不同光譜LED光源輻照對(duì)染色絲綢文物的表面色差變化影響研究

羅 云，周 偉，張 軍，李毅東，劉顯明

（1.重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院；光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.中國(guó)四聯(lián)儀器儀表集團(tuán)有限公司，重慶 400700）

1 研究背景

光照是導(dǎo)致光敏文物老化的主要環(huán)境因素之一[1]。光源光譜中的紫外光、紅外光對(duì)其影響尤甚。LED照明光源光譜不含紫外光和紅外光成分且光譜可調(diào)，是目前博物館照明光源的最佳產(chǎn)品[2-5]。但對(duì)于一些光敏文物，長(zhǎng)期可見(jiàn)光輻照同樣會(huì)對(duì)其產(chǎn)生不可逆的影響。

染色絲綢作為中國(guó)古代出口的主要商貿(mào)物品之一，對(duì)中國(guó)文化在歐洲乃至世界的傳播有著舉足輕重的作用。同時(shí)古代染色絲綢文物原料為有機(jī)蠶絲纖維，更容易受到光照的影響而產(chǎn)生老化，大大降低其觀賞、研究?jī)r(jià)值。因此，研究光照對(duì)絲綢老化的影響，在改善絲綢博物館照明環(huán)境方面具有重要的指導(dǎo)意義。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)光照與文物老化的關(guān)系做了許多相關(guān)的研究，多集中在LED光源與傳統(tǒng)照明光源對(duì)絲綢的光照老化對(duì)比研究[6-11]，以及紫外光對(duì)染色絲綢的光照影響[6,12-13]。而可見(jiàn)光波段中不同的光譜成分對(duì)絲綢的影響作用是不同的，通常認(rèn)為老化作用隨光波頻率的增加而增加，但影響的量化關(guān)系并不明確。針對(duì)此問(wèn)題，文章利用不同光譜的LED光源搭建模擬博物館展陳照明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)有機(jī)染料染色絲綢進(jìn)行連續(xù)高強(qiáng)度的光照實(shí)驗(yàn)，定期測(cè)量絲綢樣品表面色度學(xué)信息，通過(guò)研究絲綢顏色的變化規(guī)律分析不同可見(jiàn)光光譜成分對(duì)染色絲綢的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)光源及樣品

實(shí)驗(yàn)采用紅、綠、藍(lán)3種單色LED光源以及3 000 K、6 000 K 2種復(fù)合光光源，從不同的單色光研究不同的光譜成分對(duì)文物的影響，利用具有不同成分含量的復(fù)合光驗(yàn)證單色光是否在復(fù)合光中具有相同的作用。光源光譜如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)樣品經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的染色工藝?yán)弥参锶玖蠈?duì)桑蠶絲進(jìn)行染色[6]。主要的染色原料有黃檗（亮黃色）、茜草（紅棕色）、梔子（金黃色）、槐米（黃色）、紫草（紫色）、蘇木（粉紅）、靛藍(lán)（藍(lán)色）。制成的成品如圖2所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)利用金屬架將光源吊起向下照射，樣品放置于玻璃制作的樣品室中，可以防止環(huán)境中的灰塵以及其他物質(zhì)的影響。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保證環(huán)境的溫度不變，從而防止溫度對(duì)樣品的影響。利用溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫度。樣品與光源之間的距離約為15 cm（實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3），實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)樣品受照面的參數(shù)如表 1所示。實(shí)驗(yàn)參數(shù)不同則其光源光譜差別較大，導(dǎo)致在相同距離時(shí)，受照面實(shí)驗(yàn)參數(shù)不同。目前文物老化的研究多基于曝光量積累，即倒易定律：光源相同時(shí)，不同的實(shí)驗(yàn)照度以不同的連續(xù)照射時(shí)間達(dá)到同樣的曝光量后，對(duì)文物產(chǎn)生的損傷一致[6]。文章亦基于此定律分析不同光譜LED光源對(duì)染色絲綢的光輻照損傷作用。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖 4為各光源光照之后樣品的色差變化曲線，從圖4中可以看出，單色光中經(jīng)藍(lán)光光照之后各樣品的色差變化最大，綠光次之，紅光的影響最小。6 000 K白光光照之后絲綢褪色大于3 000 K，且6 000 K白光此時(shí)的曝光量更小。各樣品的色差變化主要有3個(gè)梯度：黃檗、槐米的色差變化最大，且實(shí)驗(yàn)最初已經(jīng)產(chǎn)生了較為明顯的色差變化，實(shí)驗(yàn)后期逐漸趨于平穩(wěn)，紫草、蘇木、梔子色差變化其次，靛藍(lán)和茜草的色差變化最小。實(shí)驗(yàn)中，不同光源累積的曝光量差別較大，從大到小依次為綠光、紅光、3 000 K白光、6 000 K白光、藍(lán)光。這主要由于在輻射度學(xué)輻射照度向光度學(xué)光照度參數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，不同波長(zhǎng)的光波具有不同的光譜光效率函數(shù)值。

圖 1 實(shí)驗(yàn)光源光譜

圖 2 染色絲綢樣品

圖 3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

表 1 樣品受照面實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖 4 光照實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 實(shí)驗(yàn)分析

圖 5是各樣品經(jīng)過(guò)不同光源光照之后的色差變化匯總曲線。從圖5中可以看出，單色光中所有樣品經(jīng)過(guò)藍(lán)光光照之后的色差變化均為最大，且色差上升遠(yuǎn)高于其他樣品；復(fù)合光中，6 000 K光照產(chǎn)生的色差均高于3 000 K。這主要由于藍(lán)光波長(zhǎng)更短，能量更強(qiáng)，更容易打斷有機(jī)材料的化學(xué)鍵。而藍(lán)光在照度轉(zhuǎn)換時(shí)，視覺(jué)函數(shù)值較低導(dǎo)致相同照度時(shí)，藍(lán)光輻射照度更大，其對(duì)文物的損傷被增大，從而出現(xiàn)藍(lán)光光照之后樣品的色差急劇增加。

為了定量分析各光源對(duì)樣品的影響，將各光源光照之后樣品最終色差變化匯總，求出樣品的平均色差，來(lái)對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖 5 不同樣品光照后色差曲線匯總

樣品最終色差結(jié)果以及平均色差匯總?cè)绫?2。從表2中可以看出，單色光中7種樣品經(jīng)藍(lán)光光照后產(chǎn)生的平均色差最大（約為21.8），其次為綠光（約為10.9），紅光最小（約為4.3）。2種白光光照后的平均色差相近，6 000 K和3 000 K白光分別約為10.6和10.1，但此時(shí)兩者的曝光量相差約3倍。因此，藍(lán)光以及藍(lán)光含量更多的6 000 K白光對(duì)絲綢的影響最大。有研究表明：光波長(zhǎng)低于486 nm即可打斷纖維素的C-C化學(xué)鍵從而導(dǎo)致這類有機(jī)材料的老化。藍(lán)光波長(zhǎng)較短能使染色絲綢產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致其褪色。靛藍(lán)的色差變化最小是由于對(duì)藍(lán)光的吸收率最小，光譜對(duì)其的影響被降低。

繪制樣品的平均色差柱狀圖（圖6）以更加直觀地分析各光源的影響。紅、綠、藍(lán)3種單色光的曝光量之比為：1:2.11:0.06，而樣品平均色差變化之比為：1:2.53:5.07。藍(lán)光的曝光量為紅光的3/50，為綠光的3/125，卻導(dǎo)致樣品產(chǎn)生高于紅光5倍，綠光2倍的色差變化。因此，當(dāng)光源中只存在可見(jiàn)光波段時(shí)，藍(lán)光對(duì)文物的影響不容忽視。未來(lái)在絲綢博物館照明場(chǎng)合中使用的光源，應(yīng)更加嚴(yán)格地限制藍(lán)光的含量，這樣可以有效減少LED光源對(duì)絲綢文物的損傷，使絲綢文物得到更加有效的保護(hù)與展覽。

表 2 樣品最終色差匯總

圖 6 各光源光照后樣品平均色差柱狀圖

3 結(jié)論

通過(guò)研究不同光譜LED光源對(duì)植物染料染色的桑蠶絲綢進(jìn)行連續(xù)高強(qiáng)度輻照后絲綢的顏色變化規(guī)律。得出以下結(jié)論：

1）單色光中，藍(lán)光對(duì)染色絲綢的老化作用最強(qiáng)，綠光次之，紅色最弱。復(fù)合光中，6 000 K白光對(duì)染色絲綢的影響強(qiáng)于3 000 K白光。藍(lán)光成分是可見(jiàn)光波段中對(duì)文物損傷最大的波段，且影響遠(yuǎn)高于其他的可見(jiàn)光波段。

2）黃檗、槐米這2種黃色系的染料，由于對(duì)藍(lán)光具有很高的吸收率，更易受光照的影響產(chǎn)生褪色。對(duì)這一類的絲綢文物需要更加嚴(yán)苛的光照環(huán)境以防止光照產(chǎn)生老化。

3）隨著LED光源在博物館照明中的應(yīng)用，紫外光和紅外光將不再是主要的損傷因素。未來(lái)博物館光照環(huán)境相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)對(duì)藍(lán)光進(jìn)行更加合理的限制，從而更加科學(xué)有效地對(duì)文物進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)更好地營(yíng)造博物館展覽環(huán)境。