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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jià)值和藝術(shù)價(jià)值[1]。 光源作為文物照明保護(hù)的關(guān)鍵， 光譜中不能含有紫外線和紅外線已成為共識(shí)， 而可見光也會(huì)對(duì)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(diǎn)[2]。 不同光源的光譜功率分布不同， 不同彩繪文物顏料對(duì)各個(gè)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(hào)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(duì)不同光源在彩繪文物照明中的光譜損傷度進(jìn)行判定， 從而根據(jù)顏料特點(diǎn)選擇最低損傷光源進(jìn)行照明， 是目前待解決的關(guān)鍵問(wèn)題[3]。

目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中主要通過(guò)色溫對(duì)光源光譜進(jìn)行限定， 即推薦使用低色溫光源， 主要原因?yàn)榈蜕珳毓庠粗械亩滩ê可佟?能量低， 對(duì)展品造成的損傷更小[4]。 但以色溫作為指標(biāo)并不能對(duì)文物進(jìn)行精確保護(hù)： 一方面被照顏料性質(zhì)差別巨大， 對(duì)不同波段光譜的響應(yīng)率有明顯差異， 例如以藍(lán)綠色為基調(diào)的彩繪文物主要反射短波光譜而吸收長(zhǎng)波光譜， 如果使用低色溫光源反而會(huì)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(duì)彩繪文物造成的影響也不同。

通過(guò)光照老化實(shí)驗(yàn)明確光源光譜對(duì)材料色彩的影響規(guī)律， 是目前國(guó)際上解決上述問(wèn)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(duì)不同材料進(jìn)行長(zhǎng)期照射實(shí)驗(yàn)， 基于顏色參數(shù)分析獲得光譜對(duì)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(shí)驗(yàn)光源本身， 并不能對(duì)任意光源的光譜損傷度進(jìn)行評(píng)價(jià)。 近年來(lái)隨著LED芯片技術(shù)的發(fā)展， 使用不同波段窄帶LED光源進(jìn)行照射實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法， 測(cè)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(duì)不同波長(zhǎng)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(píng)價(jià)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(shí)驗(yàn)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(jì)測(cè)得的光源相對(duì)光譜功率分布見圖1。 同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)， 為避免由于光源光衰對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響， 每個(gè)測(cè)試周期均進(jìn)行光源的光通量測(cè)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(wú)機(jī)顏料作為實(shí)驗(yàn)樣本， 包括了彩繪文物所有常用的無(wú)機(jī)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(gè)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(shí)驗(yàn)， 通過(guò)上述方法得到實(shí)驗(yàn)樣本見圖2。

圖1 窄帶光譜的相對(duì)光譜功率分布圖

圖2 實(shí)驗(yàn)顏料樣本

1.3 方法

實(shí)驗(yàn)在地下全暗光學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行， 以排除任何天然光的干擾。 設(shè)置具有溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的照明實(shí)驗(yàn)箱， 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度始終保持在(23±0.5) ℃， 相對(duì)濕度始終控制在50%， 換氣率保證在0.5 d-1。 用隔板將實(shí)驗(yàn)箱劃分為十個(gè)獨(dú)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(shí)驗(yàn)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(shí)為保證樣本表面的輻照度均勻， 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上安置自動(dòng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤， 轉(zhuǎn)速0.5 r·min-1。 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖3， 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖見圖4。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

對(duì)試件進(jìn)行周期性循環(huán)照射， 每天照射16 h， 共計(jì)照射90 d， 累計(jì)1 440 h。 隨著照射時(shí)間延長(zhǎng)被照樣本的曝光量隨之累加， 每15 d(照射240 h)作為一個(gè)測(cè)量周期， 共進(jìn)行7次測(cè)試(包括初始狀態(tài))。 每次測(cè)量將樣本從實(shí)驗(yàn)箱中取出， 在經(jīng)中國(guó)計(jì)量院校準(zhǔn)過(guò)的CIE標(biāo)準(zhǔn)A光源下使用Topcon BM-5對(duì)樣本進(jìn)行CIE L*a*b*色彩參數(shù)測(cè)量[13]。 為減小測(cè)量誤差， 在每個(gè)樣本上均進(jìn)行三次檢測(cè)并求取平均值； 為避免由于電壓不穩(wěn)對(duì)測(cè)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(shí)測(cè)試人員穿專用黑色實(shí)驗(yàn)服進(jìn)行測(cè)量， 避免外界干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

圖4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間變化曲線

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

2.2 顏料對(duì)不同波長(zhǎng)光譜的響應(yīng)函數(shù)

對(duì)圖5中的曲線進(jìn)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(shí)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(shí)間的變化函數(shù)

圖6 10種不同峰值波長(zhǎng)的窄帶光譜對(duì)顏料的損傷值

對(duì)圖6進(jìn)行函數(shù)擬合， 得到顏料色差均值對(duì)不同波長(zhǎng)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(duì)不同波長(zhǎng)光譜的損傷響應(yīng)度；λ為入射光譜的波長(zhǎng)。

2.3 彩繪文物照明光源的光譜損傷度評(píng)價(jià)公式

光源對(duì)物體的損傷程度由照射強(qiáng)度、 照射時(shí)間、 光源相對(duì)光譜功率分布、 被照材料對(duì)入射光譜的響應(yīng)率四個(gè)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(qiáng)度；t為照射時(shí)間；S(λ)為入射光的相對(duì)光譜功率分布函數(shù)；P(λ)為被照材料對(duì)入射光譜的響應(yīng)率。 由于評(píng)價(jià)不同光源對(duì)文物的色彩損傷程度是在相同照射強(qiáng)度和照射時(shí)間條件下、 由于不同光譜構(gòu)成形式所造成的差別， 光源對(duì)染色文物的色彩損傷度評(píng)價(jià)公式可定義為式(4)

(4)

其中顏料對(duì)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(píng)價(jià)公式， 見式(5)

(5)

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

3 結(jié) 論

(1)由圖5可知， 無(wú)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(lái)越小。

(2)由圖6可知， 在相同曝光量下， 不同波長(zhǎng)光譜對(duì)顏料色彩的影響程度有著顯著差異， 基本規(guī)律為波長(zhǎng)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(zhǎng)對(duì)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。