构成白光LED的单色光对中国淡彩绘画色彩的影响

党 睿， 刘 杰， 刘 刚， 原 野(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)

构成白光LED的单色光对中国淡彩绘画色彩的影响

党 睿*， 刘 杰， 刘 刚， 原 野
(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)

为得到构成白光LED光谱的主要单色光对中国传统淡彩绘画色彩的影响规律，确定不同波长单色光对绘画色彩的量化损伤程度，进而根据研究结果得到最低损伤白光LED的光谱功率分布，以构成白光LED光谱的4种主要单色光作为实验光源，分组照射中国传统淡彩绘画模型试件。在每个照射周期后，对试件的色彩参数进行检测，根据检测数据绘制主波长、兴奋纯度、亮度3个参数随总曝光量积累的衰变曲线，基于曲线分析得到各种淡彩绘画颜料在光照下的色彩衰变规律，并根据实验数据计算得到4种单色光对绘画色彩主波长的影响关系为482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=8 147∶9 067∶9 772∶9 121；对兴奋纯度的影响关系为482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=89 446∶85 250∶76 895∶69 229；对亮度的影响关系为482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=137∶238∶190∶177。

中国传统绘画； WLED； 光损伤； 光照保护

1 引 言

中国传统绘画是我国的重要文物类型之一，博物馆中现有藏品64万余件[1]，其中包括海量绘画珍品，因此具有存量大且文物和艺术价值高的特点[2]。但由于中国传统绘画的自身属性，博物馆照明极易对画面色彩造成不可逆的永久性损伤[3]。国际照明委员会等相关组织对博物馆展品按照光化学性质进行了划分，中国传统绘画属于最高敏感级[4-6]。

为了对绘画类文物进行科学的光照保护，国外学者开展了较多定量化研究工作，但研究样本均为西方绘画类型，如油画、水彩、水粉等，而中国传统绘画在基材、颜料和制作工艺等方面都与西方绘画存在差异，因此研究结论并不适用[7-12]。我国学者对中国传统绘画的光照保护研究主要是定性描述照明对绘画的影响，量化结论较为缺失，实际适用性不强[13-16]。

本课题组在对多座著名博物馆进行调研后发现，卤钨灯、金卤灯、荧光灯、白光LED(WLED)是目前在绘画照明中所采用的主要光源类型[17-18]，并通过实验方法得到4种光源对绘画的相对影响系数为“卤钨灯∶金卤灯∶荧光灯∶WLED=1.00∶0.96∶0.90∶0.87”，证明WLED的影响最小但效果不甚明显[19]。在研究中还发现，能够满足中国传统绘画照明要求的低色温(CCT≤3300K)、高显色性(Ra≥90)的WLED均为RYGB型，红、黄、绿、蓝是构成其光谱的主要单色光，同时WLED具有光谱构成灵活、同色异谱明显、易于根据需求调整光谱功率分布(SPD)的特性[20]。

因此，如果能够确定4种单色光对绘画色彩的量化损伤规律，得到适用于照射中国传统绘画的光谱配比，就可为研发基于最低损伤的WLED光源提供支持，对中国传统绘画的精确保护具有重要意义。

2 实 验

2.1模型试件

中国传统绘画分为重彩和淡彩：前者使用由天然矿物材料研磨制成的无机颜料作画，后者使用从植物根茎叶中提取的花青、藤黄、胭脂、松墨4种有机颜料作画[21]。由于淡彩画所使用的有机颜料较无机颜料更易受到光照影响，因此本文以使用有机颜料绘制的淡彩绘画为研究对象。

实验所用试件由天津大学工笔绘画研究所制作：首先，选用花青、藤黄、胭脂、松墨4种典型有机颜料进行绘制，严格配比颜料浓度并均匀绘制，确保颜料在基材上各部分的浓度相同；其次，将绘制完成的青、黄、红、黑4色样本分别切割为4等份，然后重新组合成4组，每组包括4种颜色，见图1。

图1 实验模型试件

2.2实验光源

为得到红、黄、绿、蓝4种单色光(中心波长分别为650，583，510，482nm)，实验使用150W的全光谱卤钨灯(CCT=2700K，Ra=97)辅以红外滤光片作为光源(SPD见图2)，并配合由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所制作的650，583，510，482nm窄带滤光片，由此制作得到WLED光谱中的4种主要单色光(SPD见图3)。

为保证各个实验周期内色彩参数测试的科学一致性，测试均选择在D65标准光源(CIE No.51，CCT=(6500±200)K，Ra>96)照射条件下进行[4]。

图2 卤钨灯光谱功率分布

Fig.2Spectral irradiance distribution of the tungsten halogen lamp

图3482(a)，510(b)，583(c)，650nm(d)4种单色光的光谱功率分布。

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

2.3实验方案

实验在天津大学地下全暗光学实验室中进行，按单色光种类分为4个照射组同时开展：首先，设置4台具有相同环境参数控制指标的照明实验箱，按照标准对箱内的温度、湿度、空气质量进行调节，使其满足标准要求并在实验过程中保持恒定；其次，使用遮光帘将4台实验箱分隔于独立空间中，保证各照射组之间互相不产生干扰；然后，将模型试件置于光源下方进行垂直照射，并通过调整光源照射时距离试件的高度使每组试件表面辐照度相等。由于实验是为了比较不同光源对试件色彩的物理损害程度，因此选用辐照度作为照明数量的限制指标，实验过程中通过调节光源与试件之间的距离控制每组试件表面所受到的辐射能量相等，均为1W/m2。

实验共进行20个周期，每个周期照射6d，每天12h。随着总曝光量的累加，色彩参数随之发生变化。以周期为单位测量试件的色彩参数：首先，在D65标准光源下，采用Topcon BM-5A型色彩亮度计对绘画模型试件的CIEXYZ色坐标(x，y)和亮度值L进行测量，对每个周期测量得到的数据进行整理，通过数学和色度学的方法将色坐标转换为主波长、兴奋纯度、亮度参数；其次，绘制3个参数随总曝光量的周期性变化曲线，通过各组曲线特性分析得到单色光照对不同色彩的量化影响规律；第三，根据实验结果，计算单色光对绘画色彩的影响指标值，得到4种单色光对颜料色彩衰变的相对损伤量化关系。实验方案见图4。

图4 实验方案

3 结果与讨论

3.1色彩参数变化曲线

3.1.1主波长

由于黑色(松墨)属于无彩色而不存在主波长概念，因此仅研究青(花青)、黄(藤黄)、红(胭脂)3种颜色在不同单色光照射下，主波长随总曝光量的衰变情况，见图5。

图5花青(a)、藤黄(b)、胭脂(c)3种颜料在4种单色光照射下的主波长变化。

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

由图5可知，随着总曝光量的持续增加，3种颜料在单色光照射下主波长均呈下降趋势，即向短波方向偏移。由于主波长是用于表征颜色色相的参数，因此单色光对3种颜料均造成了变色影响，且变色幅度为胭脂>花青>藤黄。

3.1.2兴奋纯度

兴奋纯度是指样品颜色接近同一主波长光谱色的程度，用以表征颜色的饱和度，在CIE色度图上用“白光到样品点的距离”与“样品点到光谱色度点的距离”之百分比表示，该数值大小与颜色的饱和度呈正比。

图6花青(a)、藤黄(b)、胭脂(c)3种颜料在4种单色光照射下的兴奋纯度变化。

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

由于黑色(松墨)属于无彩色而不存在兴奋纯度概念，因此仅研究青(花青)、红(胭脂)、黄(藤黄)3种颜色在不同单色光照射下的兴奋纯度随总曝光量的衰变情况，见图6。

由图6可知，随着总曝光量的积累，花青的兴奋纯度变化不大，藤黄和胭脂均呈明显下降趋势，变化程度为胭脂>藤黄>花青，说明单色光辐射会降低淡彩绘画的饱和度，造成褪色现象。

3.1.3亮度

黑色(松墨)、青(花青)、红(胭脂)、黄(藤黄)4种颜色在不同单色光照射下，亮度随总曝光量的衰变情况见图7。

由图7可知，随着总曝光量的累加，4种颜料的亮度几乎均呈线性变化。其中藤黄为线性降低，花青、胭脂、松墨为线性增加，说明光照会造成绘画色彩的变淡或发乌。

图7 花青(a)、藤黄(b)、胭脂(c)、松墨(d)4种颜料在4种单色光照射下的亮度变化。

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

3.2单色光影响程度

根据实验结果，计算4种颜料在单色光照射下，各个周期相对于初始状态的主波长差、兴奋纯度差、亮度差，然后对20个照射周期的差值求取平均，进而计算不同单色光对4种颜料的影响总平均，作为不同单色光对典型绘画有机颜料色彩的综合损伤程度。公式如下：

(1)

(2)

(3)

计算结果见表1。

3.3绘画色彩衰变规律

(1)青色(花青)：由图5(a)可知，青色在整个实验周期内的主波长整体呈下降趋势，波长变小，说明色相向蓝色偏移，有变色现象。由图6(a)可知，兴奋纯度值总体变化不大，说明青色的饱和度基本无变化。由图7(a)可知，亮度在实验周期内呈平缓的线性增长，说明发生了褪色现象。

(2)黄色(藤黄)：由图5(b)可知，黄色的主波长在1～10周期内曲线较为平直，在10～20周期呈下降趋势，说明当曝光量积累到720Wh/m2时，色相向黄绿色方向偏移，发生变色。由图6(b)可知，兴奋纯度从第4周期开始呈现下降趋势，说明黄色的饱和度在曝光量达到288 Wh/m2时开始降低。由图7(b)可知，亮度在整个实验周期内均为线性降低，说明黄色发生了明显的发乌变暗现象。

表1 单色光对4种颜色的影响

(3)红色(胭脂)：由图5(c)可知，红色的主波长从实验开始至第10周期稍有上升，从第10周期至实验结束明显下降，说明当曝光量积累到720 Wh/m2时，色相向橙色方向偏移。由图6(c)可知，兴奋纯度在整个实验周期内均呈较为明显的下降趋势，说明光照会降低红色的饱和度。由图7(c)可知，亮度从实验开始至结束一直线性增加，说明红色有一定的褪色现象。

(4)黑色(松墨)：由图7(d)可知，亮度在整个实验周期内连续增长，说明黑色有明显的褪色现象。同时黑色的亮度变化幅度较其他3种颜色更大，原因在于当入射光辐照度相同的情况下，黑色较之其他颜色吸收的光子能量最多，光化学反应最显著。

综上所述，单色光照会对中国淡彩绘画的颜色产生明显影响，发生变色、褪色、发乌变暗等损伤现象。对于主波长，基本规律是光照会使颜料的色相向低波段方向偏移，同时720 Wh/m2的曝光量是一个重要的色相衰变节点；对于兴奋纯度，基本规律是光照会降低淡彩绘画颜料的色彩饱和度；对于亮度，基本规律是受光照后浅色的亮度降低产生发乌变暗现象(如藤黄)，而深色的亮度增加发生褪色(如花青、胭脂、松墨)。

3.4 单色光对绘画色彩损伤的比例关系

由表1可知，4种单色光对淡彩绘画色彩的主波长影响关系为482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=8 147∶9 067∶9 772∶9 121；对兴奋纯度的影响关系为482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=89 446∶85 250∶76 895∶69 229；对亮度的影响关系为482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=137∶238∶190∶177。因此，在研发用于中国淡彩绘画照明的最低色彩损伤WLED时，可参考上述结论进行光源的光谱构成配比。

4 结 论

为了对绘画类文物进行科学的光照保护，以构成白光LED光谱的4种主要单色光作为实验光源，分组照射中国传统淡彩绘画模型试件。在每个照射周期后，对试件的色彩参数进行检测，根据检测数据绘制主波长、兴奋纯度、亮度3个参数随总曝光量积累的衰变曲线，基于曲线分析得到各种淡彩绘画颜料在光照下的色彩衰变规律。研究结果表明，4种单色光对绘画色彩主波长影响关系为482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=8 147∶9 067∶9 772∶9 121；对兴奋纯度的影响关系为482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=89 446∶85 250∶76 895∶69 229；对亮度的影响关系为482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=137∶238∶190∶177。本文结果可为研发基于最低损伤的WLED光源提供支持，对中国传统绘画的精确保护具有重要意义。

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党睿(1981-)，男，河北唐山人，博士，副教授，博士生导师，2010年于天津大学获得博士学位，主要从事建筑技术科学的研究。

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”国家重点研发计划课题(2016YFB0601700)； 国家自然科学基金(51408404); 天津市自然科学基金(17JCYBJC22400)资助项目

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