展陈照明光源光谱对光敏文物的辐照损伤研究

展陈照明中的光辐照会对光敏文物材料造成褪色、老化等辐照损伤,尤其对字画、染色丝绸、彩绘陶器等颜色非常丰富的光敏性文物损伤巨大,不利文物安全。国内外展陈照明标准为减少对文物的辐照损伤,严格控制照明标准水平,如光敏文物的照度仅50lx,不利于观众更加细致的欣赏这类文物。随着半导体固态光源Light emitting diode （LED）技术的发展,其光谱中不含对文物损伤最大的紫外和红外波段,与传统光源相比具有天然优势,能够实现在相同照度条件下对文物产生更小的伤害。并使得在不增加对文物损伤的前提下,提高照明环境亮度从而改善照明环境水平成为可能。然而,即使仅有可见光光谱,可见光光子能量仍会对材料造成不可逆的损伤。而LED光源光谱多样,甚至有较大差异,在LED光源大规模进入文物展陈照明领域时,如何科学指导博物馆文物照明光源的研发与应用,是改善文物展陈照明环境的关键问题。该研究对常见光敏文物材料进行可见光连续辐照下表面颜色属性变化的测量研究,通过制备常用的国画颜料和植物染料样品（国画颜料主要有硃磦、赭石、三青、花青、胭脂、炭黑、曙红、酞青蓝;植物染料主要有茜草、黄檗、栀子、靛蓝、槐米、苏木、紫草）,利用不同波长单色光和不同色温复合光的LED作为光源,对样品进行大剂量连续辐照实验。辐照过程中,定期测量材料表面颜色的色度学参数L*, a*, b*,以CIE 1976 L*a*b*均匀色空间色差计算方法,求算出不同光谱的LED光源辐照后样品的色差变化。再分别从辐射度学和光度学出发,对比分析具有不同光谱的LED光源对国画颜料和植物染料的长期辐照影响。实验结果表明：不论从辐射度学还是光度学角度分析,相同辐照剂量或曝光量照射后,单色光中短波长的蓝光辐照导致样品的色差最大,绿光次之,红光最小;而在复合光中,高色温LED光源由于蓝光占比较大,对样品的辐照影响明显高于低色温LED光源;目前利用光照度对博物馆照明环境进行评价时,由于蓝光对应的人眼视见函数数值较低,与辐射照度评价相比,蓝光辐照对文物的影响会被进一步低估;相同光照条件下,植物染料的老化程度总体高于国画颜料;黄色系的植物染料（黄檗、槐米）和红色系的国画颜料（硃砂、曙红）在光照过程中更易老化。因此,博物馆展陈照明的LED光源应严格控制蓝光成分,采用低色温的光源更有助于对文物的保护。在今后制定文物展陈照明标准时,应对光源的蓝光占比进行限制。此外,对于黄色系、红色系等光敏文物进行照明时,相应的展陈照明标准应更为严格。该研究对于LED光源在博物馆照明更加合理的研发与应用,以及未来博物馆展陈照明标准改进及照明条件改善具有重要指导意义。     

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。     

采集舌象用光源的光谱研究

在中医舌诊中,传统的光源通常为自然光甚至烛光,易受气候,环境干扰,不利于医生获得正确的舌苔色泽信息。文章引进人造光源作为对自然光源的补充或直接应用人造光源来代替自然光,能得到稳定和真实的舌态图像,获得科学严谨的诊断结果。不同的光源由于其各异的辐射光谱功率分布,显色性Ra和色温Tc的不同对同一物体照明会产生不同的颜色。文章选择了四种人造光源,通过光谱分析和分别照明时拍摄的相同图像[1]、舌象,用舌象视觉计算比较的方法选出了最佳光谱对应的光源,并在多个光学参数,色坐标容差椭圆等色度学参数上进行比较,得出一种最接近于自然光的光源,即PHILIPS YPZ220/18-3U.RR.D型光源,其色温为6 500 K的光谱特性及光学参数最接近自然光源,可作为采集舌象时的照明标准光源。此方法可为选择人造标准光源替代自然日光提供理论和实验依据。     

一种激光彩虹全息印刷品的颜色测量方法

由于激光彩虹全息印刷品表面光栅的特殊光学特性,其在白光下的成像会产生随机的彩虹干涉条纹,增加了全息印刷品颜色测量的难度。针对激光彩虹烟包印刷品的颜色测量问题,设计了一种全息印刷品的专用全息照明光源——穹顶光源,并以穹顶光源为照明基础构建了6通道线扫描电荷耦合器件(CCD)成像系统。在该环境下,采用基于主成分分析的光谱反射率重建方法对激光彩虹全息印刷品进行颜色测量。实验证明,提出的颜色测量方法,具有光谱重建精度高的特点,可以有效解决激光彩虹全息印刷品的颜色测量难题。     

光源特性研究与使用

本文从光源光谱分析人手,简述了常用照明光源发光原理和特点;并利用多功能光栅光谱仪对常用照明光源的光谱分布进行分析讨论,探讨了物理实验中光源使用的选择方法.     

用于植物病虫害诊断的多光谱成像系统

准确重建被测目标的颜色信息对实现可靠的植物病虫害诊断具有十分重要的意义。文章提出把多光谱成像技术应用于植物病虫害诊断,所采集的多光谱图像可以从光谱维和图像维反映被测目标的特征信息。在此基础上,实验采用16个窄带滤色片、单色面阵CCD、积分球混合光源照明和标准观测环境建立了能进行适时、无损检测的多光谱成像系统。并利用该设备对Macbeth色卡中8个色卡进行光谱和颜色重建,重建的结果与光谱辐射度计的测量结果进行了比较。通过对光谱匹配角度和CIE标准色差分析,证明这种多光谱成像系统能够准确、稳定地重建出目标的光谱信息和颜色信息。     

天然植物花卉的反射光谱在显示器中的颜色复制特征

基于sRGB颜色空间作为显示器的色彩显示的重要颜色空间,首次对天然植物花卉反射光谱在sRGB颜色空间的复制特征进行了研究。针对天然植物花卉颜色由CIE1931XYZ向sRGB颜色空间转换过程中在sRGB空间中的“剪切”现象,分析了九种典型光源下218种天然植物花卉的反射光谱在sRGB颜色空间的颜色复制误差。考虑到D65光源的特殊性,对D65下的复制做了重点研究。研究结果表明,天然植物花卉颜色由CIE1931颜色空间向sRGB颜色空间转换时,“剪切现象”是造成空间转换误差的主要原因,存在剪切现象时,如果颜色分量剪切程度较小,同样可以不会带来大的色差,仍可能得到较好的颜色复制效果;D65光源下,218个天然植物花卉光谱中有8个“橙黄色”光谱的颜色在sRGB颜色空间中存在“剪切现象”,占总光谱数目的3.7%;D65下天然植物花卉颜色在sRGB中颜色复制效果最好,而在A光源下最差。     

一种基于光谱可调LED光源和多光谱成像技术的物体表面颜色测量方法

针对传统多光谱成像颜色测量系统光谱反射率重建算法计算量大、操作繁琐耗时、成本高等缺点,提出一种由LED主动照明光源和黑白高速相机构建的多光谱成像颜色测量系统。采用多个单色LED拟合出相对光谱功率分布与相机光谱灵敏度曲线成倒数关系的照明光源,并利用黑白相机的输出响应直接重建物体的光谱反射率。实验结果表明,与分光光度计测量结果相比,该方法测量Macbeth ColorChecker 24标准色卡的光谱反射率的平均误差在2.3个CIELAB色差左右。该系统具有原理简单可行、不需要滤光片、光谱反射率重建算法简单快速等优点。     

用伪同色光谱图像检测色觉正常观察者的锥细胞光谱响应

为了能够快速、准确的检测色觉正常观察者的辨色差异，从而对其红、绿、蓝三通道的锥细胞光谱响应进行研究，设计并制作了由背景层（或和明度层）以及数字层组成的伪同色光谱图像，其中背景层和数字层具有不同的光谱反射曲线，经过照明光源以及人眼锥细胞光谱响应的共同作用，使色觉正常的观察者产生不同的颜色感知差异。实验首先基于不同光谱原色的输出设备，在不同的照明光源下，制作出能够放大观察者差异的近同色异谱色样对。要求用不同颜色匹配函数计算近同色异谱色样对的CIEDE2000色差值，有的色差在人眼辨色阈值之内，有的色差人眼可明显识别。通过优化计算，将放大观察者色觉差异的近同色异谱色样对应用于伪同色光谱图像的数字层和背景层，并利用Epson Stylus Pro7908喷墨打印机和OKI C9600激光打印机分别输出伪同色光谱图像的背景层和数字层。同时组织了72名色觉正常的观察者（包含55名18～25岁的年轻观察者和17名62～74岁的老年观察者）分别在D65和LED-5000K两种光源下，对伪同色光谱图像进行识读检验。识读结果表明，伪同色光谱图像可以较为准确的判定年轻和老年观察者的视网膜锥细胞光谱响应是否老化。同种照明光源下，年轻观察者可以识读出数字的伪同色光谱图像（②/④）老年观察者不能识读，老年观察者可以识读的伪同色光谱图像（①/③）大多年轻观察者不能识读，且55名年轻观察者中有4名观察者的目视结果与老年人相同。另外，年轻观察者的锥细胞光谱响应与CIE1964和CIE2006（age=25 y）颜色匹配函数较为一致，而老年观察者的锥细胞光谱响应与CIE1931和CIE2006（age=75 y）颜色匹配函数更为一致。对比颜色匹配函数的分布，发现老年观察者的锥细胞光谱响应向长波段偏移，同时由于屈光系统光学密度增加导致其锥细胞光谱响应有所降低。     

基于多光谱和sRGB空间的自然植物色的重现

多光谱成像技术在颜色科学方面的应用主要在于准确的记录和复制拍摄场景的颜色信息。针对目前基于光谱的颜色重现设备昂贵、复杂和实现起来困难的问题,提出了物体颜色从反射光谱空间向sRGB颜色空间变换的方案。在遵循sRGB标准的设备上重现了D65光源下的218种自然植物颜色,所显示的颜色与植物反射光谱实物对应的名称一致。对8个自然植物在9种不同光源下和在sRGB空间下的颜色进行了预测显示。所提出的方案对在网络环境下实现相同实物在不同照明环境下的场景显示提供了可行的途径。     

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。     

多基色混合白光LED显色性优化研究

为优化多基色混合白光LED的显色性,得到色彩生动的白光LED照明效果,以评价饱和红色的特殊显色指数R₉为研究对象,通过多基色光源混合白光LED的光谱功率分布的高斯数学模型,选取峰值波长λ_m、半波宽Δλ和幅值A为基色光源光谱功率分布的主要参量,并以“蓝光芯片+YAG黄色荧光粉”和“红、绿和蓝基色LED”为分析模型分别进行二基色和三基色混合白光LED显色性研究,讨论两种基色混合情况下三个参量对混色白光LED的显色性R₉贡献。结果表明：为使多基色混合白光LED的显色性更好,首先确定光源S1的峰值波长λ_m1、半波宽Δλ₁及幅值A₁;然后设定其他基色光源幅值A_i以求此条件下峰值波长λ_mi和半波长Δλ_i取值范围;最后在求得的峰值波长λ_mi和半波长Δλ_i取值范围,反求基色光源的最佳幅值A_iopt,从而使多基色混合白光LED的显色性达到最佳效果。该方法对分析基色混合白光LED的显色性具有理论参考价值。     

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。     

基于遗传算法选择多光源下的光谱反射率重构研究

为解决基于RGB三通道信息值重构光谱反射率精度不理想的问题,提出了一种优化的基于RGB三通道信息的光谱反射率重构算法。首先编码产生随机选择多个光源的个体,RGB三通道值通过多项式回归算法预测多个光源下的三刺激值,并采用伪逆法进行多光源下的光谱反射率重构,然后将样本的重构精度作为个体的适应度评估值,以优胜劣汰,适者生存为原则对个体进行选择、交叉、变异操作,最后得到适用于颜色样本光谱重构的多个光源与基于这些光源重构得到的光谱反射率。实验选用Munsell颜色集作为训练样本集,RC24色卡、SG140色卡作为检测样本集,8个标准光源和82个发光二极管光源作为实验光源,采用该算法从90个光源中选取最优的光源组合并重构得到样本的光谱数据,并与Zhang提出的基于穷举法选择的多光源下的光谱重构方法和A光源下的伪逆法进行了重构精度对比。实验结果显示该研究提出的方法随着光源个数的增加,光谱反射率重构精度提高,特别是光源个数增加到3时,光谱重构精度提高的幅度最大。在三种重构方法中,该方法重构RC24的平均色差和平均光谱均方根误差分别为0.332 4和0.002 9,而Zhang的方法与伪逆法的平均色差分别为0.429 3和3.266,平均光谱均方根误差分别为0.029 7和0.004 8;该文方法重构SG140的平均色差和平均光谱均方根误差分别为0.486 2和0.007 3,而Zhang的方法与伪逆法的平均色差分别为0.544 8和3.821 9,平均光谱均方根误差分别为0.035 6和0.013 3。结果表明基于多光源下的光谱反射率重构精度明显优于基于单个光源下的重构精度,而基于遗传算法的多光源选择方法又优于穷举法,它能够根据颜色样本自动寻找到最优光源组合,从而基于最优多光源下的三刺激值重构样本的光谱反射率,提高了光谱反射率重构的精度。     

一种基于视觉评价的白光LED显色指数改进算法

现行的CIE显色指数对白光LED的评价结果存在与视觉感知不符的问题,需要新的显色指数计算方法或对CIE显色指数进行改进。提出了一种基于视觉实验改进的计算白光LED显色指数的新方法。通过色块样本的光谱反射比与光源相对光谱功率分布之间的关系,改进了显色指数计算公式,得到改进后的显色指数。把CIE显色指数与改进后的显色指数分别与视觉评价结果进行对比,证实了改进后的显色指数更符合视觉评价结果。     

中间视觉条件下光源光谱对人眼视亮度的影响

基于MOVE模型和对多种光源发射光谱的测量,计算得到不同环境亮度条件下人眼光谱效率函数的明视觉函数权重x和中间视觉等效亮度。结果表明,在中间视觉范围内,随着亮度水平的降低,人眼视觉函数曲线峰值强度逐渐加强,且向短波方向发生移动,变化幅度与光源s/p指标成反比,在环境亮度为0.5 cd·m-2的情况下,峰值强度较明视觉函数均提高30%以上。与传统的测试结果相比,荧光灯、不同色温的白光LED中间视觉等效亮度呈正增益,增益幅度达40%,而高压钠灯则呈现负增益效果;随着环境亮度的提高,增益幅度均呈减小的趋势;当达到完全由视锥细胞作用的亮度水平,等效亮度将等于明视觉亮度。该方法及结论有利于更为科学、准确的评价光源及发光材料的光谱和视亮度特性。     

宽波段太阳辐照度仪光谱定标方法研究

宽波段太阳辐照度仪采用fèry棱镜分光,利用线阵CCD反馈控制光谱扫描,波长覆盖范围为400~2 500nm.为实现该仪器的高准确度光谱定标,在实验室内利用单波长激光器和OPO激光器分别作为光源.通过光谱扫描,得出定标波长与CCD像元的对应关系.根据棱镜参量和光路设计参量推导出全波段内光谱定标方程,实现全波段光谱定标.通过与其他特征波长比较,分析得出光谱定标合成不确定度优于0.5nm.用定标好的仪器进行室外测量,将测量结果与大气辐射传输软件modtran4模拟结果相比对,可得实际测量的大气吸收峰与模拟结果一致.将该方法在红外波长区域定标结果与传统的多项式拟合光谱定标方法对比,显示该定标结果优于传统多项式拟合方法.证明该定标方法的正确性和仪器设计的合理性.     

基于宽带多通道的光谱反射率重建方法研究

复制的多光谱数据获取要求图像数据具有设备无关、场景无关特性,能够真实客观表征物体颜色信息。针对获取系统扰动、噪声误差以及光谱重建中训练样本典型代表性与相关性要求,提出了基于正交回归的光谱重建算法,并通过子空间跟踪的训练样本选择算法,选择重建样本与训练样本集中相关性与代表性最好的样本参与光谱重建。实验通过改造后的仙娜宽带多通道成像系统进行验证,数据表明本文提出的方法,所选训练样本能较好的表征样本空间并具有较好的正交性,在宽带多光谱成像方面,重建光谱平均色度误差为3.6,其光谱精度与色度精度较其他方法具有明显提高。     

变色硬水铝石的光谱学特征及其变色机理

硬水铝石(α-AlOOH)是铝土矿的主要组成矿物之一,常用于工业提炼铝以及制作耐火材料。近年来,一种具有变色效应的硬水铝石晶体开始在市场中出现。采用X射线荧光能谱仪、红外光谱仪、拉曼光谱仪、紫外可见近红外分光光度计以及测量颜色参数等方法获得了变色硬水铝石和无变色效应硬水铝石的光谱学特征,并探讨了其变色效应的成因。变色硬水铝石在日光下常呈黄绿色而在白炽灯下呈褐红色,其红外光谱与拉曼光谱与普通硬水铝石的特征峰较为一致,其中红外光谱中的特征峰主要集中在400~1 200,1 800~2 110和2 900~3 000 cm-1三个范围内,拉曼特征峰则主要位于154,331,448,665和1 189 cm-1附近。对比化学成分分析和紫外可见吸收光谱的测试结果,认为Fe3+和Cr3+的d-d电子跃迁导致变色硬水铝石在可见光绿-黄绿色光区(500~560 nm)和橙黄-红色光区(600~780 nm)的透射程度较为接近,环境光源中红光和绿光相对功率分布的差异使硬水铝石产生变色效应。对变色硬水铝石在模拟日光和白炽灯光条件下的颜色参数进行了测定,结果显示不同光源下样品颜色参数a*和h₀的变化,可定量地描述变色硬水铝石的变色效应。为硬水铝石的应用拓展、性能改善以及氢氧化物材料光学性质的深入探讨提供了科学依据和数据支持。