适用于中国脆弱文物照明的LED光谱调节方法技术

本发明专利技术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，本发明专利技术采取的技术方案是，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。本发明专利技术主要应用于文物保护场合。

LED Spectrum Adjustment Method for Lighting Fragile Cultural Relics in China

The invention belongs to the interdisciplinary field of cultural relics protection and light source technology. In order to obtain different types of Chinese fragile cultural relics lighting, the minimum damage spectra should be adopted respectively. The LED spectrum adjustment technology suitable for the illumination of fragile cultural relics in China is proposed. On the premise of meeting the ornamental requirements, the minimum lighting damage of different fragile cultural relics can be achieved. To this end, the technical scheme adopted by the present invention is to select the most suitable spectral power distribution SPD for the illumination of fragile cultural relics in China according to the material characteristics of the objects to be illuminated, and then input the SPD into the LED controller. When replacing the illumination objects, the most suitable SPD is selected according to the material characteristics of the newly illuminated objects, and then the spectrum is selected in the LED controller. It is adjusted to a new SPD to achieve the minimum lighting damage to the new object under the condition of meeting the ornamental requirements. The invention is mainly applied to the occasion of cultural relics protection.

【技术实现步骤摘要】
适用于中国脆弱文物照明的LED光谱调节方法
本专利技术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。
技术介绍
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/T23863-2009)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,SpectralPowerDistribution)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Ra≥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)。该专利技术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。根据该专利技术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。该专利技术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)。该专利技术公开了一种多色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)。该专利技术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-WLED、PC/R-WLED、QD-WLED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-WLED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)：15本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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CIELAB色坐标(a，b)和心理明度值L*，D65满足OSRAM，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：KL,KC,KH为参数因子,是一个与观察环境相关的校正系数。SL,SC,SH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。RT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...

【专利技术属性】
技术研发人员：党睿，王楠，谭慧姣，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12