不同光谱LED光源辐照对染色丝绸文物的表面色差变化影响研究

罗 云，周 伟，张 军，李毅东，刘显明

（1.重庆大学 光电工程学院；光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044；2.中国四联仪器仪表集团有限公司，重庆 400700）

1 研究背景

光照是导致光敏文物老化的主要环境因素之一[1]。光源光谱中的紫外光、红外光对其影响尤甚。LED照明光源光谱不含紫外光和红外光成分且光谱可调，是目前博物馆照明光源的最佳产品[2-5]。但对于一些光敏文物，长期可见光辐照同样会对其产生不可逆的影响。

染色丝绸作为中国古代出口的主要商贸物品之一，对中国文化在欧洲乃至世界的传播有着举足轻重的作用。同时古代染色丝绸文物原料为有机蚕丝纤维，更容易受到光照的影响而产生老化，大大降低其观赏、研究价值。因此，研究光照对丝绸老化的影响，在改善丝绸博物馆照明环境方面具有重要的指导意义。

目前国内外针对光照与文物老化的关系做了许多相关的研究，多集中在LED光源与传统照明光源对丝绸的光照老化对比研究[6-11]，以及紫外光对染色丝绸的光照影响[6,12-13]。而可见光波段中不同的光谱成分对丝绸的影响作用是不同的，通常认为老化作用随光波频率的增加而增加，但影响的量化关系并不明确。针对此问题，文章利用不同光谱的LED光源搭建模拟博物馆展陈照明实验系统，对有机染料染色丝绸进行连续高强度的光照实验，定期测量丝绸样品表面色度学信息，通过研究丝绸颜色的变化规律分析不同可见光光谱成分对染色丝绸的影响。

2 实验部分

2.1 实验光源及样品

实验采用红、绿、蓝3种单色LED光源以及3 000 K、6 000 K 2种复合光光源，从不同的单色光研究不同的光谱成分对文物的影响，利用具有不同成分含量的复合光验证单色光是否在复合光中具有相同的作用。光源光谱如图1所示。

实验样品经过传统的染色工艺利用植物染料对桑蚕丝进行染色[6]。主要的染色原料有黄檗（亮黄色）、茜草（红棕色）、栀子（金黄色）、槐米（黄色）、紫草（紫色）、苏木（粉红）、靛蓝（蓝色）。制成的成品如图2所示。

2.2 实验系统及实验参数

实验利用金属架将光源吊起向下照射，样品放置于玻璃制作的样品室中，可以防止环境中的灰尘以及其他物质的影响。整个实验过程中保证环境的温度不变，从而防止温度对样品的影响。利用温度传感器实时检测环境温度。样品与光源之间的距离约为15 cm（实验系统如图3），实验系统样品受照面的参数如表 1所示。实验参数不同则其光源光谱差别较大，导致在相同距离时，受照面实验参数不同。目前文物老化的研究多基于曝光量积累，即倒易定律：光源相同时，不同的实验照度以不同的连续照射时间达到同样的曝光量后，对文物产生的损伤一致[6]。文章亦基于此定律分析不同光谱LED光源对染色丝绸的光辐照损伤作用。

2.3 实验结果及分析

2.3.1 实验结果

图 4为各光源光照之后样品的色差变化曲线，从图4中可以看出，单色光中经蓝光光照之后各样品的色差变化最大，绿光次之，红光的影响最小。6 000 K白光光照之后丝绸褪色大于3 000 K，且6 000 K白光此时的曝光量更小。各样品的色差变化主要有3个梯度：黄檗、槐米的色差变化最大，且实验最初已经产生了较为明显的色差变化，实验后期逐渐趋于平稳，紫草、苏木、栀子色差变化其次，靛蓝和茜草的色差变化最小。实验中，不同光源累积的曝光量差别较大，从大到小依次为绿光、红光、3 000 K白光、6 000 K白光、蓝光。这主要由于在辐射度学辐射照度向光度学光照度参数转换时，不同波长的光波具有不同的光谱光效率函数值。

图 1 实验光源光谱

图 2 染色丝绸样品

图 3 实验系统

表 1 样品受照面实验参数

图 4 光照实验结果

2.3.2 实验分析

图 5是各样品经过不同光源光照之后的色差变化汇总曲线。从图5中可以看出，单色光中所有样品经过蓝光光照之后的色差变化均为最大，且色差上升远高于其他样品；复合光中，6 000 K光照产生的色差均高于3 000 K。这主要由于蓝光波长更短，能量更强，更容易打断有机材料的化学键。而蓝光在照度转换时，视觉函数值较低导致相同照度时，蓝光辐射照度更大，其对文物的损伤被增大，从而出现蓝光光照之后样品的色差急剧增加。

为了定量分析各光源对样品的影响，将各光源光照之后样品最终色差变化汇总，求出样品的平均色差，来对比分析实验结果。

图 5 不同样品光照后色差曲线汇总

样品最终色差结果以及平均色差汇总如表 2。从表2中可以看出，单色光中7种样品经蓝光光照后产生的平均色差最大（约为21.8），其次为绿光（约为10.9），红光最小（约为4.3）。2种白光光照后的平均色差相近，6 000 K和3 000 K白光分别约为10.6和10.1，但此时两者的曝光量相差约3倍。因此，蓝光以及蓝光含量更多的6 000 K白光对丝绸的影响最大。有研究表明：光波长低于486 nm即可打断纤维素的C-C化学键从而导致这类有机材料的老化。蓝光波长较短能使染色丝绸产生光化学反应，从而导致其褪色。靛蓝的色差变化最小是由于对蓝光的吸收率最小，光谱对其的影响被降低。

绘制样品的平均色差柱状图（图6）以更加直观地分析各光源的影响。红、绿、蓝3种单色光的曝光量之比为：1:2.11:0.06，而样品平均色差变化之比为：1:2.53:5.07。蓝光的曝光量为红光的3/50，为绿光的3/125，却导致样品产生高于红光5倍，绿光2倍的色差变化。因此，当光源中只存在可见光波段时，蓝光对文物的影响不容忽视。未来在丝绸博物馆照明场合中使用的光源，应更加严格地限制蓝光的含量，这样可以有效减少LED光源对丝绸文物的损伤，使丝绸文物得到更加有效的保护与展览。

表 2 样品最终色差汇总

图 6 各光源光照后样品平均色差柱状图

3 结论

通过研究不同光谱LED光源对植物染料染色的桑蚕丝绸进行连续高强度辐照后丝绸的颜色变化规律。得出以下结论：

1）单色光中，蓝光对染色丝绸的老化作用最强，绿光次之，红色最弱。复合光中，6 000 K白光对染色丝绸的影响强于3 000 K白光。蓝光成分是可见光波段中对文物损伤最大的波段，且影响远高于其他的可见光波段。

2）黄檗、槐米这2种黄色系的染料，由于对蓝光具有很高的吸收率，更易受光照的影响产生褪色。对这一类的丝绸文物需要更加严苛的光照环境以防止光照产生老化。

3）随着LED光源在博物馆照明中的应用，紫外光和红外光将不再是主要的损伤因素。未来博物馆光照环境相关标准，应对蓝光进行更加合理的限制，从而更加科学有效地对文物进行保护，同时更好地营造博物馆展览环境。