CN109511195A - 适用于中国脆弱文物照明的led光谱调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于文物保护和光源技术的交叉学科领域，为得到不同类型中国脆弱文物照明，分别所应采用的最低损伤光谱。提出适用于中国脆弱文物照明的LED光谱调节技术。在满足观赏要求的前提下，实现不同脆弱文物的最低照明损伤。为此，本发明采取的技术方案是，适用于中国脆弱文物照明的LED光谱调节方法，首先根据被照物的材料特点选择该类文物的最适宜光谱功率分布SPD，进而在LED控制器中输入该SPD；当更换照明对象时，根据新被照物材料特点选择其最适宜SPD，进而在LED控制器中将光谱调节为新的SPD，满足观赏要求的条件下实现对于新被照物的最低照明损伤。本发明主要应用于文物保护场合。

Description

适用于中国脆弱文物照明的LED光谱调节方法

技术领域

本发明属于文物保护和光源技术的交叉学科领域，特别是涉及在博物馆等场所的展品照 明中，对于高度敏感的书法绘画、古籍善本、古建彩画等中国脆弱文物，如何利用LED光谱 调节技术，在保证观赏效果的基础上实现文物的最低照明辐射损伤。具体讲,涉及适用于中国 脆弱文物照明的LED光谱调节方法。

背景技术

目前文物的保护形势不容乐观。全国政协委员、故宫博物院院长单霁翔在两会提案中指 出：由于保护方面存在的问题，我国50.66％的文物存在不同程度的损坏。因此，应明确目前 存在的主要问题，加强基础科学问题的研究，促进保护技术的开发与应用。如何科学妥善地 保护好历代文物，是一项势在必行的工作，也是科研工作者不可推卸的历史责任。”

照明是造成文物受损的重要原因。光源发出的光谱辐射被展品吸收后，导致文物出现褪 色、变色、甚至颜色消失等不可逆的永久性损伤。为更好地对文物进行照明保护，中国国家 标准按被照材料的光敏感程度对文物进行了分级，见表1。

表1《博物馆照明设计规范》(GB/T 23863-2009)

中国脆弱文物是照明保护的重点对象。由上表可知，书法绘画、古籍善本、古建彩画等 中国脆弱文物由于材质特点，极易因光源中的光学辐射而发生损伤，属于最高光敏感级别， 是照明保护的重点对象。

光源是进行中国脆弱文物照明保护的关键。文物受损的根本原因在于光源所发出的光谱 能量被文物吸收后造成文物的光化学反应，使材料分子键改变而出现损坏现象。不同光源的 光谱功率分布(SPD,Spectral Power Distribution)存在巨大差异，同时各类文物由于材质不同 对各波长光谱的吸收和反射特性差别明显，因此不同光源对文物的光损伤程度迥异。

LED在中国脆弱文物照明中的具有重大优势。卤钨灯、荧光灯、金卤灯等传统光源的 SPD是固定的，光谱不能进行调节，但多芯片型LED由于特殊的发光原理，较传统光源具有 光谱构成灵活、可根据需求调整SPD的特点，因此基于该特点可研发专门用于中国脆弱文物 照明的LED。LED光谱构成需要考虑观赏和保护两方面的因素：首先，光谱构成决定着光源 的显色性和色温等，而这些指标是保证观赏效果的条件，对用于绘画等脆弱文物照明的光源 要求为平均显色指数R_a≥90且R₉＞0、2700K≤相关色温CCT≤4000K、普朗克曲线偏移度 DUV≤0.0054；其次，在满足上述观赏指标要求的基础上，探求各类中国脆弱文物材料对不 同波段光谱的吸收反射规律，进而研究适用于中国脆弱文物照明的LED光谱构成，并根据不 同文物材料特点开发光谱调节技术，对实现不同脆弱文物的最低照明损伤具有重要意义。

综上所述，本申请通过照明科学、文物学、光源学、光谱学、材料学等学科交叉，提出 一种能够满足观赏要求的最低损伤LED光谱调节技术，该技术可针对不同中国脆弱文物特点 进行光谱调节，使照明损伤降到最低。

1.目前与本申请最接近的现有专利如下：

(1)一种高显色质量的色温可调白光LED光源设计方法(专利号：CN105354369A)。该发明提供了一种高显色质量的色温可调白光LED光源设计方法，衡量LED显色能力及进行LED光源设计的折衷，在优化LED光源光谱时同时考虑CRI和CQS，克服了当前光源设 计中没有全面的考虑显色质量问题。根据该发明方法设计得到的色温可调白光LED光源，由 多颗单色LED组成，因此结构简单，仅仅通过控制各LED的驱动电流即可获得所需要的色 温，并且保证光源具有高的显色质量及发光效率。该发明采用遗传算法进行优化，可能会遗 漏有效光谱。而且该专利旨在优化光源的显色质量，着眼于一般环境的照明场景，并没有考虑博物馆照明环境关注的光谱损伤影响。

(2)一种多色LED实现光源最佳显色性的光谱优化方法(专利号：

CN105973572A)。该发明公开了一种多色LED实现光源最佳显色性的光谱优化方法。在 该方法中，首先，通过采样和测量获取各色单颗LED的光谱样本数据；然后，将目标光源色 品和照度数据进行转换以获取其绝对三刺激值；最后，采用一种约束型差分进化算法迭代优 化获得对应LED的驱动值，同时通过色温误差百分比、色品差、照度误差百分比以及显色性 评价指标对优化测量结果进行评价。该专利旨在获得最佳显色性的白光LED光谱，并没有考 虑到光谱损伤这一影响因素。

(3)适用于绘画色彩保护照明的白光LED光谱获取方法(专利号：

CN106353264A)。该发明为解决目前在中国传统绘画的保护性照明领域，获取最低色彩 损伤WLED光谱的科学实验方法缺失问题，解决目前不能对单色光影响中国传统绘画的色彩 情况进行精确评价的问题，采用照射实验得到适用于绘画色彩保护照明的白光LED光谱获取 方法。该方法主要阐述了一种获得不同单色光波段损伤比例的方法，还未获得满足视看要求 的最低损伤的白光LED。

2.目前与本申请最接近的研究如下：

(1)东华大学林渡洋硕士，分别对PC-W LED、PC/R-W LED、QD-W LED三种白光LED建立了光谱模型，确立了以极限光效LLE为优化目标的目标函数，研究了这三种白光LED 在不同色温(2700K-6500K)、不同显色性评价指标(CRI、CQS、CRI*)、不同显色性要求Q (Q＝没有要求、50、70、80、90、95、98)下的极限光效LLE，并做了比较。还对可调色温 超高显色性(CRI>98，R9>98)R/Y/C-W LED进行了光谱最优化研究。光谱模型的建立有力的 促进了白光LED的研究和发展，大大减少了实验成本和时间。(林渡洋.白光LED的最优化 光谱研究[D].2016.)

(2)复旦大学电光源研究所的李东鹏硕士实现了一种能够实现快速、精确计算满足显色 指数要求的各单色光发光比例组合的算法，计算效率相较传统方法提高百倍以上,计算时间 从分钟级缩短至秒级,使得实时计算单色LED混合比例从而获取高显色指数的白光LED成 为可能。(李东鹏、董孟迪、孙耀杰、林燕丹，白光混光优化算法研究[J]，光源与照明，2015

(3)：1-4)

(3)华南理工大学熊晨雨硕士，根据RYGB四色混光原理，采用脉冲宽度调制(PWM)调 光方式，建立目标色坐标与占空比的关系方程，采用遗传算法对混合光的光通量和一般显色 指数进行多元约束下寻优，在3571～11082K色温范围内选取13组目标色温，采用Matlab 软件进行了优化仿真。(熊晨雨、吴玉香、文尚胜，基于遗传算法的RGBW混光优化研究[J]， 发光学报，2017，38(02)：254-265)

(4)本申请人通过对我国四座著名美术馆展厅光环境的调查研究，综合考虑光照保护和 视觉效果，基于现场指标检测和数据计算分析等方法，总结在室内表面特性、照明方式、照 明光源、照度指标以及照明新技术方面的规律和特点。(党睿、魏智慧、张明宇,美术馆展厅 光环境调查研究,照明工程学报[J]，2013，24(5)：16-21)

(5)本申请人通过对中国传统淡彩画试件的照射实验，根据检测数据绘制了主波长、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。(党 睿、刘杰、刘刚、原野，构成白光LED的单色光对中国淡彩绘画色彩的影响[J]，发光学报， 2017，38(11)：1545-1552)

3.目前与本申请相关的国家标准为《博物馆照明设计规范》(GB/T 23863-2009)，该标准 中对于中国传统文物照明的光源选择相关条文如下：

(1)第4.3.1条应选用色温小于3300K的光源作照明光源。

(2)第4.3.2条在陈列绘画、彩色织物、多色展品等对辨色要求高的场所，应采用一般显色指数(Ra)不低于90的光源作照明光源。

(3)第6.0.1条应减少灯光中的紫外辐射和红外辐射，使光源的紫外线相对含量小于5 μW/1m。

但该标准中并未涉及对于不同脆弱文物应采用何种光谱照射损伤最低。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在得到不同类型中国脆弱文物照明，分别所应采用的 最低损伤光谱。提出适用于中国脆弱文物照明的LED光谱调节技术。在满足观赏要求的前提 下，实现不同脆弱文物的最低照明损伤。为此，本发明采取的技术方案是，适用于中国脆弱 文物照明的LED光谱调节方法，首先根据被照物的材料特点选择该类文物的最适宜光谱功率 分布SPD，进而在LED控制器中输入该SPD；当更换照明对象时，根据新被照物材料特点选 择其最适宜SPD，进而在LED控制器中将光谱调节为新的SPD，满足观赏要求的条件下实现 对于新被照物的最低照明损伤。

具体步骤细化如下：

1、搭建模型

以中国脆弱文物颜料制作实验用模型试件，颜料类型见表2：

表2中国绘画的颜料组成及特点

2、构建光源

选取可见光谱范围内的10个典型波段单色光，用LED单色芯片制备实验光源，10个单 色光源信息见表3：

表3实验光源信息表

3、实施方案

在专门制备的展柜中进行，照射过程中不同单色光源置于独立的展柜空间，利用黑色隔 板分隔不同组实验，避免各组间光照的相互干扰，对各组试件进行长周期照射，每天12小时， 6天为一个周期，整个实验持续20个周期，共计1440小时，调节各组光源的功率，使各单 色光源照射在对应试件上的辐照度相等，调节展柜内的环境参数，使之在整个实验过程中保 持一致和恒定，参数值见表4：

表4实验室室内温度、湿度及空气质量标准

4、参数检测

(1)采用PR-670光谱仪在经中国计量院标定过的D₆₅标准光源下测量试件的CIELAB 色坐标(a，b)和心理明度值L^*，D₆₅满足O SRAM，L30W/965,6500±200K；

(2)基于所测得的色坐标(a，b)和心理明度值L^*，计算在十种单色光照射下，20个实验周期内颜料相对于初始状态△E^* ₀₀的色差值△E^* ₀₀₁～△E^* ₀₀₂₀，△E^* ₀₀的计算方法如下：

式中：K_L,K_C,K_H为参数因子,是一个与观察环境相关的校正系数。S_L,S_C,S_H为亮度、饱和度和色调权重因子,允许在CIELAB颜色空间中根据区域不同进行各自的调整，以校正视 觉空间中的均匀性。R_T为旋转函数，用于校正视觉感受中蓝色区域宽容量椭圆并不指向原点， 用该函数对椭圆进行旋转；

5、损伤数据分析

取每种颜料20个周期色差值的平均值作为该种颜料受照射单色光源辐射的损伤值。

式中i代表颜料种类；取文物所含颜料受损伤值的平均值作为该文物受单色光源的损伤 值：

式中，m代表文物种类；j代表计算文物m中所含颜料的种类数，最终得到相等能量十种 波段由于和文物颜料不同的作用关于而导致的不用相对损伤值：

D_m(445):D_m(480):D_m(500):D_m(525):D_m(560):D_m(595):D_m(615):D_m(635):D_m(670):D_m(720)

＝a_m:b_m:c_m:d_m:e_m:f_m:g_m:h_m:i_m:j_m

式中，a_m-j_m分别为十种单色光波段对m文物的相对损伤值，为常数。

6、光谱拟合及迭代

根据光谱叠加定理可知，将十个单色光光谱叠加即可得到对应的LED光谱，一方面，由 于十个波段对文物的损伤程度不同，因此首先需要考虑光谱叠加后对于脆弱文物的损伤影响； 另一方面，光谱构成还会影响显色性、色温、普朗克曲线偏移度等观赏效果，因此还需考虑 光谱叠加后对于观赏效果的影响，上述两方面指标均由光谱功率分布决定，已知光源的光谱 功率分布，计算出所有需要评价的参数值，十条单色光波段的光谱功率分布是已知的，因此 对十个波段的强度系数进行迭代，得到所有可能的光谱功率分布，进而进行评价和选择；

7、光谱评价及选择

在视看观赏方面：平均显色指数R_a≥90且R₉＞0、2700K≤相关色温CCT≤4000K、普朗克 曲线偏移度DUV≤0.0054，以上述指标作为评价标准，将所有叠加光谱中的不符合项剔除， 剩余部分即为能够满足观赏要求的光谱；

在光照保护方面：所选单色光波段对文物的损伤程度都是不同的，通过照射实验已经获 得了等能量单色光的损伤比例，让各单色光波段能量分别乘上其对应的相对损伤值并进行叠 加即为构成LED对某种文物的损伤值D，由于一种光谱中各单色光波段之间的峰值波长峰值 是一种相对值，为避免不同LED光源之间相互比较时，受到总能量不同导致的影响，对叠加 得到的损伤值进行除光源总能量的处理，得到迭代得到的所有LED的相对损伤值，各单色光 能量由下式得到：

式中，λ_0,n为中心波长为n种芯片的峰值波长，取值为1-10，分别为445nm、480nm、500nm、 525nm、560nm、595nm、615nm、635nm、670nm、720nm；Δλ_n为第n个单色光芯片的光谱半 带宽；为中心波长为λ_0,n的单色光芯片的相对光谱功率分布。

综合评价及选择：以100K作为间距对色温区间进行划分，将脆弱文物照明中2700K～4000K范围划分为14个色温区间，并在每个色温区间内利用相对损伤值计算方法得到相对损 伤度D^*(λ)₁～D^*(λ)₁₄。

本发明的特点及有益效果是：

1、提出一种获取中国脆弱文物照明最理想光谱的方法。

2、得到不同类型中国脆弱文物照明，分别所应采用的最低损伤光谱。

3、提出适用于中国脆弱文物照明的LED光谱调节技术。

4、在满足观赏要求的前提下，实现不同脆弱文物的最低照明损伤。

通过本发明：在中国脆弱文物照明中，首先根据被照物的材料特点选择该类文物的最适 宜SPD，进而在LED控制器中输入该SPD，即可在满足观赏要求的条件下实现对于这类文物 的最低照明损伤；当更换照明对象时，根据新被照物材料特点选择其最适宜SPD，进而在LED 控制器中将光谱调节为新的SPD，即可在满足观赏要求的条件下实现对于新被照物的最低照 明损伤。因此，本发明可利用一套系统实现不同类型文物的最低损伤照明。

此外，本发明还可为构造任意单色光构成光源系统的控制策略提供技术支持，对于任意 单色光波段构成的LED光源系统，利用本发明中采用的照射实验得到各单色光波段对各种中 国脆弱文物的相对损伤值，进而对迭代出的LED光谱进行筛选和评价，最终可得到相应单色 光组成光源系统最适用于中国脆弱文物的光谱控制方式。利用本发明中所提出的方法可构造 出任意单色光构成光源系统的控制策略，为博物馆等所有脆弱文物贮存展陈环境提供更多可 选的中国脆弱文物照明光源。同时，本发明中所采用的技术手段不仅可为获得最适宜于中国 脆弱文物的照明系统提供技术支持，也可为获得各类人、植物、动物等生物所处环境的最优 照明系统提供技术支持。

综上，本发明通过将现代科技手段应用于传统文物保护，解决了中国脆弱文物照明中的 关键问题，从根本上降低了文物面临的历史信息流失、遗产价值降低的威胁，保护了文化遗 产的原真性，为实现复兴传统文化的国家战略提供了支持。同时，本发明也为各类环境中理 想照明系统的实现提供了技术支持，利用本发明中提供的技术，可极大的优化人类、动物、 植物等生物所处空间的照明质量。

附图说明：

图1技术路线图。

图2十种单色光光源的光谱功率分布。

图3实验装置图，L代表光源，S代表模型试件。

图4测试装置图。

图5光谱叠加原理图。

图6光谱迭代算法。

图7光谱数量、相关色温、损伤程度关系图(无机颜料)。

图8光谱数量、相关色温、损伤程度关系图(有机颜料)。

图9满足视看要求的最低损伤LED光谱(无机颜料)。

图10光谱数量、相关色温、损伤程度关系图(有机颜料)。

图11光谱调节技术原理图。

具体实施方式

为达成目的，本发明采取的技术方案如下：

技术方案流程见图1。

1、模型试件

以中国脆弱文物颜料制作实验用模型试件，颜料类型见表2。

表2中国绘画的颜料组成及特点

2、实验光源

由于中国脆弱文物照明要求光源中不能含紫外和红外光谱，因此选取可见光谱范围内的 10个典型波段单色光，用LED单色芯片制备实验光源。10个单色光源信息见表3，SPD见图 2。

表3实验光源信息表

3、实验方案

实验在专门制备的展柜中进行。照射过程中不同单色光源置于独立的展柜空间，利用黑 色隔板分隔不同组实验，避免各组间光照的相互干扰，见图3。对各组试件进行长周期照射， 每天12小时，6天为一个周期，整个实验持续20个周期，共计1440小时。调节各组光源的 功率，使各单色光源照射在对应试件上的辐照度相等，调节展柜内的环境参数，使之在整个 实验过程中保持一致和恒定，参数值见表4。

表4实验室室内温度、湿度及空气质量标准

4、参数检测

(1)采用PR-670光谱仪在经中国计量院标定过的D₆₅(OSRAM，L30W/965,6500±200K) 标准光源下测量试件的CIE LAB色坐标(a，b)和心理明度值L^*，测试装置如图4所示。

(2)基于所测得的色坐标(a，b)和心理明度值L^*，计算在十种单色光照射下，20个实验周期内颜料相对于初始状态△E^* ₀₀的色差值△E^* ₀₀₁～△E^* ₀₀₂₀，△E^* ₀₀的计算方法如下：

式中：K_L,K_C,K_H为参数因子,是一个与观察环境相关的校正系数。S_L,S_C,S_H为亮度、饱和度和色调权重因子,允许在CIELAB颜色空间中根据区域不同进行各自的调整，以校正视 觉空间中的均匀性。R_T为旋转函数，用于校正视觉感受中蓝色区域宽容量椭圆并不指向原点， 用该函数对椭圆进行旋转。

5、损伤数据分析

取每种颜料20个周期色差值的平均值作为该种颜料受照射单色光源辐射的损伤值。

式中i代表颜料种类。

我们认为构成某种文物的主要颜料所受单色光源的辐射损伤的平均值即可代表该种文物 受到的辐射损伤。所以取文物所含颜料受损伤值的平均值作为该文物受单色光源的损伤值。

式中，m代表文物种类，如中国传统重彩画等；j代表计算文物m中所含颜料的种类数。

最终得到相等能量十种波段由于和文物颜料不同的作用关于而导致的不用相对损伤值：

D_m(445):D_m(480):D_m(500):D_m(525):D_m(560):D_m(595):D_m(615):D_m(635):D_m(670):D_m(720)

＝a_m:b_m:c_m:d_m:e_m:f_m:g_m:h_m:i_m:j_m

式中，a_m-j_m分别为十种单色光波段对m文物的相对损伤值，为常数。

6、光谱拟合及迭代

根据光谱叠加定理可知，将十个单色光光谱叠加即可得到对应的LED光谱，图5为光谱 叠加方式。

一方面，由于十个波段对文物的损伤程度不同，因此首先需要考虑光谱叠加后对于脆弱 文物的损伤影响；另一方面，光谱构成还会影响显色性、色温、普朗克曲线偏移度等观赏效 果，因此还需考虑光谱叠加后对于观赏效果的影响。上述两方面指标均由光谱功率分布决定， 已知光源的光谱功率分布，即可计算出所有需要评价的参数值。十条单色光波段的光谱功率 分布是已知的，因此对十个波段的强度系数进行迭代，得到所有可能的光谱功率分布，进而 进行评价和选择，迭代算法流程图见图6。

7、光谱评价及选择

在视看观赏方面：目前对用于绘画等脆弱文物照明的光源要求为平均显色指数R_a≥90且 R₉＞0、2700K≤相关色温CCT≤4000K、普朗克曲线偏移度DUV≤0.0054，以上述指标作为评 价标准，将所有叠加光谱中的不符合项剔除，剩余部分即为能够满足观赏要求的光谱。

在光照保护方面：所选单色光波段对文物的损伤程度都是不同的，通过照射实验已经获 得了等能量单色光的损伤比例，让各单色光波段能量分别乘上其对应的相对损伤值并进行叠 加即为构成LED对某种文物的损伤值D。由于一种光谱中各单色光波段之间的峰值波长峰值 是一种相对值，为避免不同LED光源之间相互比较时，受到总能量不同导致的影响，对叠加 得到的损伤值进行除光源总能量的处理，得到迭代得到的所有LED的相对损伤值，各单色光 能量由下式可以得到：

式中，λ_0,n为中心波长为n种芯片的峰值波长，取值为1-10，分别为445nm、480nm、500nm、 525nm、560nm、595nm、615nm、635nm、670nm、720nm；Δλ_n为第n个单色光芯片的光谱半 带宽；为中心波长为λ_0,n的单色光芯片的相对光谱功率分布。

综合评价及选择：以100K作为间距对色温区间进行划分，将脆弱文物照明中2700K～ 4000K范围划分为14个色温区间，并在每个色温区间内利用相对损伤值计算方法得到相对损 伤度D^*(λ)₁～D^*(λ)₁₄。不同CCT范围内满足视看要求的SPD数量、平均损伤度指标、每条光谱损伤度值关系如图7、图8所示，其中图7为用于无机颜料制作的脆弱文物，图8为用 于有机颜料制作的脆弱文物。图7、图8中每个坐标点均代表一条SPD。

8、适用于中国脆弱文物照明的LED光谱及调节技术

根据图7、图8，综合考虑辐射损伤和视觉效果双重要求，并结合实际生产技术水平等其 他因素，得到满足视看要求的最低损伤LED光谱构成，如图9、图10所示，其中图9为用于 无机颜料制作的脆弱文物，图10为用于有机颜料制作的脆弱文物。

在中国脆弱文物照明中，首先根据被照物的材料特点选择该类文物的最适宜SPD，进而 在LED控制器中输入该SPD，即可在满足观赏要求的条件下实现对于这类文物的最低照明损 伤；当更换照明对象时，根据新被照物材料特点选择其最适宜SPD，进而在LED控制器中将 光谱调节为新的SPD，即可在满足观赏要求的条件下实现对于新被照物的最低照明损伤。因 此，本发明可利用一套系统实现不同类型文物的最低损伤照明。

如图11所示，如采用2700K的LED光源对采用无机颜料的《明皇幸蜀图》进行照明，在 光源控制器中输入图9中的红色SPD；如仍使用该光源对采用有机颜料的《牡丹图》进行照 明，只需在光源控制器中对输入谱线进行调节，将原光谱输出替换为图10中的红色SPD。

本发明还可为构造任意单色光构成光源系统的控制策略提供技术支持，对于任意单色光 波段构成的LED光源系统，利用本发明中采用的照射实验得到各单色光波段对各种中国脆弱 文物的相对损伤值，进而对迭代出的LED光谱进行筛选和评价，最终可得到相应单色光组成 光源系统最适用于中国脆弱文物的光谱控制方式。利用本发明中所提出的方法可构造出任意 单色光构成光源系统的控制策略，为博物馆等所有脆弱文物贮存展陈环境提供更多可选的中 国脆弱文物照明光源。同时，本发明中所采用的技术手段不仅可为获得最适宜于中国脆弱文 物的照明系统提供技术支持，也可为获得各类人、植物、动物等生物所处环境的最优照明系 统提供技术支持。

下面结合具体实例进一步详细说明本发明。

1、模型试件

以中国脆弱文物颜料制作实验用模型试件，颜料类型见表2。

表2中国绘画的颜料组成及特点

2、实验光源

由于中国脆弱文物照明要求光源中不能含紫外和红外光谱，因此选取可见光谱范围内的 10个典型波段单色光，用LED单色芯片制备实验光源。10个单色光源信息见表3，SPD见图 2。

表3实验光源信息表

序号	颜色	峰值波长(nm)	半带宽(nm)
				1	Royal Blue(宝蓝色)	445	20
2	Blue(蓝色)	480	20
				3	Cyan(青色)	500	30
4	Green(绿色)	525	30
				5	Lime(绿黄色)	560	30
6	Amber(琥珀色)	595	20
				7	Red Orange(橙红色)	615	20
8	Red(红色)	635	20
				9	Deep Red(深红色)	670	30
10	Far Red(紫红色)	720	20

3、实验方案

实验在专门制备的展柜中进行。照射过程中不同单色光源置于独立的展柜空间，利用黑 色隔板分隔不同组实验，避免各组间光照的相互干扰，见图3。对各组试件进行长周期照射， 每天12小时，6天为一个周期，整个实验持续20个周期，共计1440小时。调节各组光源的 功率，使各单色光源照射在对应试件上的辐照度相等，调节展柜内的环境参数，使之在整个 实验过程中保持一致和恒定，参数值见表4。

表4实验室室内温度、湿度及空气质量标准

4、参数检测

(1)采用PR-670光谱仪在经中国计量院标定过的D₆₅(OSRAM，L30W/965,6500±200K)D₆₅标准光源下测量试件的CIE LAB色坐标(a，b)和心理明度值L^*，测试装置如图4所示。

(2)基于所测得的色坐标(a，b)和心理明度值L^*，计算在十种单色光照射下，20个实验周期内颜料相对于初始状态△E^* ₀₀的色差值△E^* ₀₀₁～△E^* ₀₀₂₀，△E^* ₀₀的计算方法如下：

式中：K_L,K_C,K_H为参数因子,是一个与观察环境相关的校正系数。S_L,S_C,S_H为亮度、饱和度和色调权重因子,允许在CIELAB颜色空间中根据区域不同进行各自的调整，以校正视 觉空间中的均匀性。R_T为旋转函数，用于校正视觉感受中蓝色区域宽容量椭圆并不指向原点， 用该函数对椭圆进行旋转。

5、损伤数据分析

取每种颜料20个周期色差值的平均值作为该种颜料受照射单色光源辐射的损伤值。

式中i代表颜料种类。

我们认为构成某种文物的主要颜料所受单色光源的辐射损伤的平均值即可代表该种文物 受到的辐射损伤。所以取文物所含颜料受损伤值的平均值作为该文物受单色光源的损伤值。

式中，m代表文物种类，如中国传统重彩画等；j代表计算文物m中所含颜料的种类数。

最终得到相等能量十种波段由于和文物颜料不同的作用关于而导致的不用相对损伤值：

D_m(445):D_m(480):D_m(500):D_m(525):D_m(560):D_m(595):D_m(615):D_m(635):D_m(670):D_m(720)

＝a_m:b_m:c_m:d_m:e_m:f_m:g_m:h_m:i_m:j_m

式中，a_m-j_m分别为十种单色光波段对m文物的相对损伤值，为常数。

6、光谱拟合及迭代

根据光谱叠加定理可知，将十个单色光光谱叠加即可得到对应的LED光谱，图5为光谱 叠加方式。

一方面，由于十个波段对文物的损伤程度不同，因此首先需要考虑光谱叠加后对于脆弱 文物的损伤影响；另一方面，光谱构成还会影响显色性、色温、普朗克曲线偏移度等观赏效 果，因此还需考虑光谱叠加后对于观赏效果的影响。上述两方面指标均由光谱功率分布决定， 已知光源的光谱功率分布，即可计算出所有需要评价的参数值。十条单色光波段的光谱功率 分布是已知的，因此对十个波段的强度系数进行迭代，得到所有可能的光谱功率分布，进而 进行评价和选择，迭代算法流程图见图6。

7、光谱评价及选择

在视看观赏方面：目前对用于绘画等脆弱文物照明的光源要求为平均显色指数R_a≥90且 R₉＞0、2700K≤相关色温CCT≤4000K、普朗克曲线偏移度DUV≤0.0054，以上述指标作为评 价标准，将所有叠加光谱中的不符合项剔除，剩余部分即为能够满足观赏要求的光谱。

在光照保护方面：所选单色光波段对文物的损伤程度都是不同的，通过照射实验已经获 得了等能量单色光的损伤比例，让各单色光波段能量分别乘上其对应的相对损伤值并进行叠 加即为构成LED对某种文物的损伤值D。由于一种光谱中各单色光波段之间的峰值波长峰值 是一种相对值，为避免不同LED光源之间相互比较时，受到总能量不同导致的影响，对叠加 得到的损伤值进行除光源总能量的处理，得到迭代得到的所有LED的相对损伤值，各单色光 能量由下式可以得到：

式中，λ_0,n为中心波长为n种芯片的峰值波长，取值为1-10，分别为445nm、480nm、500nm、 525nm、560nm、595nm、615nm、635nm、670nm、720nm；Δλ_n为第n个单色光芯片的光谱半 带宽；为中心波长为λ_0,n的单色光芯片的相对光谱功率分布。

综合评价及选择：以100K作为间距对色温区间进行划分，将脆弱文物照明中2700K～ 4000K范围划分为14个色温区间，并在每个色温区间内利用相对损伤值计算方法得到相对损 伤度D^*(λ)₁～D^*(λ)₁₄。不同CCT范围内满足视看要求的SPD数量、平均损伤度指标、每条光谱损伤度值关系如图7、图8所示，其中图7为用于无机颜料制作的脆弱文物，图8为用 于有机颜料制作的脆弱文物。图7、图8中每个坐标点均代表一条SPD。

8、适用于中国脆弱文物照明的LED光谱及调节技术

根据图7、图8，综合考虑辐射损伤和视觉效果双重要求，并结合实际生产技术水平等其 他因素，得到满足视看要求的最低损伤LED光谱构成，如图9、图10所示，其中图9为用于 无机颜料制作的脆弱文物，图10为用于有机颜料制作的脆弱文物。

在中国脆弱文物照明中，首先根据被照物的材料特点选择该类文物的最适宜SPD，进而 在LED控制器中输入该SPD，即可在满足观赏要求的条件下实现对于这类文物的最低照明损 伤；当更换照明对象时，根据新被照物材料特点选择其最适宜SPD，进而在LED控制器中将 光谱调节为新的SPD，即可在满足观赏要求的条件下实现对于新被照物的最低照明损伤。因 此，本发明可利用一套系统实现不同类型文物的最低损伤照明。

如图11所示，如采用2700K的LED光源对采用无机颜料的《明皇幸蜀图》进行照明，在 光源控制器中输入图9中的红色SPD；如仍使用该光源对采用有机颜料的《牡丹图》进行照 明，只需在光源控制器中对输入谱线进行调节，将原光谱输出替换为图10中的红色SPD。

本发明还可为构造任意单色光构成光源系统的控制策略提供技术支持，对于任意单色光 波段构成的LED光源系统，利用本发明中采用的照射实验得到各单色光波段对各种中国脆弱 文物的相对损伤值，进而对迭代出的LED光谱进行筛选和评价，最终可得到相应单色光组成 光源系统最适用于中国脆弱文物的光谱控制方式。利用本发明中所提出的方法可构造出任意 单色光构成光源系统的控制策略，为博物馆等所有脆弱文物贮存展陈环境提供更多可选的中 国脆弱文物照明光源。同时，本发明中所采用的技术手段不仅可为获得最适宜于中国脆弱文 物的照明系统提供技术支持，也可为获得各类人、植物、动物等生物所处环境的最优照明系 统提供技术支持。

Claims (2)

1.一种适用于中国脆弱文物照明的LED光谱调节方法，其特征是，首先根据被照物的材料特点选择该类文物的最适宜光谱功率分布SPD，进而在LED控制器中输入该SPD；当更换照明对象时，根据新被照物材料特点选择其最适宜SPD，进而在LED控制器中将光谱调节为新的SPD，满足观赏要求的条件下实现对于新被照物的最低照明损伤。

2.如权利要求1所述的适用于中国脆弱文物照明的LED光谱调节方法，其特征是，具体步骤细化如下：

1)、搭建模型

以中国脆弱文物颜料制作实验用模型试件，颜料类型见表2：

表2中国绘画的颜料组成及特点

2)、构建光源

选取可见光谱范围内的10个典型波段单色光，用LED单色芯片制备实验光源，10个单色光源信息见表3：

表3实验光源信息表

3)、实施方案

在专门制备的展柜中进行，照射过程中不同单色光源置于独立的展柜空间，利用黑色隔板分隔不同组实验，避免各组间光照的相互干扰，对各组试件进行长周期照射，每天12小时，6天为一个周期，整个实验持续20个周期，共计1440小时，调节各组光源的功率，使各单色光源照射在对应试件上的辐照度相等，调节展柜内的环境参数，使之在整个实验过程中保持一致和恒定，参数值见表4：

表4实验室室内温度、湿度及空气质量标准

4)、参数检测

(1)采用PR-670光谱仪在经中国计量院标定过的D₆₅标准光源下测量试件的CIE LAB色坐标(a，b)和心理明度值L^*，D₆₅满足O SRAM，L30W/965,6500±200K；

(2)基于所测得的色坐标(a，b)和心理明度值L^*，计算在十种单色光照射下，20个实验周期内颜料相对于初始状态△E^* ₀₀的色差值△E^* ₀₀₁～△E^* ₀₀₂₀，△E^* ₀₀的计算方法如下：

式中：K_L,K_C,K_H为参数因子,是一个与观察环境相关的校正系数。S_L,S_C,S_H为亮度、饱和度和色调权重因子,允许在CIELAB颜色空间中根据区域不同进行各自的调整，以校正视觉空间中的均匀性。R_T为旋转函数，用于校正视觉感受中蓝色区域宽容量椭圆并不指向原点，用该函数对椭圆进行旋转；

5)、损伤数据分析

取每种颜料20个周期色差值的平均值作为该种颜料受照射单色光源辐射的损伤值。

式中i代表颜料种类；取文物所含颜料受损伤值的平均值作为该文物受单色光源的损伤值：

式中，m代表文物种类；j代表计算文物m中所含颜料的种类数，最终得到相等能量十种波段由于和文物颜料不同的作用关于而导致的不用相对损伤值：

D_m(445):D_m(480):D_m(500):D_m(525):D_m(560):D_m(595):D_m(615):D_m(635):D_m(670):D_m(720)

＝a_m:b_m:c_m:d_m:e_m:f_m:g_m:h_m:i_m:j_m

式中，a_m-j_m分别为十种单色光波段对m文物的相对损伤值，为常数。

6)、光谱拟合及迭代

根据光谱叠加定理可知，将十个单色光光谱叠加即可得到对应的LED光谱，一方面，由于十个波段对文物的损伤程度不同，因此首先需要考虑光谱叠加后对于脆弱文物的损伤影响；另一方面，光谱构成还会影响显色性、色温、普朗克曲线偏移度等观赏效果，因此还需考虑光谱叠加后对于观赏效果的影响，上述两方面指标均由光谱功率分布决定，已知光源的光谱功率分布，计算出所有需要评价的参数值，十条单色光波段的光谱功率分布是已知的，因此对十个波段的强度系数进行迭代，得到所有可能的光谱功率分布，进而进行评价和选择；

7)、光谱评价及选择

在视看观赏方面：平均显色指数R_a≥90且R₉＞0、2700K≤相关色温CCT≤4000K、普朗克曲线偏移度DUV≤0.0054，以上述指标作为评价标准，将所有叠加光谱中的不符合项剔除，剩余部分即为能够满足观赏要求的光谱；

在光照保护方面：所选单色光波段对文物的损伤程度都是不同的，通过照射实验已经获得了等能量单色光的损伤比例，让各单色光波段能量分别乘上其对应的相对损伤值并进行叠加即为构成LED对某种文物的损伤值D，由于一种光谱中各单色光波段之间的峰值波长峰值是一种相对值，为避免不同LED光源之间相互比较时，受到总能量不同导致的影响，对叠加得到的损伤值进行除光源总能量的处理，得到迭代得到的所有LED的相对损伤值，各单色光能量由下式得到：

式中，λ_0,n为中心波长为n种芯片的峰值波长，取值为1-10，分别为445nm、480nm、500nm、525nm、560nm、595nm、615nm、635nm、670nm、720nm；Δλ_n为第n个单色光芯片的光谱半带宽；为中心波长为λ_0,n的单色光芯片的相对光谱功率分布。

综合评价及选择：以100K作为间距对色温区间进行划分，将脆弱文物照明中2700K～4000K范围划分为14个色温区间，并在每个色温区间内利用相对损伤值计算方法得到相对损伤度D^*(λ)₁～D^*(λ)₁₄。