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無損檢測技術在文物修復和保護中的應用

2016-12-12 10:44:40 作者：本網整理來源：網絡分享至：

在過去，藝術家們都喜歡在一些帆布、紙張、羊皮紙、木材、陶瓷器甚至墻壁上進行繪畫或者藝術創作，來描繪出自己的想法以及他們同時代人的生活狀態等。即使是在科學技術如此發達的今天，這種藝術形式仍然為不少藝術家們所使用。幾個世紀以來，這些老一輩的藝術家們為我們留下了大量寶貴的藝術作品，雖然我們希望這些作品能夠留存百世，但是，和所有的手工作品一樣，當被暴露于一些極端環境中（如化學環境、光線充足以及空氣潮濕等）時，這些繪畫就會開始發生損壞，尤其是作品的表面區域。只有通過對這些作品進行妥善的修復和保護才能減緩或者阻止這種損壞作用。

保護文化遺產并使其完好的流傳下去是每一代人的重要職責之一，即使是在經濟不發達的時期，人們仍然在盡力的維護著這些寶貴的文化產物，尤其是一些獨立的藝術研究機構和博物館等。例如，位于比利時的著名藝術研究和保護國際平臺（IPARC）就聘請了一支多學科研究小組對一些公眾或者私人收藏的文物提供修復和保護服務。對文物作品進行專業的修復或者保護往往需要具備一些關于待修復文物的物理組成和化學成分的相關信息；除了組成信息以外，人們還需要了解另一個重要的參數——迫使該文物保持現有狀態的物理驅動力。

最為重要的是，在對這些文物進行修復或者保護的過程中，不論采用何種分析技術，都不能破壞或者改變該文物的完整性和原始狀態。簡單點說就是——必須采用無損檢測技術。

無損檢測技術的廣泛性

利用中等強度的輻射，并嚴格限制該輻射與文物作品的接觸區域就是一種無損式檢測方法；目前，輻射技術已經被廣泛應用于許多文物的分析、修復和保護過程中。在X射線領域中，輻射源是非常重要的。例如，采用X射線熒光分析可以揭示那些經常繪制在金屬箔上的繪畫作品內的合金材料信息；傳統的X射線法能夠穿透到多層繪畫涂板內以獲取相關的結構信息；隨后利用紫外熒光分析技術可以獲取到關于該文物作品的表面信息，例如表面修飾、漆覆蓋等。根據具體的情況，人們可以采用更加全面的檢測程序。

繪畫可以傳達精神，主要在于其完整的可視化外觀能夠使觀眾立即獲得有關于此的印象。而作為文物的研究者和維護者，則需要通過在一定角度上采用斜入射或者直射光線對該文物進行進一步觀察以研究該繪畫作者所要傳達的真實意圖；此外，這些研究人員還需要采用一些合適的分析工具以區分這些作品真實的原始狀態和后續改變，以及是否發生了損壞等信息。

在幾乎整個頻譜上，從太赫茲頻率區域到可見光區域，都可以用來進行藝術文物的檢測（如圖1所示）。例如在低頻率區域，輻射能夠滲透的更深，因此能夠用于研究文物作品中的隱藏層結構。此外，對于繪畫作品的表層及以下結構進行研究同樣非常重要，因為通過對其表層及內部進行研究可以獲得關于其結構歷史、創作年代以及畫底色等的關鍵數據。目前，太赫茲檢測技術（頻率位于紅外區域附件）在藝術品的檢測研究領域內還屬于較為新穎的技術。

圖1：在幾乎整個頻譜上，從太赫茲頻率區域到可見光區域，都可以用來進行藝術文物的檢測；圖片來源：Stern online Infografik

短波紅外檢測技術

基于短波紅外輻射技術上的許多檢測方法中，最主要的兩種標準化檢測方法是：光學相干斷層掃描技術（OCT）和紅外檢測技術（IR）。這兩種技術的原理都是基于所檢測的繪畫作品在短波紅外輻射下都是透明的，使得人們能夠觀察到該文物作品的底層結構和模式。

圖2即是該技術的應用證明；圖中繪畫名稱為《圣厄休拉和一萬一千個少女》，作者為比利時西部佛蘭德畫家Pieter Claeissens I；目前該作品陳列在西班牙奧維耶多美術博物館內。通過對其仔細分析可以發現，在該作品上圣人綠色服裝的左邊并沒有可見模式，左下角區域沒有任何可見的布料。

近紅外照相機可以被用來對1微米左右大小的區域進行拍攝照片，由于使用的是硅基圖像轉換器，相機的靈敏度比較有限；因此，綠色對于該相機而言并不是完全透明的。然而，當該照相機結合一個光譜敏感度波長范圍在0.9到1.7微米之間的銦鎵砷技術的圖像傳感器，該相機則能夠提供圖2中的右下角區域的圖像，該圖像能夠清楚的揭示隱蔽的綠色折疊衣服。

圖2：由比利時西部佛蘭德畫家Pieter Claeissens I繪制的名畫《圣厄休拉和一萬一千個少女》，上圖為在可見光譜內捕獲的圖像，下圖為利用近紅外技術和短波紅外技術拍攝的圖像。

紅外檢測技術則通常被用來揭示繪畫作品的畫底色等信息；大多數情況下，普通觀眾難以觀察到這些信息，因為繪畫藝術家們都會隱藏其視覺模式。但是，從藝術和歷史的角度來看，這些底稿的信息又往往隱藏著巨大的信息，因為這些信息會更好的幫助人們理解該作品的創作過程以及該作品所要表達的最初意圖。通過短波紅外分析技術對于繪畫進行研究并不一定能夠得到有關于此且令人滿意的結果；分析成功的關鍵大部分取決于底層的材料以及上面的層數。為了區分這些交織的模式，還應當要有一個適當的光學對比度。利用紅外輻射技術能夠很輕易的對利用石墨和木炭筆在亮背景下繪制的底畫進行檢測，但是，對于利用白蠟筆在黑色背景下或者紅蠟筆在白色背景下繪制的底色則難以進行檢測。如果在繪畫作品的底層上還有一層顏料層，那么紅外照明則不會變的模糊，例如圖畫中人體的膚色部位等。相反的，顏料成分中碳含量過高或者該圖層施加較厚會消耗大部分的輻射能量，因此不可能使用整個短波紅外區域對該文物作品進行檢測分析。

現代的檢測分析技術大都傾向于使用窄帶光譜區域，該過程中，在可見光區域和不同的短波紅外波段下捕獲到檢測樣品的數字圖像，然后利用計算機程序對這些圖像進行疊加，并采用合適的算法對其進行處理，使得該繪畫作品的底層信息都能夠被揭示出來。

光學相干斷層掃描技術則是一種更多的被用作醫學診斷的工具，但是由于該技術能夠在不損壞甚至不接觸待檢測樣品的前提下獲得測試件的截面圖像，因此也被用于一些藝術品的檢測分析過程中。

圖3展示了光學相干斷層掃描技術的原理圖；其原理主要是以一束直射光束和另一束從測試件反射回來的光束的干涉作用為基礎的。

圖3：光學相干斷層掃描裝置示意圖及其原理圖

這兩束光線都來自于同一發射源，但被一個分束器或者半透明鏡子分開成兩部分；最終的斷層圖像將由幾個這樣的干涉圖像計算組合而成，利用短波紅外成像照相機進行捕獲。該裝置本質上屬于一個干涉顯微鏡，利用白光光源，例如鹵素燈對測試件進行照射分析。圖3展示的即是一種布局類似于邁克耳孫干涉儀的裝置示意圖。利用二維的短波紅外成像照相機能夠捕獲到一系列的干涉圖像，這些圖像都具有不同的相位分布；當參考反射鏡發生了略微的偏移，就會發生相位移現象。斷層圖像，即被測試物體的截面圖，則主要是通過高階多項式算法對這些干涉圖像進行整合而獲得的。

這種光學相干斷層掃描技術被用于對藝術品《Madonna die Fusi》進行了分析檢測；該作品作者為達芬奇。通過仔細分析發現，在紫外光照射下的區域（圖畫中孩子的右臉頰區域）并不平整；利用光學相干斷層掃描技術對圖中綠色方形區域內黃色標注的地方進行了追蹤分析并揭示了一系列信息，獲得圖像為圖3中右下圖。在圖像的底端能夠看到一層不透明的漆層，在此之上，又施加了一層清漆；在清漆上還存在一層顏色層，這通常都是作者們在快要創作結束的時候施加上去的，一般是在對圖畫進行適當修整后施加的。最后，再施加一層清漆以覆蓋整個圖畫。但是這樣一來，反射信號一般會嚴重減弱，因為這些信號都是從測試件的底部發射出來。因此，對于這些藝術品的檢測，往往要求短波紅外成像設備具有低噪音和較寬的動態范圍等特性。表1中展示的短波紅外照相設備能夠有效減少背景噪音，進而提高其動態范圍。

表1：具有高分辨率和靈敏度的紅外照相設備

中波紅外金屬探測器

雖然使用短波紅外檢測技術對藝術品進行檢測已經成為了一種標準化方法，但是仍然有不少研究人員對于采用中波紅外（波長在3到5微米）技術進行檢測的可行性進行了嚴謹的研究和開發。其中就包括來自意大利的研究人員，他們最近進行了一項研究分析工作，采用的就是一種稱之為Thermical Quasi Reflectography（TQR）且能夠進行原位檢測的無損技術。

正常情況下，對繪畫中的顏料進行中頻紅外輻射可以通過熱成像方法捕捉圖像，但是這種TQR方法采用的則是反射型的中波紅外輻射；在該過程中，一個在低電壓下工作的鹵素燈被作為光源使用，一個冷卻式的中波紅外照相機被用于記錄圖像。

圖4中的上圖展示了一幅利用可見光譜捕獲的圖像；中間圖為利用短波紅外檢測技術獲得的圖像；下圖為利用TQR技術在中波紅外區域內獲得的圖像。從圖中可以清楚的看到在中波紅外區域內銀箔和金箔反射的光線要比短波紅外區域內的強得多。

圖4：上圖為在可見光區域內捕獲的圖像；中間為利用短波紅外檢測技術獲得的圖像；下圖為利用TQR技術在中波紅外區域內獲得的圖像；圖片為一幅中世紀壁畫。

與短波紅外檢測技術相比，在中波紅外區域內進行圖像捕獲還能夠以一種更好的方法對所使用的顏料進行區分。許多強大的照相機都可以進行這種成像（如表1中所列）。根據這種原理以及技術的發展，也許今后還能看到在長波紅外區域（波長為8到14微米）內對一些藝術作品進行無損檢測。

太赫茲光譜技術：另一種選擇

現在，許許多多的分析技術都在快速發展，包括太赫茲光譜及其相鄰光譜區域（如圖1所示）等。隨著更為強大的輻射源的應用，為一些藝術產品的檢測尋求更加合適的方法也在不斷發展。

太赫茲波是一種不可見的電磁波，具有穿透性強、成像光譜特征明顯、脈沖短且不容易破壞被檢測物質的獨特優勢，因此受到國際上的廣泛關注和研究。此外，太赫茲波由于透視性高、能級低、頻帶寬且攜帶豐富的光譜信息等特性，相比其他的光譜具有更大的優勢和更為廣泛的應用領域。太赫茲波的典型波長（300μm）遠大于塵埃等微小結構的尺寸，因此在大多數物體中的散射遠小于可見光和近中紅外光，同時太赫茲波的光子能力低于多數化學鍵的鍵能，所以對大多數非極性材料具有較好的穿透性，在穿透成像方面具有良好的應用前景。

與上述幾種方法相比，太赫茲波能夠穿透到測試樣品的更深處，極其適用于對帆布、墻壁、陶瓷器和其他基體上的漆層進行完整的無損檢測分析。圖5中展示了一個利用太赫茲光譜技術對于藝術作品進行分析的典型案例：通過太赫茲光譜技術可以讀出圖書封面內部的文字。

圖5：利用太赫茲光譜技術讀出具有封閉封面內部的中國漢字