白光LED對中國傳統書畫色彩的影響

黨 睿，王立雄，劉 剛，雒 琛

(天津大學 建筑學院；天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072)

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白光LED對中國傳統書畫色彩的影響

黨 睿，王立雄，劉 剛，雒 琛

(天津大學 建筑學院；天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072)

為得到低色溫高顯色性白光LED光譜對中國傳統書畫色彩的量化影響規律，論證白光LED在書畫展陳照明中的實際適用性，基于滿足書畫照明標準的RYGB型白光LED光源照射書畫模型試件的實驗方法，周期性測量試件色彩參數，進而繪制色坐標和亮度值隨時間周期性變化曲線圖，通過分析色坐標在CIE 1931色度圖上的變化情況以及亮度衰變曲線，得到此類白光LED對書畫色相、飽和度、明度的量化影響規律，提出RYGB型白光LED在書畫展陳照明中的應用依據。

展陳照明；白光LED；傳統書畫；色彩；量化影響

光學輻射是造成展品受損的重要因素，因此人工光環境質量是衡量博物館水平的一項重要技術指標，而直接作用于展品的展陳照明更是重中之重[1]。由于不科學照明會對展品造成不可逆的永久性損傷，導致文物的歷史信息流失和遺產價值降低，因此必須避免或減小光學輻射損害[2]。

在對多座博物館進行調研后發現，中國絕大多數博物館都設有書畫展廳，中國傳統書法繪畫是最主要的展品類型之一，存量巨大[3]。而且作為中國傳統文化的精髓，千百年來出現了許多國寶級書畫珍品，具有極高的藝術價值和文物價值。但中國傳統書畫由于自身的基材和顏料特性，較其它類型文物更易受到光學輻射損害而發生褪色和變色。國外學者對該問題進行了較為深入的探索，但研究樣本均為油畫等西方繪畫類型[4-5]，其基材、顏料、制作工藝等都與中國傳統書畫存在很大差異，研究結論對我國書畫并不適用，而中國學者主要是對光照影響機理進行定性描述[6-7]，缺乏深入的定量化研究。

熒光燈、鹵鎢燈、金鹵燈3種傳統光源是目前在書畫照明中所采用的主要類型[8]，而WLED(White Light Emitting Diodes)的出現，為展陳照明提供了新的光源選擇。中國《博物館照明設計規范》(GB/T 23863—2009)(以下簡稱《標準》)中，對用于書畫類展品照明的光源參數要求為：Tc<3 300 K，同時Ra>90。但目前WLED的最主要制備方法是使用藍光LED芯片激發黃色熒光粉，由于該方法所獲得的WLED光譜中缺少紅綠部分，因此難以同時實現低色溫、高顯色性的技術指標[9]。另一種制備方法是通過將紅、綠、藍三色LED芯片按照一定比例混合得到[10]，這種WLED雖可達到較好的顯色水平，但它存在的發熱量高和藍光較多等問題正是書畫照明所不允許的。通過紫外LED芯片配合RGB熒光粉也可得到WLED[10]，但其光譜中過高的紫外含量將對書畫造成嚴重損傷。目前能夠滿足《標準》要求的WLED制備方法是，采用藍光LED芯片激發黃、紅、綠三色熒光粉，通過優化3種顏色熒光粉之間的比例，可得到低色溫高顯色性WLED[11]，這種新型光源的出現，為WLED在書畫展陳照明中的應用提供了基礎。因為這類WLED不僅節能環保、壽命長、易維護，同時還具有光譜中的紫外線和紅外線含量低、能夠根據需求調節SPD(Spectral Power Distribution)[12]、可見光波段中藍光光譜少等特點，使其在理論上非常適合用于書畫照明[13]。但由于WLED面世時間較短，而且光譜組成較傳統光源有很大差異，對書畫色彩的損傷情況尚不明晰，因此WLED的實際適用性缺乏科學依據。

為解決上述問題，設計了低色溫高顯色性WLED對中國傳統書畫模型的光照影響實驗[14]。首先按照傳統方法制作6種典型顏色的書畫試件，使之最大程度接近真實展品；其次測量WLED出射光譜，保證滿足實驗精度要求；進而周期性測量試件的色彩參數，并繪制變化曲線圖；最后通過數據分析得到WLED對書畫色相、飽和度、明度的量化影響規律。

1 技術路線

實驗技術路線見圖1。

圖1 研究技術路線Fig.1 Technical route

2 實驗方法

1)模型試件：由天津大學工筆重彩研究所按傳統技法和工藝，制作中國書畫模型試件。以宣紙和絲絹作為基材，在上面繪制中國書畫使用最為廣泛的黑(石墨)、白(鉛白)、青(石青)、茶(赭石)、黃(雌黃)、紅(朱砂)共6種顏料，并使用小麥淀粉制成的糨糊按照古典技法進行手工裝裱，使模型試件能夠最真實反映中國傳統書畫特點。

2)實驗光源：采用藍光LED芯片激發紅、黃、綠三色熒光粉的方法，獲得了能夠滿足《標準》的RYGB(紅黃綠藍)型WLED成品。這種光源的色溫Tc=2 700 K,顯色指數Ra=92，功率13.3 W，發光效率49.6 lm/W，同時測定紅、黃、綠、藍是其主要單色光譜成分，紅外和紫外光譜含量極少。

3)實驗方案：實驗在地下全暗光學實驗室中進行，同時溫度、濕度、空氣質量保持恒定。實驗采用循環照射，每天照射8 h，每6 d為一個測量周期，隨著照射時間延長，被照物總曝光量隨之累加，每個照射周期后進行測量。采用BM-5型亮度計在D65標準光源下測量試件的CIE 1931色坐標(x，y)及亮度值L，記錄所測數據并繪制統計表格，進而將色坐標數據繪制于CIE 1931(2°視場)色度圖上進行表示[15]，將亮度值擬合為變化曲線圖。

需要說明的是，實驗中試件表面的輻照度為1.75 mW/cm2，根據該WLED光源的SPD，折合照度為4603.48 lx，而《標準》中對于書畫類展品的表面照度要求為50 lx,因此實驗照度為標準照度的92倍，屬于加速老化實驗。由于不同種類顏料的物理化學特性存在差異，因此在加速老化實驗中的光照強度、照射時間、樣本衰變程度并不一定與正常照射時存在線性關系，也不能夠依據實驗數據對正常照射情況下，樣本未來的衰變數值進行準確預測。但目前國際上對于這類實驗的評價標準為：只要保證實驗方法和操作過程科學，加速實驗結果與正常條件下具有一致性，實驗數據能夠證明所設定條件對樣本的實際影響程度及影響規律[16]。

3 實驗數據

1)WLED光譜

按照書畫照明常用照射距離，在刻度式鐵架臺上將光源調節到距試件50 cm，同時由于測試目的是探求光照對展品的物理損傷情況，因此實驗采用輻照度(單位mW/cm2)而非照度(單位lm)作為限定指標，此時試件表面輻照度為1.75 mW/cm2。進而采用分光光度計(量程為300～1 100 nm)對WLED的光譜進行測量，測量結果見圖2。

圖2 WLED光譜分布圖Fig.2 Spectrum distribution of WLED

根據測試結果可知：首先，光譜能量主要分布于380 nm～780 nm的可見光區域，幾乎不含紅外和紫外光譜；其次，在可見光譜區域內藍光成分較少，由于藍光波長較短能量較強，是可見光譜中對展品損害最大的譜段，因此該光源有利于書畫照明保護；第三，在可見光譜區域內并不缺少紅綠部分，這對于還原書畫作品豐富的色彩、提高視看效果具有重要作用。所以，實驗所選用的WLED完全能夠滿足書畫展陳照明需求。

2)色彩參數

采用BM-5型亮度計在D65標準光源下測量六種顏色試件的CIE 1931色坐標(x，y)及亮度值L，連續測試5個周期，將測試結果記錄后整理成表格。為保證測試結果準確，每組數據均為3次測量后的平均值。色彩參數見表1。

表1 書畫試件色彩參數變化表

4 數據分析

為了進行WLED對書畫色彩的輻射影響分析，通過坐標點法將實驗所得(x,y)數據繪于CIE1931(2°視場)色度圖中形成色坐標變化曲線，圖中坐標點由1到5為5個周期的依次檢測結果，見圖3。將亮度值L擬合為隨時間周期變化曲線,見圖4。

圖3 色坐標在CIE1931(2°視場)色度圖中的變化曲線Fig.3 Curve of color coordinate in CIE1931(2°)

由圖3和圖4可知：

1)黑色(石墨)：色坐標僅發生微小變化，變化范圍一直在色度圖中心點附近，只稍向上方偏移，變色情況不明顯；亮度從第2周期開始提高，即有泛白跡象。由于黑色能夠吸收各個譜段的光子能量，在入射光譜相同的情況下，相比于其他顏色，光照對黑色的影響應該最為明顯，但實驗結果表明并非如此。主要原因在于構成黑色顏料的石墨材料特性，石墨主要成份是碳素,它是有機烴類化合物,經熱解后形成多面體碳微粒[6],其物理和化學性質及其穩定, 耐光、耐熱、耐酸堿,因此光照對黑色影響并不十分顯著。

圖4 亮度值隨時間周期性變化曲線Fig.4 Cyclic variation curve of brightness

2)白色(鉛白)：色坐標變化較為明顯，由第1周期的(0.339 0，0.340 9)變化到第5周期的(0.351 2,0.353 5),即沿中心白點逐漸向570 nm主波長方向遷移，說明顏色開始由白變黃，有發黃跡象；亮度從第2周期開始下降，發烏變暗。白色能夠反射各個波段的光譜，因此在入射光相同時白色獲得的能量最少，應該比其他顏色受光照影響更小，但實驗結果顯示其色坐標發生了較為明顯的變化。究其原因，仍與顏料性質有關，鉛白為堿式碳酸鉛[6],化學性質不穩定，易受光照影響而分解為氧化鉛，因此有較為明顯的變黃和發烏現象。

3)青色(石青)：色坐標總體上由(0.258 0，0.280 8)向中心白點方向振蕩移動，色相有略微改變且飽和度降低；亮度在整個照射周期內逐步提高，有發白褪色現象。根據混色原理，青色是由藍色和綠色混合而成，因此顏料呈現青色是由于其反射入射光中的藍、綠光譜而吸收其他波段的光譜。根據圖2可知，實驗所用的RYGB型WLED光譜中，波長較短的藍、綠光含量較低，而黃、紅等中、長波部分含量很高，所以青色在吸收大量輻射后，其變色程度本應比較明顯，但實驗證實它的顏色只發生了微小變化。經分析原因如下：變色現象是由于顏料中的分子獲得大于其活化能的能量后[17]，發生光化學反應而降解所導致的，而青色雖獲得了大量輻射，但主要為中、長波，這部分光譜由于光子振動頻率低、能量小，數量雖大但能量不強，因此青色在吸收大量的中、長波輻射后色彩衰變并不明顯。

4)茶色(赭石)：色坐標由第1周期的(0.441 3，0.347 0)變化到第三周期的(0.431 1，0.351 7)后，沿580 nm主波長向中心白點偏移，色相有小幅改變，飽和度降低；亮度由第1周期到第4周期逐步升高，第4到第5周期變化不大，有一定褪色現象。茶色主要反射波長在580～610 nm之間的光譜，實驗光源中位于該范圍的光譜含量較高，因此茶色所吸收的光譜總量要低于青色，但由于茶色吸收了含有很高能量的藍綠光譜，同時構成赭石顏料的三氧化二鐵與構成石青顏料的堿性銅碳酸鹽光化學性質類似[6]，因此茶色的變色幅度高于青色。

5)黃色(雌黃)：色坐標由第1周期的(0.423 9，0.421 9)變化到第5周期的(0.425 1，0.402 6)，基本沿色度圖邊界的同心圓向下偏移，即色相由黃到橙，而飽和度略降但改變不明顯；亮度由第1周期到第5周期逐步降低，說明有發烏變暗現象。實驗光源中的黃色光譜含量略低于茶色，且黃色與茶色均吸收了高能的藍綠光，同時構成雌黃的三硫化二砷化學性質與赭石類似[6]，因此黃色的變色程度高于茶色。

6)紅色(朱砂)：色坐標由第1周期的(0.429 9，0.330 8)變化到第5周期的(0.467 6，0.321 1)，變色趨勢與黃色較為類似，基本沿色度圖邊界的同心圓向下偏移，飽和度稍有提高而變化幅度不大；亮度由第1周期到第2周期降低后便開始逐步升高，但總體變化并不顯著，說明有微弱褪色現象。實驗光源中的紅色光譜含量很高，因此紅色顏料所吸收的光譜相比于茶色更少，加之二者都不反射高能的藍綠光，在構成朱砂的硫化汞光化學性質與赭石類似[6]的條件下，紅色的變色程度比茶色更低。

綜上所述，光照對6種顏料的色彩影響程度為：白色最明顯，然后依次是黃色、茶色、紅色、青色、黑色。

5 結論

光照影響顏料色彩衰變的主要因素有4個：光照強度、照射時間、顏料光化學穩定性、光源SPD。在RYGB型WLED照射中國傳統書畫實驗中，各組試件的光照強度和照射時間始終保持一致，因此顏料光化學穩定性和光源SPD兩個因素對色彩衰變的影響結論如下：

1)顏料光化學穩定性對色彩改變影響更大，這從6種顏色的變色程度實驗結果中能夠得到印證：白色雖吸收的光譜能量最少，可是其光化學穩定性最差，因此變色最為明顯；黑色雖吸收各個波段的光譜能量，然而石墨具有極其穩定的光化學特性，所以變色最不顯著。但顏料對光的敏感程度是其自身的固有屬性，是不可改變的。

2)從實驗結果分析可看出，高能量的短波輻射是造成顏料色彩改變的首要因素：青色雖受到的輻射總量高于茶色、黃色和紅色，但其所吸收的主要是中、長波光譜，能量不強，因此變色程度低于茶、黃、紅三色。而在其他條件相同時，顏料對于光譜的選擇性吸收特性決定了其各自的光照受損程度：茶、黃、紅3種顏料的光化學性質類似，且對光源短波輻射的吸收情況相同，但由于三者對光譜中、長波部分的吸收存在差異，導致變色程度略有差別。

3)實驗所使用的RYGB型WLED光譜中，不含有紫外和紅外成分，同時在可見光波長范圍內，藍、綠光等短波含量較低，中、長波含量雖高但其不是造成顏色衰變的主要因素。因此，實驗結果表明RYGB型WLED雖然對書畫試件有一定程度影響，但無論是從色相、飽和度還是亮度，參數變化幅度并不大，說明該類型WLED光源未來在書畫展陳照明中具有一定的應用前景。

6 研究展望

通過研究WLED對中國傳統書畫色彩影響，探索出了“試件照射實驗-關鍵參數測量-參數分析整理-衰變曲線擬合-實際問題量化-科學結論凝練”這一技術路線，該方法可在同類型研究中進行拓展應用。因此在后續研究中，將以鹵鎢燈、金鹵燈、熒光燈3種博物館展陳照明既有典型光源作為實驗光源，對書畫試件進行光照影響實驗。并將研究結果與WLED作橫向對比分析，以WLED的影響因子為1，計算得到鹵鎢燈、金鹵燈、熒光燈的相對損害系數，以明確目前4種展陳照明典型光源對中國傳統書畫的量化損傷情況。

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(編輯 胡 玲)

Influence of WLED on color of Chinese traditional calligraphy and painting

DangRui，WangLixiong，LiuGang，LuoChen

(School of Architecture；Tianjin Key Laboratory of Architectural Physics and Environmental Technology， Tianjin University, Tianjin 300072，P.R.China)

In order to quantify the WLED’s impact on color of Chinese traditional calligraphy and painting, and explore the practical applicability of using WLED as display lighting, an experiment was carried out on the RYGB type of WLED irradiated models of calligraphy and painting. And the color parameters was tested periodically to make curve charts of color coordinate and luminance over time. The impact of the WLED on hue, saturation, brightness was quantified based on the carve to provide evidence of application of WLED.

display lighting; WLED; calligraphy and painting; color; quantitative influence

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.01.011

2014-07-08

國家自然科學基金(51308384)；天津市自然科學基金(13JCQNJC07600)。

黨 睿(1981-)，男，主要從事建筑技術科學研究，(E-mail)dr_tju@163.com。 劉 剛(通信作者)，男，副教授，(E-mail)lglgmike@163.com。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China(No.51308384)；Tianjin Natural Science Foundation(No.13JCQNJC07600)；Peiyang Scholar Planof Tianjin University

TU 113.6

A

1674-4764(2015)01-0061-06

Received：2014-07-08

Author brief：Dang Rui(1981-)，main research intrest:building technology science,(E-mail)dr_tju@163.com. Liu Gang(1977-)，male,associate professor,(E-mail)lglgmike@163.com.