不同光譜LED光源輻照對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 光電工程學院；光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400044；2.中國四聯儀器儀表集團有限公司，重慶 400700）

1 研究背景

光照是導致光敏文物老化的主要環境因素之一[1]。光源光譜中的紫外光、紅外光對其影響尤甚。LED照明光源光譜不含紫外光和紅外光成分且光譜可調，是目前博物館照明光源的最佳產品[2-5]。但對于一些光敏文物，長期可見光輻照同樣會對其產生不可逆的影響。

染色絲綢作為中國古代出口的主要商貿物品之一，對中國文化在歐洲乃至世界的傳播有著舉足輕重的作用。同時古代染色絲綢文物原料為有機蠶絲纖維，更容易受到光照的影響而產生老化，大大降低其觀賞、研究價值。因此，研究光照對絲綢老化的影響，在改善絲綢博物館照明環境方面具有重要的指導意義。

目前國內外針對光照與文物老化的關系做了許多相關的研究，多集中在LED光源與傳統照明光源對絲綢的光照老化對比研究[6-11]，以及紫外光對染色絲綢的光照影響[6,12-13]。而可見光波段中不同的光譜成分對絲綢的影響作用是不同的，通常認為老化作用隨光波頻率的增加而增加，但影響的量化關系并不明確。針對此問題，文章利用不同光譜的LED光源搭建模擬博物館展陳照明實驗系統，對有機染料染色絲綢進行連續高強度的光照實驗，定期測量絲綢樣品表面色度學信息，通過研究絲綢顏色的變化規律分析不同可見光光譜成分對染色絲綢的影響。

2 實驗部分

2.1 實驗光源及樣品

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

實驗樣品經過傳統的染色工藝利用植物染料對桑蠶絲進行染色[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（藍色）。制成的成品如圖2所示。

2.2 實驗系統及實驗參數

實驗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，可以防止環境中的灰塵以及其他物質的影響。整個實驗過程中保證環境的溫度不變，從而防止溫度對樣品的影響。利用溫度傳感器實時檢測環境溫度。樣品與光源之間的距離約為15 cm（實驗系統如圖3），實驗系統樣品受照面的參數如表 1所示。實驗參數不同則其光源光譜差別較大，導致在相同距離時，受照面實驗參數不同。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，不同的實驗照度以不同的連續照射時間達到同樣的曝光量后，對文物產生的損傷一致[6]。文章亦基于此定律分析不同光譜LED光源對染色絲綢的光輻照損傷作用。

2.3 實驗結果及分析

2.3.1 實驗結果

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，單色光中經藍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白光此時的曝光量更小。各樣品的色差變化主要有3個梯度：黃檗、槐米的色差變化最大，且實驗最初已經產生了較為明顯的色差變化，實驗后期逐漸趨于平穩，紫草、蘇木、梔子色差變化其次，靛藍和茜草的色差變化最小。實驗中，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、藍光。這主要由于在輻射度學輻射照度向光度學光照度參數轉換時，不同波長的光波具有不同的光譜光效率函數值。

圖 1 實驗光源光譜

圖 2 染色絲綢樣品

圖 3 實驗系統

表 1 樣品受照面實驗參數

圖 4 光照實驗結果

2.3.2 實驗分析

圖 5是各樣品經過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過藍光光照之后的色差變化均為最大，且色差上升遠高于其他樣品；復合光中，6 000 K光照產生的色差均高于3 000 K。這主要由于藍光波長更短，能量更強，更容易打斷有機材料的化學鍵。而藍光在照度轉換時，視覺函數值較低導致相同照度時，藍光輻射照度更大，其對文物的損傷被增大，從而出現藍光光照之后樣品的色差急劇增加。

為了定量分析各光源對樣品的影響，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，來對比分析實驗結果。

圖 5 不同樣品光照后色差曲線匯總

樣品最終色差結果以及平均色差匯總如表 2。從表2中可以看出，單色光中7種樣品經藍光光照后產生的平均色差最大（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，但此時兩者的曝光量相差約3倍。因此，藍光以及藍光含量更多的6 000 K白光對絲綢的影響最大。有研究表明：光波長低于486 nm即可打斷纖維素的C-C化學鍵從而導致這類有機材料的老化。藍光波長較短能使染色絲綢產生光化學反應，從而導致其褪色。靛藍的色差變化最小是由于對藍光的吸收率最小，光譜對其的影響被降低。

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。藍光的曝光量為紅光的3/50，為綠光的3/125，卻導致樣品產生高于紅光5倍，綠光2倍的色差變化。因此，當光源中只存在可見光波段時，藍光對文物的影響不容忽視。未來在絲綢博物館照明場合中使用的光源，應更加嚴格地限制藍光的含量，這樣可以有效減少LED光源對絲綢文物的損傷，使絲綢文物得到更加有效的保護與展覽。

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 結論

通過研究不同光譜LED光源對植物染料染色的桑蠶絲綢進行連續高強度輻照后絲綢的顏色變化規律。得出以下結論：

1）單色光中，藍光對染色絲綢的老化作用最強，綠光次之，紅色最弱。復合光中，6 000 K白光對染色絲綢的影響強于3 000 K白光。藍光成分是可見光波段中對文物損傷最大的波段，且影響遠高于其他的可見光波段。

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

3）隨著LED光源在博物館照明中的應用，紫外光和紅外光將不再是主要的損傷因素。未來博物館光照環境相關標準，應對藍光進行更加合理的限制，從而更加科學有效地對文物進行保護，同時更好地營造博物館展覽環境。