快科技资讯 10月02日 13:07
文物展柜玻璃反光成因与解决之道
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参观博物馆时,展柜玻璃的反光常常影响观赏体验。本文深入浅出地解释了玻璃反光的物理原理,指出普通玻璃因折射率差异导致约8%的光线反射。为解决此问题,文章介绍了减反射玻璃(低反射玻璃、抗反射玻璃)的技术,包括表面刻蚀和镀膜两种主要工艺,通过改变表面结构或利用干涉相消原理大幅降低反射率,甚至可达1%左右。文章同时强调,高质量减反射玻璃的制造成本高昂,博物馆的采购预算是关键因素。此外,光线强度和布光设计对反光效果同样至关重要,合理的内部弱光和外部光源控制能进一步提升观展体验。最终,实现“无反光”展柜是科技与设计的综合体现,需要资金支持。

🧐 **玻璃反光的物理成因**:玻璃之所以会反光,是因为光线在穿过不同介质(如空气与玻璃)时,由于折射率的差异,一部分光线会在界面发生反射。普通玻璃的折射率约为1.5,空气约为1,光线在进入和离开玻璃时,约有4%的光线会被反射,总反射率约为8%。这种反射会干扰我们清晰地看到展品,降低了照片的艺术感。

💡 **减反射玻璃的技术原理**:为了减少反光,人们研发了减反射玻璃。其主要技术分为两类:一是通过对玻璃表面进行刻蚀,使其表面粗糙化,分散反射光线;二是更常见的方式是对玻璃表面进行镀膜。镀膜通过精确控制厚度和折射率,利用相消干涉原理,使反射光相互抵消,从而大幅降低反射率,甚至降低到1%左右。镀膜还能充当空气与玻璃之间的“缓冲地带”,进一步减少反射。

💰 **高成本与多重考量**:高质量的减反射玻璃制造工艺复杂,对膜层厚度和附着力要求极高,导致其制造成本非常高昂。此外,许多博物馆还对展柜玻璃有特殊需求,如阻隔紫外线以保护文物,以及保证玻璃在长期使用中不变形。这些额外要求进一步推高了“好玻璃”的价格,例如北京画院和国家博物馆的展柜采购预算都高达数百万。这表明,实现理想的无反光观展效果,需要充足的资金支持。

🔦 **光线与布光设计的影响**:除了玻璃本身的特性,光线条件和布光设计对反光效果也起着决定性作用。例如,在夜晚室内光线强于室外时,更容易看到窗户上的室内影像。对于展柜而言,控制内部光线强度弱于外部,以及合理布局光源,避免直射和眩光,确保展品受光均匀,是减少反光、提升观赏体验的重要手段。不合理的布光可能导致灯泡影像出现在展柜玻璃上,影响观展。

好不容易去趟博物馆,看到精美的文物想拍张照片发个朋友圈,可拍完却发现展柜玻璃的反光让拍出来的照片艺术感瞬间全无。

反光严重影响了拍到的展品,小红书@大紫地瓜可为什么有些人拍出来的文物看起来就像没有玻璃一样?

兽首外面的玻璃几乎看不见,小红书@Eleven二狗难道网上说的“好玻璃不反光”是真的?确实是,好的玻璃真的不反光,或者更准确地说,它们的反射率更低。

玻璃透光但也反光

玻璃反光这个现象在生活中实在是太常见了。玻璃反光和玻璃本身及光线的明暗、照射角度等都有关系。我们先从玻璃本身说起。玻璃虽然能够透过大部分的光线,但它们在透过光线的同时,也会反射一部分光线。

这和玻璃以及空气的折射率差异有关。一般玻璃的折射率大约是 1.5,而空气的折射率大约是 1。折射率的差异不仅会让光在穿过两种介质的时候发生偏折,还会让光线在经过两种介质界面的时候发生反射。

光在照射到玻璃表面的时候,大约有 4% 的光线会被反射回来。而当光线进入玻璃,从玻璃中再次进入空气时,同样又会有 4% 左右的光被反射回来,所以没有经过特别处理的玻璃反射率大约为 8%。

有些带有杂质的普通玻璃反射率更高,所以玻璃看起来挺透明的,但你依然可以通过它看到自己被反射回来的影像。

减反射玻璃

为了消除这个影响,我们可以对玻璃进行优化,减少被玻璃反射回来的光线的量(也就是减少反射率)。反射回来的光越少,我们受到的干扰也就越少。这些减少反射率的玻璃,又被称为减反射玻璃,或者叫低反射玻璃、抗反射玻璃。制造这样的玻璃工艺很多,大致可以分为两大类。

第一大类是对玻璃表面进行刻蚀,让玻璃的表面粗化,你可以理解为不再那么光滑平整。这样一来,光线在穿过玻璃的时候虽然还是会被反射,但因为表面粗化之后玻璃表面不再平整了,反射回的光线会被分散往四面八方,看起来就不那么明显了。

另一类更常见的处理方式是对玻璃表面进行镀膜。镀膜的折射率是已知的,通过精确调整镀膜的厚度可以让反射光发生相消干涉。


利用干涉相消原理的单层镀膜

也就是说,光线在照射到镀膜表面时,以及穿过镀膜照射到玻璃表面时,还是会发生反射,但这些反射光的相位刚好相反,可以发生干涉相互抵消,这就使得反射回来的光线看起来变少了,从而达到降低反射率的目的。

另外,镀膜的折射率一般介于空气和玻璃之间,相当于在空气和玻璃之间设置了一个“缓冲地带”,可以减少被反射回的光线量,进而降低反射率。

镀膜的折射率介于空气和玻璃之间,也可以降低反射率,图片来源:参考文献[2]还有研究者尝试将减反射膜的折射率设置成阶梯变化的,接近空气的部分折射率小,接近玻璃的部分折射率大,进一步降低反射率。

总之,人们是可以通过各种工艺,让玻璃的反射率降低,进而让玻璃变得更不容易反光。现在的减反射玻璃甚至可以把反射率降低到 1% 左右。

好的减反射玻璃不便宜

虽然减反射玻璃反射率低,但制造一个好的减反射玻璃可不简单,比如,膜的厚度需要非常精确,而且还需要让这些膜牢牢贴附在玻璃表面。这也使得减反射玻璃的制造成本非常高。

再加上有些博物馆对玻璃还有特殊要求,比如在保证低反射率的同时,又要能阻隔紫外线,减少紫外线对文物展品的损伤。还有,玻璃在长期的放置过程中也不能发生弯曲(玻璃本身非常重),这些都会让“好玻璃”的价格进一步增加。

北京画院展柜采购中标公告,图片截取自参考资料[3]2024 年北京画院采购的观摩室展柜,一组展柜价格在 70 多万元。

另外,2024 年国家博物馆采购的 20 多组低反玻璃展柜,预算也高达 578.2 万元。所以,好的玻璃确实更不容易反光,但想要用这样的玻璃预算也得跟得上。


上海博物馆青铜展区全部采用的是减反射玻璃,图片来源;小红书@上海博物馆

光线同样会影响反光

除了使用减反射玻璃,光线同样会影响观看体验。其实这样的现象在家里就能观察到。举个最典型的例子,白天房间里光线弱,我们看窗外景象的时候是不会看到房间里物体被反射回来的像。

但到了晚上,窗外暗房间内亮,这时透过窗子看过去,几乎全都是房间里的像。展柜在设计的时候也是一样的道理。假如展柜内部的光线强度比外部的弱,那我们更容易看外部的反光。

展柜外使用了过量的辅助光,影响展品观赏效果,图片来源:参考文献[4]另外,展柜内外光源的位置摆放同样需要注意。

比如,尽量不要让展柜内的光源直接照射到展柜外,在照射展品的时候,也要考虑展品的形状、质地,确保照射到展品上的光线足够均匀,尽可能还原出展品最自然的状态。

布光不合理造成局部眩光,图片来源:参考文献[4]还有,假如在展柜外要使用顶灯,也尽量不要让顶灯的反射光线出现在观赏者的头部区域,否则在展柜的玻璃上就很容易出现灯泡的影像。


可以在画上看到展柜外的顶灯影像丨自己拍的

总之,想要让博物馆里的展柜“不反光”,需要特制的玻璃和专业的照明、光路设计,是科技和设计的完美结合。

这背后确实需要“钞能力”的支持,也希望越来越多的博物馆能拥有这样的“钞能力”,把文物更好地呈现在观众面前。

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