博物馆书画类文物展陈用光的照度均匀度研究

吴振红

一、 引言

博物馆书画类文物的陈列照明设计不仅仅是简单的亮化工程,它和立体器物的展陈照明有较大区别，若用光不准确，就会导致画面光线分布不均匀、瓦翘与折痕凸显、画面颜色失真等一系列光害问题，从而不能将前人的艺术造诣准确而完美的传达，使得展品“原貌”不能真实重现，对观众及研究者产生严重视觉影响。图1是带有一定聚光功能的筒灯，从展柜顶部投射下来（图2），而引起画面“照度均匀度”不均衡的实例。画幅中处于上部位置照度较高，下半部分照度相对较低，且有投影，显得画面瓦翘与折痕明显，凹凸不平，而且画面下半部分颜色也过于暗淡。

图1 书画文物展厅陈列实景

图2 书画文物照明的传统布光方法

如何避免或抑制上述光害问题，已经成为博物馆书画展陈用光迫切需要解决的实际问题，本文也将以此为切入点，对博物馆书画类文物展陈用光的“照度均匀度”进行探讨研究。

GB/T23863-2009《博物馆照明设计规范》1（以下简称规范）按照材料光敏程度的分级中，书画文物是属于对光特别敏感的级别。从文物保护角度出发，要严格按照规范中照度、累积照度、色温、紫外线含量、红外线含量等各方面的相关标准执行照明设计。其中“照度控制标准”及“累计照度控制标准”是最为重要的标准。规范中书画文物的照明照度应＜50lx（表1）即书画文物的最高照度不能超过50lx，累积照度＜50000lx.h/年（表2）。书画对辨色要求高，应采取一般显色指数（Ra）不低于90，灯光色温＜3000k的光源作照明光源。

表1《博物馆照明设计规范》展品照度控制标准

表2《博物馆照明设计规范》展品曝光量控制标准

博物馆以收藏文物为主，文物具有不可再生性，因展品的这一特殊性，裸展相对较少，展柜却是至关重要，博物馆几乎都离不开展柜，展柜的形式有固定式通柜、活动式独立柜、异形柜等，不同形式的展柜有不同的布光和调试方法。而博物馆书画陈列展览多以通柜为主，本文也以通柜为例进行研究。

二、模拟实验

（一）实验环境

图3 电磁波谱

博物馆展厅照明用的光源分为两大类即纯天然的自然光源和人造光源。自然光主要是来自太阳的日光。在自然光源中，波长在380nm～780nm之间的为可见光波，可见光谱段能量分布均匀，所照射的辐照物光线也均匀，但却不能用日光作为书画文物的照明。因在可见光波中还有肉眼所看不到的紫外光波和红外光波（图3）。紫外辐射对辐照物最有害，紫外线会使某些对光敏感物质的部分化学键发生化学反应，造成长链断裂，而且还会在空气中产生氧化性反应。红外辐射对文物同样有害，其传递的能量主要为热能，会使被辐照的物体变得干燥脆弱，加速辐照物体的老化反应。

由于自然光源的日光中含有对光敏材质损害极大的紫外线和红外线，所以目前国内的博物馆书画陈列厅基本上都是采用人工光源对没有自然光射入的暗室进行展品和展厅的照明。

故本次实验的环境也选取模拟实际展厅环境的暗室，利用人工光源作为展厅的光源，进行模拟实验。

（二）实验样品

购置一幅高仿中国传统绘画做模型试件，使试件能最真实反映中国传统绘画特点。

（三）实验设备

1、实验光源

照明用的人造光源按发光原理通常又分为热光源和冷光源两大类。

博物馆传统照明用的热光源有卤钨灯、白炽灯、卤素灯等。发光原理是通电后，灯丝经过受热而发光的原理和热辐射原理来实现的。热光源的特点是虽紫外线含量较低，但红外线含量却很高。如果持续照射辐照物的某一处，则极易使该处颜色发生变化、干燥、老化、甚至断裂等不良反应。

传统照明中的日光灯、节能灯等则属于人造冷光源。日光灯和节能灯的发光原理是两个灯丝之间的气体导电时发出紫外线，紫外线激发均匀涂布在灯管内壁上的荧光粉，使其发出柔和的可见光。因此，冷光源的日光灯与节能灯的紫外线含量比热光源高出很多，同样会对辐照物造成伤害。

博物馆陈列照明领域的新光源“led灯”也属冷光源。led照明技术是半导体光电器件“高新尖”技术的代表，被誉为“21世纪新光源”，被预测将是博物馆的第四代光源。

Led灯发光原理是，通电后发光二极管的N区与P区少子与多子复合而发光。可见，led灯发光不是靠热能转化为光能，也不是紫外线激发管壁的荧光物质而发光，所以led光谱中几乎没有紫外和红外辐射，能控制热效应和次生光化学反应损害，有利于文物保护，是一种绿色光源。而且led灯较传统光源使用寿命长、具有照度均匀度高、节能、环保、颜色丰富等特点，因此正在被博物馆这一特殊公共场所逐步采用和认可。像法国卢浮宫、荷兰国立博物馆、韩国国家博物馆、故宫博物院等国际一流博物馆都有使用led照明的实例。

因此，本实验采用16W导轨led筒灯、4.5w/m的led灯带及16w/1.2m的led-T5光管作为实验光源。

2、实验仪器、工具

（1）HANWELL ULM 测光仪；

（2）TracePro光学仿真软件；

（3）SolidWorks三维仿真设计制图软件。

（四）实验过程

图4 模拟传统布光法 光照度不均匀

图5

1、“上方布光法”实验

首先按照传统布光方法安装光源与模拟试件。光源为16W导轨led筒灯，采用传统的“上方布光法”，将筒灯从书画藏品上方水平距离画面60CM处，灯具轴心约垂直30°角照射画面的位置安装好光源与试件（图4）。

从图4中可以看出，因为灯光由画面上方投下，因此画幅上部光通量大于画幅下部。且由于筒灯有一定聚光效应，画幅约上1/3处的视觉光线明显比其他地方更亮。经HANWELL ULM 测光仪进行测试后，光线较亮处的光照度为80lux（图5A），已然超过了标准里建议的书画类文物不超过50lux的光照标准。而画幅下方仅为22lux（图5B），光照度极不均匀。

此外，因为画幅长期收卷，导致有部分折痕出现，画幅整体也存在瓦翘不平的情况。依据光线投射原理，至上而下投射下来的灯光，画面凹凸不平位置的上方会吸收较多的光线，画面凹凸不平位置的下方则因为上方的遮挡会产生阴影效果。在这样一反一正的不均匀照度情况下，画面被凸显的更加瓦翘不平。

2、“左右两侧垂直布光法”实验

改变传统光源形式、布光角度及投射角度，观察实验结果。

在对传统光源、布光方法、光线投射角度等进行改进后，采用不含紫外线与红外线的、且光线分布较均匀的冷光led灯管为照明光源。采用两条2米长，功率为4.5w/m的无极亮度调节led灯带“左右两侧垂直布光法”，在距离悬挂画面的墙面60cm，左右各距画幅边际40cm处对画幅进行照明（图6、图7A）。将布光方法改为“左右两侧垂直布光法”，出光方式也由传统的“点”光源变成灯管的“面”光源，照射面积加大，正面垂直投射没有角度产生，因此不会产生阴影。画面自上而下取得测试点经过照度测量仪测试，得到表3的结果，其中照度最高值为49lx，最低值为46lx，算出平均值为47.5lx。从数据分析可以看出，各处照度值已非常接近均匀度值，且达到照明规范标准，保护了文物。因照度均匀度标准，故画面颜色统一，凹凸感不明显，视觉平整度得到了大幅度提升，呈现非常好的视觉展示效果。因led光管固定在展柜玻璃上，光管侧方会漏光，可以利用遮光/反光槽来解决。

表3“左右两侧垂直布光法”照度测试值

图6 左右两侧垂直布光法

图7A 左右两侧垂直布光法

7B上下结合布光法

3、“上下布光法+多曲度弧面反光镜补偿法”实验

将距画幅上、下边缘60cm处各安装一盏功率16W，长度1.2m的无极调光led光管。依据光线投射原理，上下光源可以相互补偿，画面视觉效果也比较平整（图7B）。但从光学角度讲，led光管直射到画面后，光线会随着距离光源的距离而衰减。“上下布光法”布光，当上、下光源投射到中间的时候，中间部位的光线会变弱，使用照度计测量的结果也印证了该想法。为了使画面光照更均匀，利用TracePro光学仿真软件进行数据建模，并用SolidWorks三维仿真设计制图软件得到了多曲度弧面反光镜模型（图8）。使用该数据模型加工的多曲度弧面反光镜对画面中间部分的光线进行精确补偿，最后测试各部光照度与图6相似，达到理想展示效果。

三、结果与讨论

通过实验，我们可以看出传统的照明光源为筒灯，出光面积小，且采用的是“上方布光法”，属局部布光方式，故打出的光线投射到画面上，会出现光照度严重不均匀现象，使画面的凹凸感凸显，因光线不均匀的问题会造成画面颜色的深浅不一，使书画文物的陈列效果不是很理想，不能将前人的艺术造诣准确而完美的传达，严重影响观众的参观体验。若使用日光灯，光线中又含有紫外线，对文物的安全也会造成影响。出现照度不均匀的原因是多方面的，与光源、布光方法、光线投射角度等都有关系。

“左右两侧垂直布光法”因led光管是固定在展柜玻璃上的，因此需要设计师在形式设计时将展柜外做相应的伸延设计将光管遮挡起来。

图8 TracePro光学仿真软件进行数据建模

除采用“左右两侧垂直布光法”，实验中还采用“上下布光法+多曲度弧面反光镜补偿法”布光，这种方式布光的原理是上、下光源可以相互补偿，不会产生明显的阴影。但上、下布光，由于光的传输距离会随着距离光源的距离而逐渐衰弱。为解决这个问题，利用数据建模设计的“多曲度弧面反光镜”对距离远的光线进行精确补偿，从而会使整幅画面的光照度分布更加均匀。

四、结论

从研究结果出发可初步得出以下结论：

从光源选择的角度讲，采用绿色环保的“led光管或灯带”作为书画文物的陈列光源更为合适。光管或灯带为“面光源”，较之传统筒灯的“点光源”，光线分布面积更大，光照度更加均匀。且led的显色性能好，更适宜为颜色丰富的书画陈列照明。

通过实验数据分析，利用led灯带的“左右两侧垂直布光法”，不会产生阴影，而且能使画面光照度更均匀，更能反映书画文物的真实面貌，是书画文物展示效果较理想的一种科学布光方法，提升了博物馆书画文物的展示效果。只是设计师在设计的时候，要注意布灯处的形式再设计。

另一种科学的布光方式是利用“上下布光法+多曲度弧面反光镜补偿法”，画面光照度均匀、颜色统一、无阴影，符合灯光设计要求。该布光方法中的灯管可以利用展柜隐藏起来，相对“左右两侧垂直布光法”而言，不用进行形式的再设计，但需利用多曲度弧面反光镜对光线进行精准补偿。

注释：

1 GB/T23863-2009，《博物馆照明设计规范》[S].北京：中国标准出版社，2010.

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