便携式拉曼光谱用于文物及文物保护材料光老化作用的快速评价

文物保护与考古工作者最为关心的是从文物中无损提取各种有用信息,了解文物老化状况,以便采取合适的保护措施.文章选用桑蚕丝、书画和彩绘文物常用材料印章、胭脂、朱砂、朱膘国画颜料为样品,采用便携式拉曼光谱仪检测样品在紫外光辐照前后光谱变化,进行文物光老化研究.结果表明,在360 nm波长,照度0.68 w·m-2的紫外光下.蚕丝样品47 h发生明显降解现象;便携式拉曼光谱仪采集的光谱能清晰鉴别出印章印泥种类和来源,灵敏检测出印泥和其他国画颜料经163 h紫外辐照后发生氧化分解及颜料分子结构的变化.该工作为文物现场检测、研究实际环境因素对文物影响作用,为研究文物衰变规律提供了一种便捷检测手段.     

基于光谱分析的彩绘文物照明光源损伤度评价方法

光源中的光谱辐射是造成彩绘文物褪色、变色等颜色受损的重要原因,但不同光源的光谱功率分布不同,不同材料对各个波段光谱能量的吸收反射特性各异,导致在相同曝光量下对彩绘文物造成的色彩损伤程度有很大差别,特别是随着光谱构成灵活的LED(light emitting diode)在文物照明中的大量应用,如何对光源进行照明损伤度评价是目前亟待解决的关键问题。本研究在恒温恒湿条件下,以10种不同波段窄带光谱作为实验光源、以17种典型彩绘文物颜料作为实验样本开展累积1 440 h的照射实验,以240 h为周期测量样本的CIE L*a*b*色彩参数并转换为色差指标。绘制在10种窄带光谱照射下17种颜料的色差随曝光量变化曲线,基于曲线分析明确不同波段光谱对各类颜料的色彩损伤响应规律,并拟合得到颜料对光谱的响应函数,建立彩绘文物照明光源的光谱损伤度评价公式。研究结果表明：首先,无论在何种波段的光谱照射下,颜料平均色差随着曝光量的增加而增加,但增加幅度越来越小;其次,在相同曝光量下,波长越短的光源对颜料损伤越大,不同峰值波长对颜料色彩的影响比例为447 nm∶475 nm∶500 nm∶519 nm∶555 nm∶595 nm∶624 nm∶635 nm∶658 nm∶733 nm=1.000∶1.096∶0.816∶0.921∶0.853∶0.777∶0.814∶0.796∶0.706∶0.674;第三,基于光谱构成差异的光源损伤度评价公式为D=∫780₃₈₀S(λ)〈0.468exp｛-[(λ-462.9)/17.75]2｝+0.6279exp｛-[(λ-535.1)/12.13]2｝+0.813 5exp｛-[(λ-527.7)/463]2｝〉dλ,当使用光谱仪测得任意光源的相对光谱功率分布函数S(λ)后,将所测数据代入公式便可计算出待测光源的色彩损伤值D,成果可为彩绘文物照明中的光源选择和准入判定提供依据。     

拉曼光谱和色差法在丝质文物色彩损伤评估中的比较

丝质文物是博物馆内的重要藏品之一,具有极高的文化、艺术、历史价值。作为一种性质不稳定的蛋白质有机构成材料,丝质文物极易受到光学辐射而发生泛黄等色彩损伤,尤其是在Light Emitting Diode(LED)得到广泛应用的博物馆光环境中。如何针对馆藏丝质文物色彩损伤进行科学评估是本研究要解决的主要问题。色差评估法是分析博物馆照明对文物色彩损伤的有效手段,但是存在相应的局限性,无法对色彩损伤的诱导期进行评估。由于文物发生色彩损伤的根本原因在于材料内部分子结构发生光化学反应,理论上说,从微观分子层面研究的拉曼光谱法能够更加科学地评估丝质文物色彩损伤。本研究将拉曼光谱引入博物馆照明领域,对比色差评估结果验证拉曼光谱色彩损伤评估的可行性和科学性。通过构成四基色LED的450, 510, 583和650 nm四种窄带光对丝质样品开展长周期照射实验,分别以CIE L*a*b*色差和拉曼光谱作为评估指标,计算得到基于两种评估方法的不同窄带光对丝质文物的色彩相对损伤系数,分别为450 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=1.00∶0.63∶0.48∶0.32和450 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=1.00∶0.69∶0.47∶0.27。结果一方面表明,两种方法得到的四种窄带光对丝质文物的色彩损伤趋势是一致的,即450 nm>510 nm>583 nm>650 nm,波长越短对丝质文物的色彩损伤程度越大,说明拉曼光谱是一种能够量化评估丝质文物色彩损伤的可行方法;另一方面表明,基于拉曼参数计算的色彩相对损伤系数的比例差异更大。丝质样品的老化过程中存在诱导期。色差法难以分析丝质样品诱导期的色彩变化,而拉曼光谱分析则可灵敏地检测出相应的分子结构变化,包括诱导期。因此,拉曼光谱法能够对丝质文物的色彩损伤进行更加科学地评估。同时,研究得到的构成LED光谱的四种窄带光对丝质文物色彩相对损伤系数,可以为这类光源在丝质文物照明中的损伤度评估和博物馆准入评估提供依据。     

生物节律因子的调光计算

针对光生物效应重要性及复杂性问题,提出一种生物节律因子的调光计算方法。给定三通道LED工作在额定条件下的光谱分布就能够实现任意比例的混合光源的照度、相关色温、节律因子的便捷计算。实验选用三种色温白光LED组成三通道光源,基于脉冲宽度调制（PWM）原理进行三通道分时调光。在某一照明测试空间距离下,先测得单通道独立工作时的光谱分布,并通过调光计算方法得到三通道在任意比例下混合光源的理论照度、相关色温、节律因子;再测得三通道光源在不同混合比例下的实际照度、相关色温与节律因子。然后将理论与实际计算所得的照度、相关色温、节律因子进行比较,并分析误差。实验结果表明,照度、相关色温、节律因子的多条拟合直线与调光计算式所描述直线的斜率差异分别在6%、2%、3%以下,截距差异分别在2%、5%、3%以下。用显著性差异检验来检验实际节律因子与理论计算所得节律因子的正态分布特性,结果显示并无明显差异,表明在给定各LED光源光谱分布的情况下,调光计算方法不用通过测量混合光源光谱分布,便能快速有效地计算出混合光源照度、相关色温、节律因子。     

红外光谱技术在馆藏丝绢文物照明损伤度评价中的应用

馆藏丝绢文物具有极高的历史价值和艺术价值,但是丝绢材料却极易在展陈照明过程中发生开裂和脆化。由于红紫外光对于文物照明没有贡献,因此实现丝绢文物有效照明保护的基础,是找到评价可见光对于丝绢材料照明损伤度的有效方法。机械损伤是丝绢文物最主要的光化学损伤形式,本质上是其内部的分子结构发生了改变,而常用的色差法和拉曼光谱法均因自身局限性无法有效测取丝绢文物的微观结构。研究表明红外光谱法适用于测取丝绢文物的微观变化,且光谱中表征酪氨酸和结晶度的特征信号能够有效反映紫外光对于丝心蛋白结构和性质的影响,但是两者表征可见光对于丝绢材料照明损伤度的有效性目前仍有待明确。通过十种窄带光源的辐照实验得到了丝绢文物的光老化样品,并基于样品的红外光谱分析定义了酪氨酸指数T_FTIR和结晶度指数C_FTIR两种损伤评价参数。在使用T_FTIR和C_FTIR描述可见光对于丝绢样品照明损伤规律的基础上,进一步分析了两者表征丝绢材料对可见光波长λ和曝光量Q耦合响应的性能。对Q与T_FTIR的相关性分析结果表明：除595n...     

照明光源及纸张色彩对传统书法作品展陈喜好的影响

书法是中国传统文化独有的文字艺术表现形式。书法作品的展陈喜好,其实质为色彩组合喜好中的色彩图形喜好问题。本研究针对现阶段书法作品展陈方式在颜色科学层面缺乏合理依据的问题,以主客观实验为基础,就照明光源及纸张色彩对传统书法展陈喜好的影响进行了分析与讨论。研究首先通过相关色温2 500, 3 500, 4 500, 5 500和6 500 K共五种典型LED照明光源相对光谱功率分布以及白色、黄白、浅白、红色、橙色共五种典型书法纸张光谱反射率信息的测量,获取光源及纸张色彩原始信息,并分别将其转换至CIEXYZ以及CIECAM02颜色空间。随后,将光源及纸张色彩属性与基于40名观察者心理物理学实验的1 000组书法展陈喜好数据进行关联性分析,进而从相关性分析、多元回归分析以及正态分布分析等多个统计学角度对传统书法作品展陈喜好的影响因素进行讨论。实验结果显示,传统书法作品展陈照明喜好与普通场景色彩喜好相比具有显著的特殊性,其喜好程度与明度对比、色相对比等色彩属性相关性较低,而主要受光源因素的影响。本研究的开展,将为当前传统书法作品的展陈照明工作提供有效的理论与方法参考,对于当前博物馆及美术馆的光源设计工作具有一定的指导意义。     

不同调光方式LED照射下的人体非视觉效应

分别采用模拟调光和PWM调光方式实现LED光调节。采用生理参数法,以在校大学生为研究对象,选择3种色温(3 000,5 600,6 500 K)LED光源,在3种照度(300,500,800 lx)水平下,对8名(5男,3女)受测者在实验前后的脉搏和瞳孔进行测量。选择同样3种色温LED光源,分别采用两种调光方式添加蓝光(464nm,20 lx)实现300 lx的照明环境,对12名(8男,4女)受测者在实验前后的脉搏和瞳孔进行测量。结果表明:两种调光方式实现的LED光环境对人体脉搏变化率和瞳孔收缩率的影响均没有显著性差异;在测试照明环境中添加蓝光,可引起人体脉搏变化率和瞳孔收缩率增大,峰值处分别增加约6%和9%。     

红/绿/蓝/暖白4色LED白光温度光谱优化方法

研究了一个基于高斯模型和双高斯模型的温度变化光谱模型,并基于脉冲宽度调制（PWM）调光的红/绿/蓝/暖白（R/G/B/WW） 4色LED混合白光进行了实验验证。结果表明,在20～90℃温度范围内,当相关色温为3000、5000、6500 K时,光源参数（照度、显色指数、相关色温、蓝光危害因子和节律因子）的最大相对误差为3.79%。基于该模型,采用自适应差分进化（JADE）算法获取R/G/B/WW发光二极管在不同温度下的补偿占空比,并建立光谱优化模型以消除温度对光源光谱及其光源参数的影响。结果表明,优化补偿后的光谱与初始温度光谱基本一致,光源参数最大相对误差为2.62%。     

碳点-纤维素复合红色发光材料制备及性能EI北大核心CSCD

白光LED器件作为新一代绿色固态照明光源,已广泛应用于照明、液晶背光等领域,也与智能照明、物联网技术等高新科技产业密切相关。常用的蓝光芯片复合黄光YAG∶Ce^(3+)(Y 3Al 5O 12∶Ce^(3+))荧光粉的白光器件由于缺少红色光谱的成分,导致器件光谱较窄,显色指数较低,色温偏高。因此,红色荧光粉对改善白光LED的光色品质起到了重要作用。本文首先制备了红色碳点(量子效率28%),通过把红色碳点与纤维素复合,制备了红色荧光粉(量子效率为18%)。该红色荧光粉与黄光YAG∶Ce^(3+)荧光粉混合,封装得到暖白光。结果表明,相较于只有黄光YAG∶Ce^(3+)荧光粉封装的LED,红色荧光粉掺杂之后,在460 nm蓝光芯片的激发下,白光LED的色坐标由(0.30,0.33)变化到(0.33,0.35),色温从7396 K下降到5714 K,显色指数从78.2升高到82.9,实现了由色温高、显示指数低的冷白光向色温低、显色指数高的暖白光的调节。     

白光LED用YVO4∶Tm3+蓝色荧光粉的制备及发光性能

白光LED是指稀土掺杂的荧光粉被蓝光芯片或紫外芯片激发后获得各种室温发白光的器件。该种光致发光的实现方式是一种新型全固态照明光源，具有节能、环保及绿色照明等优点，被誉为第四代照明光源。对于现代设施农业，480～500nm之间的蓝光有一种调整植物节律的作用，对植物生长是有益的。蓝光在绿色植物的光合作用和光形态中起着重要的作用，绿色植物通过叶绿素、胡萝卜素、叶黄素和光敏素来捕获太阳光进行光合作用，适合植物生长的LED灯可提高光合作用效率，但传统的光源由于光质问题难以调节光波长，在这种情况下，需要将太阳光谱成分中380 nm以下的紫外光转换成蓝光，可提高作物光能利用率。所以，高光效、高热稳定性蓝色荧光粉已成为全光谱照明、光生态农业等领域的重要材料。蓝色荧光材料在近紫外(NUV)芯片激发的白光用发光二极管(W-LED)的制造中起重要作用。采用高温固相法制备YVO₄∶Tm³⁺蓝色荧光粉，通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、荧光光谱仪等检测手段对样品的物相结构、表观形貌及发光性能进行表征分析。结果表明：通过高温固相法1 100℃下煅烧2 h可以制备出YVO...     

In situ investigation of synchrotron radiation damage effect of ancient paintings by time-resolved ED-XAS and IR combined techniques

Advanced synchrotron radiation light is a powerful tool for archaeometry research. However, its applications to precious cultural relics, especially for color painting, have been hindered to some degree due to potential X-ray radiation damage. Compared to inorganic mineral pigments, organic binders in the painting are easier to be damaged by synchrotron radiation X-ray beam. The radiation damage effect of two typical painting samples, pure rabbit skin glue and the mixed sample of rabbit skin glue and zinc white, has been investigated by in situ time-resolved ED-XAS and IR combined techniques. The results show that the radiation damage effect of pure rabbit skin glue is more serious at low X-ray energy (7775 eV). The radiation damage effect of the mixed sample increases significantly due to more X-ray absorption by inorganic pigments. Furthermore, the radiation damage is more serious at the energy near Zn K-edge and is somewhat slight at higher energy (13,054 eV). These damages are more obvious from the point of view of protein secondary structures. The irradiation damage effects increase more rapidly at the beginning and are not linear with the irradiating time. The results indicate that synchrotron radiation damage can be reduced effectively by using X-ray energy far away from the X-ray absorption edge of the major element in the pigments during XRF, XRD and CT experiments, or by using time-resolved techniques such as QXAFS and ED-XAS during XAFS experiments.     

Application of PWM dimming based on Grassmann optical model北大核心CSCD

针对发光二极管（light-emitting diode,LED）光源颜色和光通量精准调控难度高,在生产应用中,调控操作需在电脑等设备上进行的问题,基于格拉斯曼颜色混合定律,结合脉宽调制(pulse width modulation,PWM)调控LED的特性,建立表示PWM与LED照度关系的数学模型,以STM 32微控制器为核心设计了三基色LED调光调色系统。对系统分别进行单色、双色和3色的混光照度实验,数字照度计的测量值与光照数学模型的理论值对比结果表明,该系统在0~370 lx区间内系统的光源照度误差≤4%,合成光色共16 777 216种,且对光源颜色和光通量的调控操作可直接在系统上完成,无需接入其他设备,减少了操作流程,满足工业视觉检测、农作物补光照明和文化旅游对光源颜色和照度的需求。     

LED蓝光泄露安全性研究

研究了LED照明器件的蓝光特性。针对我国的LED照明现状,通过测试LED照明器件的光谱成分,根据现行国内外标准GB/T 20145—2006/CIE S009/E:2002和IEC62471：2006,以及CTL-0744_2009-laser决议,分析了LED光生物安全性,给LED照明灯具制造和相关安全性标准、法律制定提供参考。LED中蓝光的辐亮度值低于100 W·m-2·Sr-1时对人眼属于无危害类型,正常使用情况下不会对人眼造成伤害,但是应该注意对特殊人群(小孩)的保护,避免长时间直视光源。灯具富蓝化也会影响人的作息规律,因此色温4 000 K以下,显色指数80的LED灯具适合在室内使用,同时还要根据不同的使用距离选择不同的参数的灯具。     

唐代苏同家族墓天王俑彩绘的光谱分析

天王俑是中原地区的达官贵人墓葬的镇墓俑,是唐墓葬冥器中重要的一种神煞俑。为探究天王俑彩绘颜料的组成元素以及彩绘工艺,使用X射线荧光光谱分析了陕西省咸阳市渭城区苏同家族墓KTJ-2019-019M2、 KTJ-2019-019M3坑出土的天王俑彩绘区域的元素组成。分析结果表明陶俑表面金色贴片主要为金箔(Au);红色颜料的组成元素则是Hg、 S以及少量的Pb、 P;蓝色颜料和绿色颜料的组成元素均为Cu,白色颜料的组成元素为P、 S、 Pb。使用拉曼光谱对彩绘颜料层的鉴定物相,使用拉曼光谱分析技术对彩绘层分析结果确定了红色颜料的主要组成物相为朱砂(HgS)和铅丹(Pb₃O₄)的混合颜料;蓝色颜料的主要组成物相为石青;绿色颜料的主要组成物相为石绿;白色颜料的组成物相可能为铅白。进一步使用XRF面扫描技术分析了天王俑的彩绘工艺,解析金、红、蓝、绿色区域的组成元素位置,发现陶块样品中的M₂-1金色陶块、 M₃-1白色陶块、 M₃-2红色陶块、 M₃-3蓝色陶块、 M<...     

登陆艇光学对中方法及LED引导光源设计

设计了基于引导光源颜色/相对位置的登陆艇光学对中方法,登陆艇驾驶员通过不同颜色引导光源间的相对位置判断其是否偏航以及偏航的程度,从而提高登陆艇快速入舱的精度和安全.引导光源以横纵向90°视场角的光束对最远200m海面进行均匀照明,采用CREE XPE型号的LED,通过改进的网格映射法设计自由曲面透镜以获得要求的矩形照明光场,仿真与实验结果表明,所设计的LED引导光源可以满足登陆艇光学对中系统的照明要求.     

基于色差分析的中国淡彩绘画保护性照明光源

为得到博物馆照明光源对中国传统淡彩绘画的色彩影响规律,并确定不同类型中国传统淡彩绘画的最低损害光源,以3种博物馆典型照明光源作为实验光源,分组照射中国传统淡彩绘画模型试件,对模型试件的CIE LAB色度数据进行周期性测量。基于实验数据计算不同周期色差变化值,并绘制色差随曝光量的周期性衰变曲线。进而对色差值变化数据进行回归分析,拟合得到不同光源对4种淡彩绘画颜料的相对影响函数公式,提出不同光源对各类型淡彩绘画的相对影响系数。结果表明：3种照明光源对工笔淡彩绘画的影响系数为K_金卤灯：K_卤钨灯：K_WLED=1.00：0.92：0.84;对小青绿淡彩绘画的影响系数为K_金卤灯：K_卤钨灯：K_WLED=2.05：1.71：1.65;对水墨淡彩绘画的影响系数为K_金卤灯：K_卤钨灯：K_WLED=1.17：0.94：0.91。在淡彩绘画照明保护性照明光源选择时,应选择RYGB型WLED光源。     

LED阵列光源的舞台灯变焦透镜系统

 针对国内大功率LED阵列光源舞台灯具在光束角度不可变和光能利用效率低等问题,提出利用透镜组变焦原理来设计阵列光源变焦透镜系统。基于透镜组变焦原理设计了单颗LED光源的变焦透镜组,高级光学系统分析模拟软件ASAP的计算结果显示：调焦范围为0~10 mm时,出光角度（1/10峰值角）的变化范围为18.5°~38.7°,光能利用效率在调焦距离为10 mm时达到78%以上。在此基础上,将单颗LED光源的变焦透镜组扩展为Red、Green、Blue各12颗共36颗LED的变焦透镜系统,进一步分析36颗LED阵列光源在不同排布方式下的出光角度及混色效果。ASAP计算结果显示：在调焦范围与单颗LED相同的情况下,LED阵列光源变焦透镜系统的出光角度（1/10峰值角）的变化范围为21°~38.6°,且3种颜色LED交叉排列的混色效果较好。由LED阵列的计算结果可知,与国内现有的大功率LED舞台灯具相比,在出光角度的变化范围和光能利用效率方面都得到了提高。     

构成白光LED的单色光对中国淡彩绘画色彩的影响

为得到构成白光LED光谱的主要单色光对中国传统淡彩绘画色彩的影响规律,确定不同波长单色光对绘画色彩的量化损伤程度,进而根据研究结果得到最低损伤白光LED的光谱功率分布,以构成白光LED光谱的4种主要单色光作为实验光源,分组照射中国传统淡彩绘画模型试件。在每个照射周期后,对试件的色彩参数进行检测,根据检测数据绘制主波长、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为482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=8 147∶9 067∶9 772∶9 121;对兴奋纯度的影响关系为482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=89 446∶85 250∶76 895∶69 229;对亮度的影响关系为482 nm∶510 nm∶583 nm∶650 nm=137∶238∶190∶177。