在過去，藝術(shù)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(jìn)行繪畫或者藝術(shù)創(chuàng)作，來描繪出自己的想法以及他們同時代人的生活狀態(tài)等。即使是在科學(xué)技術(shù)如此發(fā)達(dá)的今天，這種藝術(shù)形式仍然為不少藝術(shù)家們所使用。幾個世紀(jì)以來，這些老一輩的藝術(shù)家們?yōu)槲覀兞粝铝舜罅繉氋F的藝術(shù)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(dāng)被暴露于一些極端環(huán)境中（如化學(xué)環(huán)境、光線充足以及空氣潮濕等）時，這些繪畫就會開始發(fā)生損壞，尤其是作品的表面區(qū)域。只有通過對這些作品進(jìn)行妥善的修復(fù)和保護(hù)才能減緩或者阻止這種損壞作用。

    保護(hù)文化遺產(chǎn)并使其完好的流傳下去是每一代人的重要職責(zé)之一，即使是在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的時期，人們?nèi)匀辉诒M力的維護(hù)著這些寶貴的文化產(chǎn)物，尤其是一些獨(dú)立的藝術(shù)研究機(jī)構(gòu)和博物館等。例如，位于比利時的著名藝術(shù)研究和保護(hù)國際平臺（IPARC）就聘請了一支多學(xué)科研究小組對一些公眾或者私人收藏的文物提供修復(fù)和保護(hù)服務(wù)。對文物作品進(jìn)行專業(yè)的修復(fù)或者保護(hù)往往需要具備一些關(guān)于待修復(fù)文物的物理組成和化學(xué)成分的相關(guān)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(shù)——迫使該文物保持現(xiàn)有狀態(tài)的物理驅(qū)動力。

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

    無損檢測技術(shù)的廣泛性

    利用中等強(qiáng)度的輻射，并嚴(yán)格限制該輻射與文物作品的接觸區(qū)域就是一種無損式檢測方法；目前，輻射技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于許多文物的分析、修復(fù)和保護(hù)過程中。在X射線領(lǐng)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(jīng)常繪制在金屬箔上的繪畫作品內(nèi)的合金材料信息；傳統(tǒng)的X射線法能夠穿透到多層繪畫涂板內(nèi)以獲取相關(guān)的結(jié)構(gòu)信息；隨后利用紫外熒光分析技術(shù)可以獲取到關(guān)于該文物作品的表面信息，例如表面修飾、漆覆蓋等。根據(jù)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(dá)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(guān)于此的印象。而作為文物的研究者和維護(hù)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(jìn)行進(jìn)一步觀察以研究該繪畫作者所要傳達(dá)的真實(shí)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(qū)分這些作品真實(shí)的原始狀態(tài)和后續(xù)改變，以及是否發(fā)生了損壞等信息。

    在幾乎整個頻譜上，從太赫茲頻率區(qū)域到可見光區(qū)域，都可以用來進(jìn)行藝術(shù)文物的檢測（如圖1所示）。例如在低頻率區(qū)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(jié)構(gòu)。此外，對于繪畫作品的表層及以下結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究同樣非常重要，因?yàn)橥ㄟ^對其表層及內(nèi)部進(jìn)行研究可以獲得關(guān)于其結(jié)構(gòu)歷史、創(chuàng)作年代以及畫底色等的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。目前，太赫茲檢測技術(shù)（頻率位于紅外區(qū)域附件）在藝術(shù)品的檢測研究領(lǐng)域內(nèi)還屬于較為新穎的技術(shù)。

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

    短波紅外檢測技術(shù)

    基于短波紅外輻射技術(shù)上的許多檢測方法中，最主要的兩種標(biāo)準(zhǔn)化檢測方法是：光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)（OCT）和紅外檢測技術(shù)（IR）。這兩種技術(shù)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(jié)構(gòu)和模式。

    圖2即是該技術(shù)的應(yīng)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(shù)博物館內(nèi)。通過對其仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)，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(qū)域沒有任何可見的布料。

    近紅外照相機(jī)可以被用來對1微米左右大小的區(qū)域進(jìn)行拍攝照片，由于使用的是硅基圖像轉(zhuǎn)換器，相機(jī)的靈敏度比較有限；因此，綠色對于該相機(jī)而言并不是完全透明的。然而，當(dāng)該照相機(jī)結(jié)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(shù)的圖像傳感器，該相機(jī)則能夠提供圖2中的右下角區(qū)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(nèi)捕獲的圖像，下圖為利用近紅外技術(shù)和短波紅外技術(shù)拍攝的圖像。

    紅外檢測技術(shù)則通常被用來揭示繪畫作品的畫底色等信息；大多數(shù)情況下，普通觀眾難以觀察到這些信息，因?yàn)槔L畫藝術(shù)家們都會隱藏其視覺模式。但是，從藝術(shù)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?yàn)檫@些信息會更好的幫助人們理解該作品的創(chuàng)作過程以及該作品所要表達(dá)的最初意圖。通過短波紅外分析技術(shù)對于繪畫進(jìn)行研究并不一定能夠得到有關(guān)于此且令人滿意的結(jié)果；分析成功的關(guān)鍵大部分取決于底層的材料以及上面的層數(shù)。為了區(qū)分這些交織的模式，還應(yīng)當(dāng)要有一個適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)對比度。利用紅外輻射技術(shù)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(jìn)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(jìn)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(qū)域?qū)υ撐奈镒髌愤M(jìn)行檢測分析。

    現(xiàn)代的檢測分析技術(shù)大都傾向于使用窄帶光譜區(qū)域，該過程中，在可見光區(qū)域和不同的短波紅外波段下捕獲到檢測樣品的數(shù)字圖像，然后利用計算機(jī)程序?qū)@些圖像進(jìn)行疊加，并采用合適的算法對其進(jìn)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(xué)相干斷層掃描技術(shù)則是一種更多的被用作醫(yī)學(xué)診斷的工具，但是由于該技術(shù)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(shù)品的檢測分析過程中。

    圖3展示了光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)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(chǔ)的。

    圖3：光學(xué)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(fā)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(jī)進(jìn)行捕獲。該裝置本質(zhì)上屬于一個干涉顯微鏡，利用白光光源，例如鹵素?zé)魧y試件進(jìn)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(jī)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(dāng)參考反射鏡發(fā)生了略微的偏移，就會發(fā)生相位移現(xiàn)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(jìn)行整合而獲得的。

    這種光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)被用于對藝術(shù)品《Madonna die Fusi》進(jìn)行了分析檢測；該作品作者為達(dá)芬奇。通過仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，在紫外光照射下的區(qū)域（圖畫中孩子的右臉頰區(qū)域）并不平整；利用光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)對圖中綠色方形區(qū)域內(nèi)黃色標(biāo)注的地方進(jìn)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(chuàng)作結(jié)束的時候施加上去的，一般是在對圖畫進(jìn)行適當(dāng)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(yán)重減弱，因?yàn)檫@些信號都是從測試件的底部發(fā)射出來。因此，對于這些藝術(shù)品的檢測，往往要求短波紅外成像設(shè)備具有低噪音和較寬的動態(tài)范圍等特性。表1中展示的短波紅外照相設(shè)備能夠有效減少背景噪音，進(jìn)而提高其動態(tài)范圍。

    表1：具有高分辨率和靈敏度的紅外照相設(shè)備

    中波紅外金屬探測器

    雖然使用短波紅外檢測技術(shù)對藝術(shù)品進(jìn)行檢測已經(jīng)成為了一種標(biāo)準(zhǔn)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(shù)進(jìn)行檢測的可行性進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯亢烷_發(fā)。其中就包括來自意大利的研究人員，他們最近進(jìn)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(jìn)行原位檢測的無損技術(shù)。

    正常情況下，對繪畫中的顏料進(jìn)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?zé)舯蛔鳛楣庠词褂茫粋€冷卻式的中波紅外照相機(jī)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(shù)獲得的圖像；下圖為利用TQR技術(shù)在中波紅外區(qū)域內(nèi)獲得的圖像。從圖中可以清楚的看到在中波紅外區(qū)域內(nèi)銀箔和金箔反射的光線要比短波紅外區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)得多。

    圖4：上圖為在可見光區(qū)域內(nèi)捕獲的圖像；中間為利用短波紅外檢測技術(shù)獲得的圖像；下圖為利用TQR技術(shù)在中波紅外區(qū)域內(nèi)獲得的圖像；圖片為一幅中世紀(jì)壁畫。

    與短波紅外檢測技術(shù)相比，在中波紅外區(qū)域內(nèi)進(jìn)行圖像捕獲還能夠以一種更好的方法對所使用的顏料進(jìn)行區(qū)分。許多強(qiáng)大的照相機(jī)都可以進(jìn)行這種成像（如表1中所列）。根據(jù)這種原理以及技術(shù)的發(fā)展，也許今后還能看到在長波紅外區(qū)域（波長為8到14微米）內(nèi)對一些藝術(shù)作品進(jìn)行無損檢測。

    太赫茲光譜技術(shù)：另一種選擇

    現(xiàn)在，許許多多的分析技術(shù)都在快速發(fā)展，包括太赫茲光譜及其相鄰光譜區(qū)域（如圖1所示）等。隨著更為強(qiáng)大的輻射源的應(yīng)用，為一些藝術(shù)產(chǎn)品的檢測尋求更加合適的方法也在不斷發(fā)展。

    太赫茲波是一種不可見的電磁波，具有穿透性強(qiáng)、成像光譜特征明顯、脈沖短且不容易破壞被檢測物質(zhì)的獨(dú)特優(yōu)勢，因此受到國際上的廣泛關(guān)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(yōu)勢和更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。太赫茲波的典型波長（300μm）遠(yuǎn)大于塵埃等微小結(jié)構(gòu)的尺寸，因此在大多數(shù)物體中的散射遠(yuǎn)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(shù)化學(xué)鍵的鍵能，所以對大多數(shù)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(yīng)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(jìn)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(shù)對于藝術(shù)作品進(jìn)行分析的典型案例：通過太赫茲光譜技術(shù)可以讀出圖書封面內(nèi)部的文字。

    圖5：利用太赫茲光譜技術(shù)讀出具有封閉封面內(nèi)部的中國漢字

    當(dāng)圖書封面內(nèi)部含有一份古老的文件或者手稿時，人們并不能直接去打開書的封面去閱讀這些文件或者手稿，因?yàn)檫@樣無疑會對這些文物造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。在這種情況下，太赫茲光譜技術(shù)則能最大化的發(fā)揮出其使用價值。

    結(jié)語

    人類共同的文化遺產(chǎn)需要我們一起努力對其進(jìn)行修復(fù)和保護(hù)以使其能夠源遠(yuǎn)流長。采用合適的科學(xué)技術(shù)對這些文化產(chǎn)品進(jìn)行無損檢測分析是十分重要且有必要的。隨著一些基于紅外輻射和太赫茲光譜的技術(shù)方法不斷發(fā)展進(jìn)步，對于這些藝術(shù)品的檢測肯定會越來越方便快捷，對于文物的修復(fù)和保護(hù)也越來越為容易。

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責(zé)任編輯：王元

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