在每個照射周期后，對試件的色彩參數(shù)進行檢測，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)繪制主波長、興奮純度、亮度3個參數(shù)隨總曝光量積累的衰變曲線，基于曲線分析得到各種淡彩繪畫顏料在光照下的色彩衰變規(guī)律，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算得到4種單色光對繪畫色彩主波長的影響關(guān)系為482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=8 147∶9 067∶9 772∶9 121；對興奮純度的影響關(guān)系為482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=89 446∶85 250∶76 895∶69 229；對亮度的影響關(guān)系為482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=137∶238∶190∶177。

中國傳統(tǒng)繪畫； WLED； 光損傷； 光照保護

1 引 言

中國傳統(tǒng)繪畫是我國的重要文物類型之一，博物館中現(xiàn)有藏品64萬余件[1]，其中包括海量繪畫珍品，因此具有存量大且文物和藝術(shù)價值高的特點[2]。但由于中國傳統(tǒng)繪畫的自身屬性，博物館照明極易對畫面色彩造成不可逆的永久性損傷[3]。國際照明委員會等相關(guān)組織對博物館展品按照光化學(xué)性質(zhì)進行了劃分，中國傳統(tǒng)繪畫屬于最高敏感級[4-6]。

為了對繪畫類文物進行科學(xué)的光照保護，國外學(xué)者開展了較多定量化研究工作，但研究樣本均為西方繪畫類型，如油畫、水彩、水粉等，而中國傳統(tǒng)繪畫在基材、顏料和制作工藝等方面都與西方繪畫存在差異，因此研究結(jié)論并不適用[7-12]。我國學(xué)者對中國傳統(tǒng)繪畫的光照保護研究主要是定性描述照明對繪畫的影響，量化結(jié)論較為缺失，實際適用性不強[13-16]。

本課題組在對多座著名博物館進行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，鹵鎢燈、金鹵燈、熒光燈、白光LED(WLED)是目前在繪畫照明中所采用的主要光源類型[17-18]，并通過實驗方法得到4種光源對繪畫的相對影響系數(shù)為“鹵鎢燈∶金鹵燈∶熒光燈∶WLED=1.00∶0.96∶0.90∶0.87”，證明WLED的影響最小但效果不甚明顯[19]。在研究中還發(fā)現(xiàn)，能夠滿足中國傳統(tǒng)繪畫照明要求的低色溫(CCT≤3300K)、高顯色性(Ra≥90)的WLED均為RYGB型，紅、黃、綠、藍是構(gòu)成其光譜的主要單色光，同時WLED具有光譜構(gòu)成靈活、同色異譜明顯、易于根據(jù)需求調(diào)整光譜功率分布(SPD)的特性[20]。

因此，如果能夠確定4種單色光對繪畫色彩的量化損傷規(guī)律，得到適用于照射中國傳統(tǒng)繪畫的光譜配比，就可為研發(fā)基于最低損傷的WLED光源提供支持，對中國傳統(tǒng)繪畫的精確保護具有重要意義。

2 實 驗

2.1模型試件

中國傳統(tǒng)繪畫分為重彩和淡彩：前者使用由天然礦物材料研磨制成的無機顏料作畫，后者使用從植物根莖葉中提取的花青、藤黃、胭脂、松墨4種有機顏料作畫[21]。由于淡彩畫所使用的有機顏料較無機顏料更易受到光照影響，因此本文以使用有機顏料繪制的淡彩繪畫為研究對象。

實驗所用試件由天津大學(xué)工筆繪畫研究所制作：首先，選用花青、藤黃、胭脂、松墨4種典型有機顏料進行繪制，嚴(yán)格配比顏料濃度并均勻繪制，確保顏料在基材上各部分的濃度相同；其次，將繪制完成的青、黃、紅、黑4色樣本分別切割為4等份，然后重新組合成4組，每組包括4種顏色，見圖1。

圖1 實驗?zāi)Ｐ驮嚰?/p>

2.2實驗光源

為得到紅、黃、綠、藍4種單色光(中心波長分別為650，583，510，482nm)，實驗使用150W的全光譜鹵鎢燈(CCT=2700K，Ra=97)輔以紅外濾光片作為光源(SPD見圖2)，并配合由中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所制作的650，583，510，482nm窄帶濾光片，由此制作得到WLED光譜中的4種主要單色光(SPD見圖3)。

為保證各個實驗周期內(nèi)色彩參數(shù)測試的科學(xué)一致性，測試均選擇在D65標(biāo)準(zhǔn)光源(CIE No.51，CCT=(6500±200)K，Ra>96)照射條件下進行[4]。

圖2 鹵鎢燈光譜功率分布

Fig.2Spectral irradiance distribution of the tungsten halogen lamp

圖3482(a)，510(b)，583(c)，650nm(d)4種單色光的光譜功率分布。

Fig.3Spectral irradiance distribution of482nm(a),510nm (b),583nm(c), and650nm(d) monochromatic light.

2.3實驗方案

實驗在天津大學(xué)地下全暗光學(xué)實驗室中進行，按單色光種類分為4個照射組同時開展：首先，設(shè)置4臺具有相同環(huán)境參數(shù)控制指標(biāo)的照明實驗箱，按照標(biāo)準(zhǔn)對箱內(nèi)的溫度、濕度、空氣質(zhì)量進行調(diào)節(jié)，使其滿足標(biāo)準(zhǔn)要求并在實驗過程中保持恒定；其次，使用遮光簾將4臺實驗箱分隔于獨立空間中，保證各照射組之間互相不產(chǎn)生干擾；然后，將模型試件置于光源下方進行垂直照射，并通過調(diào)整光源照射時距離試件的高度使每組試件表面輻照度相等。由于實驗是為了比較不同光源對試件色彩的物理損害程度，因此選用輻照度作為照明數(shù)量的限制指標(biāo)，實驗過程中通過調(diào)節(jié)光源與試件之間的距離控制每組試件表面所受到的輻射能量相等，均為1W/m2。

實驗共進行20個周期，每個周期照射6d，每天12h。隨著總曝光量的累加，色彩參數(shù)隨之發(fā)生變化。以周期為單位測量試件的色彩參數(shù)：首先，在D65標(biāo)準(zhǔn)光源下，采用Topcon BM-5A型色彩亮度計對繪畫模型試件的CIEXYZ色坐標(biāo)(x，y)和亮度值L進行測量，對每個周期測量得到的數(shù)據(jù)進行整理，通過數(shù)學(xué)和色度學(xué)的方法將色坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為主波長、興奮純度、亮度參數(shù)；其次，繪制3個參數(shù)隨總曝光量的周期性變化曲線，通過各組曲線特性分析得到單色光照對不同色彩的量化影響規(guī)律；第三，根據(jù)實驗結(jié)果，計算單色光對繪畫色彩的影響指標(biāo)值，得到4種單色光對顏料色彩衰變的相對損傷量化關(guān)系。實驗方案見圖4。

圖4 實驗方案

3 結(jié)果與討論

3.1色彩參數(shù)變化曲線

3.1.1主波長

由于黑色(松墨)屬于無彩色而不存在主波長概念，因此僅研究青(花青)、黃(藤黃)、紅(胭脂)3種顏色在不同單色光照射下，主波長隨總曝光量的衰變情況，見圖5。

圖5花青(a)、藤黃(b)、胭脂(c)3種顏料在4種單色光照射下的主波長變化。

Fig.5Temporal periodic curves of the dominant wavelength corresponding to indigo(a), cambogia(b), and carmine(c), respectively.

由圖5可知，隨著總曝光量的持續(xù)增加，3種顏料在單色光照射下主波長均呈下降趨勢，即向短波方向偏移。由于主波長是用于表征顏色色相的參數(shù)，因此單色光對3種顏料均造成了變色影響，且變色幅度為胭脂>花青>藤黃。

3.1.2興奮純度

興奮純度是指樣品顏色接近同一主波長光譜色的程度，用以表征顏色的飽和度，在CIE色度圖上用“白光到樣品點的距離”與“樣品點到光譜色度點的距離”之百分比表示，該數(shù)值大小與顏色的飽和度呈正比。

圖6花青(a)、藤黃(b)、胭脂(c)3種顏料在4種單色光照射下的興奮純度變化。

Fig.6Temporal periodic curves of the excitation purity corresponding to indigo(a), cambogia(b), and carmine(c), respectively.

由于黑色(松墨)屬于無彩色而不存在興奮純度概念，因此僅研究青(花青)、紅(胭脂)、黃(藤黃)3種顏色在不同單色光照射下的興奮純度隨總曝光量的衰變情況，見圖6。

由圖6可知，隨著總曝光量的積累，花青的興奮純度變化不大，藤黃和胭脂均呈明顯下降趨勢，變化程度為胭脂>藤黃>花青，說明單色光輻射會降低淡彩繪畫的飽和度，造成褪色現(xiàn)象。

3.1.3亮度

黑色(松墨)、青(花青)、紅(胭脂)、黃(藤黃)4種顏色在不同單色光照射下，亮度隨總曝光量的衰變情況見圖7。

由圖7可知，隨著總曝光量的累加，4種顏料的亮度幾乎均呈線性變化。其中藤黃為線性降低，花青、胭脂、松墨為線性增加，說明光照會造成繪畫色彩的變淡或發(fā)烏。

圖7 花青(a)、藤黃(b)、胭脂(c)、松墨(d)4種顏料在4種單色光照射下的亮度變化。

Fig.7Temporal periodic curves of the lightness corresponding to indigo(a), cambogia(b), carmine(c), and pine-ink(d), respectively.

3.2單色光影響程度

根據(jù)實驗結(jié)果，計算4種顏料在單色光照射下，各個周期相對于初始狀態(tài)的主波長差、興奮純度差、亮度差，然后對20個照射周期的差值求取平均，進而計算不同單色光對4種顏料的影響總平均，作為不同單色光對典型繪畫有機顏料色彩的綜合損傷程度。公式如下：

(1)

(2)

(3)

計算結(jié)果見表1。

3.3繪畫色彩衰變規(guī)律

(1)青色(花青)：由圖5(a)可知，青色在整個實驗周期內(nèi)的主波長整體呈下降趨勢，波長變小，說明色相向藍色偏移，有變色現(xiàn)象。由圖6(a)可知，興奮純度值總體變化不大，說明青色的飽和度基本無變化。由圖7(a)可知，亮度在實驗周期內(nèi)呈平緩的線性增長，說明發(fā)生了褪色現(xiàn)象。

(2)黃色(藤黃)：由圖5(b)可知，黃色的主波長在1～10周期內(nèi)曲線較為平直，在10～20周期呈下降趨勢，說明當(dāng)曝光量積累到720Wh/m2時，色相向黃綠色方向偏移，發(fā)生變色。由圖6(b)可知，興奮純度從第4周期開始呈現(xiàn)下降趨勢，說明黃色的飽和度在曝光量達到288 Wh/m2時開始降低。由圖7(b)可知，亮度在整個實驗周期內(nèi)均為線性降低，說明黃色發(fā)生了明顯的發(fā)烏變暗現(xiàn)象。

表1 單色光對4種顏色的影響

(3)紅色(胭脂)：由圖5(c)可知，紅色的主波長從實驗開始至第10周期稍有上升，從第10周期至實驗結(jié)束明顯下降，說明當(dāng)曝光量積累到720 Wh/m2時，色相向橙色方向偏移。由圖6(c)可知，興奮純度在整個實驗周期內(nèi)均呈較為明顯的下降趨勢，說明光照會降低紅色的飽和度。由圖7(c)可知，亮度從實驗開始至結(jié)束一直線性增加，說明紅色有一定的褪色現(xiàn)象。

(4)黑色(松墨)：由圖7(d)可知，亮度在整個實驗周期內(nèi)連續(xù)增長，說明黑色有明顯的褪色現(xiàn)象。同時黑色的亮度變化幅度較其他3種顏色更大，原因在于當(dāng)入射光輻照度相同的情況下，黑色較之其他顏色吸收的光子能量最多，光化學(xué)反應(yīng)最顯著。

綜上所述，單色光照會對中國淡彩繪畫的顏色產(chǎn)生明顯影響，發(fā)生變色、褪色、發(fā)烏變暗等損傷現(xiàn)象。對于主波長，基本規(guī)律是光照會使顏料的色相向低波段方向偏移，同時720 Wh/m2的曝光量是一個重要的色相衰變節(jié)點；對于興奮純度，基本規(guī)律是光照會降低淡彩繪畫顏料的色彩飽和度；對于亮度，基本規(guī)律是受光照后淺色的亮度降低產(chǎn)生發(fā)烏變暗現(xiàn)象(如藤黃)，而深色的亮度增加發(fā)生褪色(如花青、胭脂、松墨)。

3.4 單色光對繪畫色彩損傷的比例關(guān)系

由表1可知，4種單色光對淡彩繪畫色彩的主波長影響關(guān)系為482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=8 147∶9 067∶9 772∶9 121；對興奮純度的影響關(guān)系為482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=89 446∶85 250∶76 895∶69 229；對亮度的影響關(guān)系為482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=137∶238∶190∶177。因此，在研發(fā)用于中國淡彩繪畫照明的最低色彩損傷WLED時，可參考上述結(jié)論進行光源的光譜構(gòu)成配比。

4 結(jié) 論

為了對繪畫類文物進行科學(xué)的光照保護，以構(gòu)成白光LED光譜的4種主要單色光作為實驗光源，分組照射中國傳統(tǒng)淡彩繪畫模型試件。在每個照射周期后，對試件的色彩參數(shù)進行檢測，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)繪制主波長、興奮純度、亮度3個參數(shù)隨總曝光量積累的衰變曲線，基于曲線分析得到各種淡彩繪畫顏料在光照下的色彩衰變規(guī)律。研究結(jié)果表明，4種單色光對繪畫色彩主波長影響關(guān)系為482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=8 147∶9 067∶9 772∶9 121；對興奮純度的影響關(guān)系為482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=89 446∶85 250∶76 895∶69 229；對亮度的影響關(guān)系為482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=137∶238∶190∶177。本文結(jié)果可為研發(fā)基于最低損傷的WLED光源提供支持，對中國傳統(tǒng)繪畫的精確保護具有重要意義。

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黨睿(1981-)，男，河北唐山人，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，2010年于天津大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事建筑技術(shù)科學(xué)的研究。

E-mail： dr_tju@163.com

WhiteLEDSpectrumforIlluminationofChineseTraditionalLightColorPainting

DANGRui*,LIUJie,LIUGang,YUANYe

(TianjinKeyLaboratoryofArchitecturalPhysicsandEnvironmentalTechnology,SchoolofArchitecture,TianjinUniversity，Tianjin300072,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:dr_tju@163.com

Optical radiation from any light source causes permanent damage to the color of high-responsivity Chinese traditional paintings. The white light emitting diode (WLED) is flexible, efficient, and can create similar color phenomena within different spectra, simplifying the adjustment of spectral irradiance distribution according to specific requirements. Establishing quantitative influence rules of WLED monochromatic light for protecting traditional paintings is the key. In this study, four typical monochromatic light sources (red, yellow, green, and blue) comprising the WLED spectrum were used to illuminate specimens of Chinese traditional light color paintings, then the CIEXYZwere measured periodically. Each specimen was manufactured with four organic pigments. The dominant wavelength, excitation purity, and lightness were calculated based on the data. Firstly, the curves showing the chromaticity change of different pigments under different light sources were analyzed to determine the color change rules. Secondly, the color change values were calculated to determine the influence of light sources on the painting. The quantitative influencing relationship on the dominant wavelength of painting color is482nm∶510nm∶583nm∶650nm=8147∶9067∶9772∶9121. The quantitative influencing relationship on the excitation purity of painting color is482nm∶510nm∶583nm∶650nm=89446∶85250∶76895∶69229. The quantitative influencing relationship on the lightness of painting color is482nm∶510nm∶583nm∶650nm=137∶238∶190∶177. These results provide a reference for the spectral irradiance distribution of minimum-damage WLED for different light color paintings.

Chinese traditional painting; white light emitting diodes(WLED); light damage; illumination protection

2017-04-11；

2017-06-07

“十三五”國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFB0601700)； 國家自然科學(xué)基金(51408404); 天津市自然科學(xué)基金(17JCYBJC22400)資助項目

Supported by National Key Research and Development Program(2016YFB0601700)； National Natural Science Foundation of China(51408404); Tianjin Natural Science Fund(17JCYBJC22400)

1000-7032(2017)11-1545-08

O432

A

10.3788/fgxb20173811.1545