无损检测技术在文物修复和保护中的应用

2016-12-12 10:44:40 作者：本网整理来源：网络分享至：

在过去，艺术家们都喜欢在一些帆布、纸张、羊皮纸、木材、陶瓷器甚至墙壁上进行绘画或者艺术创作，来描绘出自己的想法以及他们同时代人的生活状态等。即使是在科学技术如此发达的今天，这种艺术形式仍然为不少艺术家们所使用。几个世纪以来，这些老一辈的艺术家们为我们留下了大量宝贵的艺术作品，虽然我们希望这些作品能够留存百世，但是，和所有的手工作品一样，当被暴露于一些极端环境中（如化学环境、光线充足以及空气潮湿等）时，这些绘画就会开始发生损坏，尤其是作品的表面区域。只有通过对这些作品进行妥善的修复和保护才能减缓或者阻止这种损坏作用。

保护文化遗产并使其完好的流传下去是每一代人的重要职责之一，即使是在经济不发达的时期，人们仍然在尽力的维护着这些宝贵的文化产物，尤其是一些独立的艺术研究机构和博物馆等。例如，位于比利时的著名艺术研究和保护国际平台（IPARC）就聘请了一支多学科研究小组对一些公众或者私人收藏的文物提供修复和保护服务。对文物作品进行专业的修复或者保护往往需要具备一些关于待修复文物的物理组成和化学成分的相关信息；除了组成信息以外，人们还需要了解另一个重要的参数——迫使该文物保持现有状态的物理驱动力。

最为重要的是，在对这些文物进行修复或者保护的过程中，不论采用何种分析技术，都不能破坏或者改变该文物的完整性和原始状态。简单点说就是——必须采用无损检测技术。

无损检测技术的广泛性

利用中等强度的辐射，并严格限制该辐射与文物作品的接触区域就是一种无损式检测方法；目前，辐射技术已经被广泛应用于许多文物的分析、修复和保护过程中。在X射线领域中，辐射源是非常重要的。例如，采用X射线荧光分析可以揭示那些经常绘制在金属箔上的绘画作品内的合金材料信息；传统的X射线法能够穿透到多层绘画涂板内以获取相关的结构信息；随后利用紫外荧光分析技术可以获取到关于该文物作品的表面信息，例如表面修饰、漆覆盖等。根据具体的情况，人们可以采用更加全面的检测程序。

绘画可以传达精神，主要在于其完整的可视化外观能够使观众立即获得有关于此的印象。而作为文物的研究者和维护者，则需要通过在一定角度上采用斜入射或者直射光线对该文物进行进一步观察以研究该绘画作者所要传达的真实意图；此外，这些研究人员还需要采用一些合适的分析工具以区分这些作品真实的原始状态和后续改变，以及是否发生了损坏等信息。

在几乎整个频谱上，从太赫兹频率区域到可见光区域，都可以用来进行艺术文物的检测（如图1所示）。例如在低频率区域，辐射能够渗透的更深，因此能够用于研究文物作品中的隐藏层结构。此外，对于绘画作品的表层及以下结构进行研究同样非常重要，因为通过对其表层及内部进行研究可以获得关于其结构历史、创作年代以及画底色等的关键数据。目前，太赫兹检测技术（频率位于红外区域附件）在艺术品的检测研究领域内还属于较为新颖的技术。

图1：在几乎整个频谱上，从太赫兹频率区域到可见光区域，都可以用来进行艺术文物的检测；图片来源：Stern online Infografik

短波红外检测技术

基于短波红外辐射技术上的许多检测方法中，最主要的两种标准化检测方法是：光学相干断层扫描技术（OCT）和红外检测技术（IR）。这两种技术的原理都是基于所检测的绘画作品在短波红外辐射下都是透明的，使得人们能够观察到该文物作品的底层结构和模式。

图2即是该技术的应用证明；图中绘画名称为《圣厄休拉和一万一千个少女》，作者为比利时西部佛兰德画家Pieter Claeissens I；目前该作品陈列在西班牙奥维耶多美术博物馆内。通过对其仔细分析可以发现，在该作品上圣人绿色服装的左边并没有可见模式，左下角区域没有任何可见的布料。

近红外照相机可以被用来对1微米左右大小的区域进行拍摄照片，由于使用的是硅基图像转换器，相机的灵敏度比较有限；因此，绿色对于该相机而言并不是完全透明的。然而，当该照相机结合一个光谱敏感度波长范围在0.9到1.7微米之间的铟镓砷技术的图像传感器，该相机则能够提供图2中的右下角区域的图像，该图像能够清楚的揭示隐蔽的绿色折叠衣服。

图2：由比利时西部佛兰德画家Pieter Claeissens I绘制的名画《圣厄休拉和一万一千个少女》，上图为在可见光谱内捕获的图像，下图为利用近红外技术和短波红外技术拍摄的图像。

红外检测技术则通常被用来揭示绘画作品的画底色等信息；大多数情况下，普通观众难以观察到这些信息，因为绘画艺术家们都会隐藏其视觉模式。但是，从艺术和历史的角度来看，这些底稿的信息又往往隐藏着巨大的信息，因为这些信息会更好的帮助人们理解该作品的创作过程以及该作品所要表达的最初意图。通过短波红外分析技术对于绘画进行研究并不一定能够得到有关于此且令人满意的结果；分析成功的关键大部分取决于底层的材料以及上面的层数。为了区分这些交织的模式，还应当要有一个适当的光学对比度。利用红外辐射技术能够很轻易的对利用石墨和木炭笔在亮背景下绘制的底画进行检测，但是，对于利用白蜡笔在黑色背景下或者红蜡笔在白色背景下绘制的底色则难以进行检测。如果在绘画作品的底层上还有一层颜料层，那么红外照明则不会变的模糊，例如图画中人体的肤色部位等。相反的，颜料成分中碳含量过高或者该图层施加较厚会消耗大部分的辐射能量，因此不可能使用整个短波红外区域对该文物作品进行检测分析。

现代的检测分析技术大都倾向于使用窄带光谱区域，该过程中，在可见光区域和不同的短波红外波段下捕获到检测样品的数字图像，然后利用计算机程序对这些图像进行叠加，并采用合适的算法对其进行处理，使得该绘画作品的底层信息都能够被揭示出来。

光学相干断层扫描技术则是一种更多的被用作医学诊断的工具，但是由于该技术能够在不损坏甚至不接触待检测样品的前提下获得测试件的截面图像，因此也被用于一些艺术品的检测分析过程中。

图3展示了光学相干断层扫描技术的原理图；其原理主要是以一束直射光束和另一束从测试件反射回来的光束的干涉作用为基础的。

图3：光学相干断层扫描装置示意图及其原理图

这两束光线都来自于同一发射源，但被一个分束器或者半透明镜子分开成两部分；最终的断层图像将由几个这样的干涉图像计算组合而成，利用短波红外成像照相机进行捕获。该装置本质上属于一个干涉显微镜，利用白光光源，例如卤素灯对测试件进行照射分析。图3展示的即是一种布局类似于迈克耳孙干涉仪的装置示意图。利用二维的短波红外成像照相机能够捕获到一系列的干涉图像，这些图像都具有不同的相位分布；当参考反射镜发生了略微的偏移，就会发生相位移现象。断层图像，即被测试物体的截面图，则主要是通过高阶多项式算法对这些干涉图像进行整合而获得的。

这种光学相干断层扫描技术被用于对艺术品《Madonna die Fusi》进行了分析检测；该作品作者为达芬奇。通过仔细分析发现，在紫外光照射下的区域（图画中孩子的右脸颊区域）并不平整；利用光学相干断层扫描技术对图中绿色方形区域内黄色标注的地方进行了追踪分析并揭示了一系列信息，获得图像为图3中右下图。在图像的底端能够看到一层不透明的漆层，在此之上，又施加了一层清漆；在清漆上还存在一层颜色层，这通常都是作者们在快要创作结束的时候施加上去的，一般是在对图画进行适当修整后施加的。最后，再施加一层清漆以覆盖整个图画。但是这样一来，反射信号一般会严重减弱，因为这些信号都是从测试件的底部发射出来。因此，对于这些艺术品的检测，往往要求短波红外成像设备具有低噪音和较宽的动态范围等特性。表1中展示的短波红外照相设备能够有效减少背景噪音，进而提高其动态范围。

表1：具有高分辨率和灵敏度的红外照相设备

中波红外金属探测器

虽然使用短波红外检测技术对艺术品进行检测已经成为了一种标准化方法，但是仍然有不少研究人员对于采用中波红外（波长在3到5微米）技术进行检测的可行性进行了严谨的研究和开发。其中就包括来自意大利的研究人员，他们最近进行了一项研究分析工作，采用的就是一种称之为Thermical Quasi Reflectography（TQR）且能够进行原位检测的无损技术。

正常情况下，对绘画中的颜料进行中频红外辐射可以通过热成像方法捕捉图像，但是这种TQR方法采用的则是反射型的中波红外辐射；在该过程中，一个在低电压下工作的卤素灯被作为光源使用，一个冷却式的中波红外照相机被用于记录图像。

图4中的上图展示了一幅利用可见光谱捕获的图像；中间图为利用短波红外检测技术获得的图像；下图为利用TQR技术在中波红外区域内获得的图像。从图中可以清楚的看到在中波红外区域内银箔和金箔反射的光线要比短波红外区域内的强得多。

图4：上图为在可见光区域内捕获的图像；中间为利用短波红外检测技术获得的图像；下图为利用TQR技术在中波红外区域内获得的图像；图片为一幅中世纪壁画。

与短波红外检测技术相比，在中波红外区域内进行图像捕获还能够以一种更好的方法对所使用的颜料进行区分。许多强大的照相机都可以进行这种成像（如表1中所列）。根据这种原理以及技术的发展，也许今后还能看到在长波红外区域（波长为8到14微米）内对一些艺术作品进行无损检测。

太赫兹光谱技术：另一种选择

现在，许许多多的分析技术都在快速发展，包括太赫兹光谱及其相邻光谱区域（如图1所示）等。随着更为强大的辐射源的应用，为一些艺术产品的检测寻求更加合适的方法也在不断发展。

太赫兹波是一种不可见的电磁波，具有穿透性强、成像光谱特征明显、脉冲短且不容易破坏被检测物质的独特优势，因此受到国际上的广泛关注和研究。此外，太赫兹波由于透视性高、能级低、频带宽且携带丰富的光谱信息等特性，相比其他的光谱具有更大的优势和更为广泛的应用领域。太赫兹波的典型波长（300μm）远大于尘埃等微小结构的尺寸，因此在大多数物体中的散射远小于可见光和近中红外光，同时太赫兹波的光子能力低于多数化学键的键能，所以对大多数非极性材料具有较好的穿透性，在穿透成像方面具有良好的应用前景。

与上述几种方法相比，太赫兹波能够穿透到测试样品的更深处，极其适用于对帆布、墙壁、陶瓷器和其他基体上的漆层进行完整的无损检测分析。图5中展示了一个利用太赫兹光谱技术对于艺术作品进行分析的典型案例：通过太赫兹光谱技术可以读出图书封面内部的文字。

图5：利用太赫兹光谱技术读出具有封闭封面内部的中国汉字