文物保护性照明中的关键问题的研究.pdf

2 0 1 3 年1 0 月 第2 4 卷增刊 照明工程学报 z h a o m i n gg o n g c h e n gx u e b a 0 0 c t 2 0 1 3 v 0 1 2 4 s u p p l e m e n t 文物保护性照明中的关键问题研究 党睿王立雄刘刚 天津大学 天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室 天津3 0 0 0 7 2 摘要 针对博物馆的文物保护性照明进行研究 通过分析该领域国内外研究现状 提出在照明对象 照明光源 照明数量三个方面尚待解决的关键科学问题 并提出研究方法和解决方案 关键词 展陈照明 光照保护 关键问题 解决方案 中图分类号 t m 9 2 3文献标识码 a d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 4 4 4 0 x 2 0 1 3 z 1 0 2 4 r e s e a r c ho nk e yq u e s t i o n so fd i s p l a yl i g h t i n gb a s e o nc u l t u r a lr e l i cp r o t e c t i o n d a n gr u iw a n gl i x i o n g l i ug a n g t i a n j i nk e yl a b o r a t o r yo f a r c h i t e c t u r a lp h y s i c sa n de n v i r o n m e n t a lt e c h n o l o g y t i a n j i n3 0 0 0 7 2 c h i n a a b s t r a c t t h ea r t i c l er e s e a r c h e dp r o t e c t i v el i g h t i n gi nm u s e u mb ym e a n so fa n a l y s i z e dt h ei n v e s t i g a t i o n s t a t u sa tp r e s e n ti nt h ef i e l d a n dp u tf o r w a r dt h eu n s o l v e dk e ys c i e n c eq u e s t i o n si nt h r e ea s p e c t s n a m e l y l i g h t i n go b j e c t s l i g h t i n gs o u r c e l i g h t i n gq u a n t i t y a tt h es a m et i m e t h ea r t i c l er a i s e dr e s e a r c hm e t h o d s a n ds o l u t i o n k e yw o r d s d i s p l a yl i g h t i n g l i g h t i n gp r o t e c t i o n k e yq u e s t i o n s s o l u t i o n 1 引言 博物馆建筑存量巨大 目前我国现有注册博物 馆2 9 4 6 座 而且今后数十年 仍将是博物馆事业发 展的高峰时期 j 但由于博物馆环境质量不高 相 关基础研究不足 馆藏文物正面临着巨大威胁 全 国政协委员 故宫博物院院长单霁翔在2 0 1 3 年的政 协提案中指出 目前在博物馆文物藏品保存环境 质量控制方面存在较大问题 我国5 0 6 6 的馆藏 文物存在不同程度的损害 其中濒危及重度受损文 物2 4 2 5 万余件 组 因此迫切需要增加馆藏文 物保护科研经费 研究适合文物藏品特点的控制指 标和设计方法 针对保存环境建立基础技术标准规 范 切实减少馆藏文物因保存不当所造成的损失 光学辐射是造成展品受损的重要因素 因此人 工光环境质量是衡量博物馆水平的一项重要技术指 标 而直接作用于展品的展陈照明更是重中之重 由于不科学照明会对展品造成不可逆的永久性损伤 导致文物的历史信息流失和遗产价值降低 因此必 须避免或减小光学辐射损害旧o 随着近年来大规模 博物馆建设的进行和对文物保护的重视 基于光照 保护的文物展陈照明逐渐成为研究热点 目前在基于光照保护的展陈照明领域 主要从 照明对象 照明光源 照明数量三个方面进行研究 即在确定不同类型展品光敏感程度的基础上 通过 分析光源对展品的影响量化规律 确定各类展品的 最适宜光源 同时建立不同光源照射不同展品的照 明数量标准 成果可为相关研究提供理论及数据基 础 为展陈照明标准的修订提供依据 并为博物馆 展陈照明设计提供科学指导 从而更好地保护文物 原真性 避免或减小文物因人工照明所造成的历史 信息失真和遗产价值降低的威胁 具有重要的科学 意义与现实意义 第2 4 卷增刊党睿等 文物保护性照明中的关键问题研究 2 保护性照明中的关键问题 2 1 照明对象 国际博物馆学会 i c o m i n t e r n a t i o n a lc o u n c i l o fm u s e u m s 根据材料的光化学稳定性 将展品划 分为对光特别敏感 如绘画 比较敏感 如漆 器 不敏感 如陶瓷 三个等级一j 该分类方法 得到世界广泛认可 如国际照明委员会 c i e i n t e r n a t i o n a lc o m m i s s i o no nd el e c l a i r a g e 博物馆 文物光照损害控制方法 c i e1 5 7 2 0 0 4 mj 北 美照明协会 i e s n a i l l u m i n a t i n ge n g i n e e r i n g s o c i e t yo fn o r t ha m e r i c a n 博物馆和美术馆照明推 荐规程 i e s n a r p 一3 0 9 6 j 我国 博物馆照 明设计规范 g b t 2 3 8 6 3 2 0 0 9 o 以下简称 规范 均是参照该方法对展品进行分级 规 范 中的分级方法见表1 而书画由于其对光的高 敏感特性 是目前国内外在照明对象研究中的重点 类型 表1 我国光化学敏感程度分级 t a b l e1r a n ko fp h o t o c h e m i s t r ys e n s i t i v i t yi nc h i n a 类别说明 对光特别敏感 对光敏感 对光不敏感 织绣品 绘画 纸质物品 彩绘陶 石 器 染色皮革 动物标本等 油画 不染色皮革 银制品 牙骨角器 象牙制品 漆器等 其他金属制品 石质器物 陶瓷器 玻璃 制品 搪瓷制品 珐琅器等 国外很多学者针对书画类展品进行了光照影响 的定量化研究 首先 在基材方面 c u t t l e 通过实 验方法得到了可见光范围内不同波长光谱对羊皮纸 碎布纸 纺织物 水彩纸 油画帆布五种材质的有 效曝光辐射值 并绘制了对数函数曲线 结果表明 对羊皮纸影响最为显著 对油画帆布影响最小h 1 其次 在颜料方面 s a u n d e r sa n dk i r b y 对巴西木红 红色 焊接红 黄色 树液绿 绿色 石蕊 蓝色 四种颜料进行了研究 得到了在可见光范 围内四种颜料对于不同波长光谱的相对光谱吸收 率hj 两位学者的研究成果均已写入c i e 技术 报告 我国学者在光照对中国传统书画的影响机理方 面进行了深入探讨 首先 故宫博物院刘舜强研究 员从基材角度出发 研究得到纸 物质构成为植物 纤维 和绢 物质构成为蚕丝 作为中国书画的两 种基材材料 其中的纤维和蛋白分子键受到光照后 易发生解离 造成基材强度下降 色泽变深 开裂 破损 1 其次 天津大学武金勇博士从颜料方面进 行研究 在其博士论文中指出 动植物或矿物等天 然材料是构成中国书画颜料的主要成分 经光照后 极易发生光氧化和光降解反应 导致分子结构变性 造成色相 明度 饱和度的改变旧j 在对多座博物馆进行调研后发现 我国绝大多 数博物馆都设有书画展厅 中国传统书法绘画是最 主要的展品类型之一 存量巨大 而且作为中国传 统文化的精髓 千百年来出现了许多国宝级书画珍 品 具有极高的艺术价值和文物价值一j 照明对象国内外研究现状表明 中国传统书画 由于自身的基材和颜料特性 较其它类型文物更易 受到光学辐射损害 同时还具有存量大 价值高等 特点 因此是光照保护研究的重点类型 但对于此 类展品的研究尚存在如下问题 国外虽以书画为对 象进行过较为深入的探索 但研究样本均为油画等 西方绘画类型 其基材 颜料 装裱工艺等都与中 国传统书画存在很大差异 研究结论对我国书画并 不适用 而我国相关研究主要是对光照影响机理进 行定性描述 缺乏深入的定量化研究 2 2 照明光源 1 光源指标 光谱 光学辐射损害主要是由于光谱中紫外线 的化学效应和红外线的热效应造成 消除光源中的 不可见光辐射已成为国内外研究共识 但可见辐射 也会对展品造成伤害 尤其是可见光谱中的短波部 分具有较强的破坏能力 0 同时可见光谱直接决定 视看效果而不能消除 因此研究可见辐射对特别敏 感展品的影响是当前本领域的重点和热点 色温 为减少光学辐射量要求展品表面为低照 度 根据视觉舒适度曲线 1 要达到良好的视觉感 受就需要使用低色温光源 同时c u t t l e 研究发现光 源色温与被照物受损程度成正比 低色温光源有利 于减小光学辐射损害 引 目前国内外相关标准对用 于特别敏感展品照明的光源色温值要求为t c 9 0e 4 5 6 2 新型光源 课题组在对国内外多座著名博物馆展陈照明环 境进行调研后发现 荧光灯 卤钨灯 金卤灯三种 传统光源是目前在书画照明中所采用的主要光源类 型 1 而发光二极管 l e d l i g h te m i t t i n gd i o d e s 作为新一代光源 具有节能环保 寿命长 可调节 易维护等特点 在照明领域得到了广泛应用 特别 是白光l e d w l e d w h i t el i g h te m i t t i n gd i o d e s 以下简称w l e d 近年来发展迅速 为l e d 进入室 内照明提供了条件 我国最新修订的 建筑照明设 计标准 g b5 0 0 3 4 2 0 1 3 征求意见稿 中 还特 别增加了w l e d 应用于室内照明的相关内容 基于w l e d 相比于传统光源的诸多优势特点 目前在室内照明领域已经成为研究的重点类型 同 济大学郝洛西教授在国家自然科学基金项目 基于 室内健康照明需求的照度与光谱对人体昼夜节律影 响研究 中 利用实验手段研究照度与光谱能量分 布 s p d s p e c t r a lp o w e rd i s t r i b u t i o n 对人体昼夜 节律的量化影响 并根据研究结果提出w l e d 的理 想s p d 特性 重庆大学严永红教授在国家自然科学 基金项目 教室光环境光生物安全性研究 中 通 过建立光环境综合模型手段 研究在教室照明中 w l e d 同色异谱现象与人体光生物效应关系 并对 w l e d 光生物安全性作出评价和建议 复旦大学陈 大华教授和林燕丹教授基于软件模型对w l e d 用于 公路隧道照明的可行性进行了深入分析 并进行了 中间视觉下的修正研究m w l e d 所具有的另外三个特点使其在理论上非 常适合用于书画照明 首先 w l e d 光谱中的紫外 线和红外线含量比传统光源更少 光学辐射损害也 更小 其次 m a r k s r e a 教授研究表明 w l e d 由 于发光原理和制备方法的独特性 易于根据需求实 现相应的光谱分布 因此可根据书画对于光谱的影 响吸收特性研发最小损伤w l e d 光源 3 第三 蓝 光光谱由于波长较短能量较强 是可见光谱中对展 品损害最大的谱段 而c i e 前主席v a n b o m m e l 教授 在 l i g h t i n gq u a l i t ya n de n e r g ye f f i c i e n c y 一文中指 出 t c 2 7 0 0 k 且r a 8 0 的w l e d 蓝光辐射量少 于产生同样光通量的白炽灯 此外同济大学郝洛西 教授和重庆大学严永红教授在各自研究中均发现 低照度下w l e d 色温越低越有利于视觉辨识 4 儿 j 研究结果表明低色温 高显色性w l e d 在低照度环 境下不但蓝光辐射量低 同时有利于视看 国内外很多学者都在为获得低色温高显色性 w l e d 进行研究 w l e d 的制备方法较多 传统方 法是使用蓝光l e d 芯片激发黄色荧光粉 但由于光 谱中缺少红绿部分 因此难以同时实现低色温和高 显色性的指标要求 6 东南大学崔一平教授使用近 紫外芯片激发红色 黄色 绿色 蓝色荧光粉 制 作出高显色性w l e d 并研究了其光电特性 j 日本 学者n a o k i k i m u r a 基于蓝光l e d 芯片激发黄色荧光 粉缺少红绿光谱的问题进行了优化 采用蓝光l e d 芯片激发红 黄 绿三色荧光粉 通过调整三种荧 光粉比例 制备出2 9 0 0 k t c 9 0 的 r y g b 红黄绿蓝 型w l e d i 引 本课题组与松下 公司合作 已获得r y g b 型w l e d 成品 t c 2 7 0 0 k r a 9 2 同时测定红 黄 绿 蓝是其主 要单色光谱成分 红外和紫外光谱含量极少 这种 新型光源的出现 为w l e d 在书画展陈照明中的应 用提供了基础 照明光源的国内外研究现状表明 在该领域尚 存在如下两个问题 首先 目前虽已出现低色温高 显色性w l e d 但面世时间很短 其可见辐射对书 画基材和色彩的损伤程度不明 因此w l e d 的实际 适用性缺乏科学依据 其次 w l e d 的发展日新月 异 光谱构成灵活且同色异谱现象明显 易于根据 需求调整光源的s p d 因此基于该特点探求组成 w l e d 的主要单色光对书画影响量化规律 进而对 w l e d 光谱组成及比例进行优化 对开发书画照明 最低损害光源将具有重要意义 但目前缺乏相关 研究 2 3 照明数量 中国建筑科学研究院赵建平研究员在 博物馆 照明设计标准的研究 一文中指出 不同光敏感度 展品可承受的最大光照射量不同 目前使用 表面 照度 和 总曝光量 表面照度与照射时间的乘 积 两项参数作为照明数量限定指标 引 世界主 要国家和国际组织推荐的照度标准和年曝光量限制 值见表2 和表3 可见国内外相关标准中大都以 5 0 1 x 和5 0 0 0 0 1 x i v 年作为特别敏感类展品的表面照 度和总曝光量限定值h 儿5 f 1 6j 但由于各类光源的光 谱构成不同 且不同类型特别敏感展品的物理化学 第2 4 卷增刊 党睿等 文物保护性照明中的关键问题研究 特性相异 因此光源对其造成的损害程度也有较大 差异 而均采用同一照明数量限定值不能对展陈照 明进行科学指导 为得到精确的照明数量控制指标 需要进行不同光源对各类特别敏感展品的光照影响 量化研究 很多学者就该问题进行了积极探索 表2 部分国家和国际组织推荐的照度标准单位 l x t a b l e2m u m i n a t i o ns t a n d a r do fs o m ec o u n t r i e sa n d o r g a n i z a t i o n s u n i t i x 组织及标准 展品类型一 国际c i e 国际i c o m 英国i e s 美国a n s l 日本j i s中国 不敏感无限制不限制不限制2 0 0 6 0 0 03 0 0 1 5 0 0 一 3 0 0 较敏感 1 5 01 5 0 1 8 01 5 02 0 01 5 0 3 0 0 1 5 0 特别敏感 5 05 05 05 07 5 1 5 0 5 0 注 i e s i l l u m i n a t i n ge n g i n e e r i n gs o c i e t y 照明工程协会 a n s i a m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r di n s t i t u t e 美国国家标准学会 j i s j a p a n e s ei n d u s t r i a ls t a n d a r d s 日本工业标准 表3 陈列室展品年曝光量限制值 t a b l e3l i m i tv a l u eo fa n n u a le x p o s u r ei ns h o w r o o m h a r r i s o n 利用相对辐射量公式f d m r e l 中 入 t 入 d 入 d 入 其中中 入 为光谱辐射 量 单位w n m t 入 为滤波器光谱传输量 d 入 为破坏函数 入为波长 单位n m 计算出在 可见光谱范围内不同波长对被照物的相对辐射损害 量 并绘制了相对损害影响程度函数图 研究结果 表明3 8 0 n m 到5 2 0 n t o 的光谱对被照物损伤明显 且 自3 8 0 n m 至5 2 0 n m 相对损害程度逐渐减小 大于 5 2 0 n m 的辐射影响可以忽略m 1 研究成果已写人 c i e 技术报告 照明数量的国内外研究现状表明 现行照明数 量指标存在如下两个问题 首先 对于不同光源照 射不同类型特别敏感展品 均采用相同数量指标进 行限定 不能为保护展品提供精确指导 尤其对于 极易受损的中国书画更为明显 其次 当前指标是 在对传统光源进行研究的基础上得到 而w l e d 的 发光原理和光谱构成与传统光源存在较大差异 在 满足现行指标要求的基础上是否能够保证良好的保 护效果尚不明晰 因此 建立基于w l e d 的中国传 统书画照明数量标准是一项迫在眉睫的工作 3 研究展望 针对当前在照明对象 照明光源 照明数量方 面所存在的问题 课题组采用典型光源照射实体模 型方法进行定量化研究 3 1 研究准备 1 模型试件 由天津大学工笔重彩研究所按 传统技法和工艺 制作中国字画模型试件 以宣纸 和丝绢作为基材 每种基材上用朱砂 矿物质 烟墨 矿物质 蛤粉 动物质 花青 植物 质 岩黄 矿物质 颜料 绘制赤 黑 白 青 黄五种在中国书画中使用最为广泛的色彩 并使用 小麦淀粉制成的糨糊按照古典技法进行手工装裱 使模型试件能够最真实反映中国传统书画特点 2 实验光源 首先 由于传统光源的光谱构 成较为稳定 因此采用满足特别敏感性展品照明要 求的荧光灯 卤钨灯 金卤灯三种典型光照作为实 验光源 其次 基于w l e d 具有s p d 构成灵活的特 点 除采用r y g b 型低色温高显色性w l e d t c 2 7 0 0 k r a 9 2 功率1 3 3 w 发光效率4 9 6 1 m w 作为实验光源 还将w l e d 主要包含的红 中 心波长7 0 0 n m 黄 中心波长5 8 0 h m 绿 中心 波长5 1 0 n m 蓝 中心波长4 1 0 n m 四种单色光 作为实验光源 3 检测指标 以微观形貌参数表征书画基材 受损程度 使用v h x 一2 0 0 0 型超景深三维显微系统 进行检测 以色度参数表征书画颜料受损程度 采 用b m 一5 型亮度计在d 6 5 标准光源下测量试件的 c i e l 9 3 1 色度坐标 x y 及c i e l 9 7 6 米制明度 l 为更直观体现色彩变化情况 将 x y 和 l 转换为孟塞尔标号进行评价 3 2 研究方法 1 在实验阶段 应用典型光源及四种单色光 对书画试件进行照射的方法 进行光照对书画影响 实验 并结合材料学和色度学方法对试件微观形貌 及色度参数进行检测 2 在数据分析阶段 运用数学统计方法对所 测数据进行分析整理 求解变化差值 进而基于拟 合分析方法得到光照损害的周期性衰变曲线 3 在深化研究阶段 采用对比分析方法确定 1 2 6 照明工程学报2 0 1 3 年1 0 月 w l e d 较传统光源的相对损害系数 通过对曲线衰 变规律进行分析 得到书画展陈照明总曝光量限定 阈值 建立照明数量限制指标群 利用权重分析方 法提出四种单色光对书画受损的影响权重关系 参考文献 1 李光远 中小城市专题类博物馆光环境研究 d 中央美术学院 2 0 1 0 2 李恭慰 建筑照明设计手册 m 北京 中国建筑 工业版社 2 0 0 6 3 i c o m3 t c 3 2 2 m u s e u ml i g h t i n ga n dp r o t e c t i o na g a i n s t r a d i a t i o nd a m a g e 4 c i e1 5 7 2 0 0 4c o n t r o lo fd a m a g et om u s e u mo b j e c t sb y o p t i c a lr a d i a t i o n 5 a n s i i e s n ar p 一3 0 1 9 9 6 r e c o m m e n d e dp r a c t i c eo n m u s e u ma n da r tg a l l e r yl i g h t i n f f 6 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 博物馆 照明设计规范 s g b t 2 3 8 6 3 2 0 0 9 北京 中 国标准出版社 7 武金勇 先秦两汉绘画颜料研究 d 天津大 学 2 0 1 1 8 刘舜强 古书画损毁机理初探 j 文物保护与考古 科学 2 0 0 3 1 5 1 3 9 4 2 9 党睿 刘刚 于娟 侯丹 基于文物保护的博物馆展 陈照明调查研究 j 照明工程学报 2 0 1 3 3 1 0 j e l e n aa r l n a 8 l i g h t i n gf o rm u s e u m s i n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m t o p i c a lp r o b l e m si nt h ef i e l do fe l e c t r i c a l a n dp o w e re n g i n e e r i n g c j a n u a r y1 0 1 5 2 0 11 1 1 柳孝图 建筑物理 第三版 m 北京 中国建筑 工业版社 1 2 c u t t l ec l i g h tf o ra r t ss a k e l i g h t i n gf o ra r l w o r k sa n d m u s e u m d i s p