太赫茲技術揭開17世紀藝術作品的秘密

美國佐治亞理工學院的David Citrin教授正在向人們展示一種利用太赫茲成像技術對17世紀的藝術油畫形成的圖像；圖片來源：佐治亞理工學院

利用現代化的太赫茲高速反射掃描儀和先進的信號處理技術，來自美國佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology，簡稱Georgia Tech）的研究人員正在透過顏料層來觀察以前的藝術家們是如何準備畫布、涂上底漆，并通過層層疊疊的油漆來完成他們的杰作。

研究人員使用了太赫茲掃描儀和一種主要為石油勘探而開發的處理技術最終獲得了藝術作品的圖像。該圖像為人們提供了一個獨特的視角來觀察三百年前藝術家的作品。這種太赫茲反射技術所生成的細節水平，可以幫助藝術品管理員對以前的繪畫作品進行修復，找出一些潛在的損傷，并協助鑒定古老作品的真偽等。這項研究成果已經發表在2017年11月的《Scientific Reports》雜志上。

來自佐治亞理工學院電氣與計算機工程學院的客座教授，同時還是位于法國梅茨的佐治亞理工學院國際實驗室的研究員Alexandre Locquet說道：“這項技術使得我們能夠以更高的分辨率查看繪畫作品表面下的內容，深入評估該繪畫使用了何種技術，并確定其中可能存在的缺陷以及損壞等。通過這些，我們可以得到歷史學家以前難以了解的一些信息，從而提供更多可能有助于這些舊作的保存和修復等相關的有益信息。”

研究人員從法國Metz Métropole的Cour d'Or博物館借來了名畫《Madonna in Preghiera》。首先，將藝術品面朝下放置在支撐畫布的固定裝置上，使其平攤開來而不至于下垂。接著，使用一款商業化的太赫茲光譜掃描儀，通過太赫茲輻射脈沖大約每200微米對作品進行一次掃描。該掃描儀中有一個電磁波發生器，它發出的信號能夠有效穿透作品的連續層。當掃描儀以類似于創建電視圖像的光柵圖案移動時，部分光線會從涂料上反射回來，從而產生來自每層涂料的信號。

法國Metz Métropole的Cour d'Or博物館的畫作《Madonna in Preghiera》；圖片來源：Alexandre Locquet

隨后，研究人員使用一種被稱為基于稀疏時域反卷積的信號處理技術來對數據進行處理，主要是將每層反射的信號分開來重建三維圖像。最終，畫布的支撐物、地面、底紋、底漆、繪畫層和清漆層，以及以前難以知道的清漆修復等信息都被成功挖掘出來了。

佐治亞理工學院電氣與計算機工程學院的David Citrin教授說：“我們的技術類似于地震學中可以用來識別地下不同巖石層的研究方法。在那種情況下，地震學家會通過發出一個聲波脈沖，然后測量所產生的回波信息（這是一種被稱為地層學的科學研究），以類似的方式，我們使用頻率大約為1太赫茲的電磁輻射脈沖，然后觀察藝術作品中各層的反射情況。”

通過先進的信號處理技術，研究人員從原來可能只能識別100~150微米厚的涂層，到現在可以區分小至20微米厚的涂層。

Citrin表示，研究18世紀以前完成的繪畫作品一直是具有挑戰性的課題，因為畫作的油漆層一般都很薄，人們一直無法解決區分每種單一顏料的問題。這真的很重要，因為多年來人們對測試得到的原始數據還是無能為力，如果不對這些數據信號進行處理，人們真的難以看到更多的東西。而現在，將太赫茲信號與先進信號處理技術結合起來，才能真正地發揮作用。

太赫茲輻射，也被稱為亞毫米波輻射，其以極高的頻率工作。盡管太赫茲輻射會被碳黑等導電顏料阻擋，但它還是可以很輕易地穿透油漆層。此外，太赫茲成像技術還可以彌補傳統檢測技術，如X射線、核磁共振成像和光學成像等的一些不足。

利用太赫茲成像技術對《Madonna in Preghiera》畫作進行的掃描成像；圖片來源：David Citrin

該研究團隊同時還研究了其他一些繪畫作品，并計劃對部分12世紀的木板畫進行太赫茲成像分析。這項工作將是非常具有挑戰性的，因為木版畫的油漆層非常薄，而且木材表面非常容易損壞。Citrin認為，這項研究首次實現了對18世紀以前的藝術作品檢測出單獨的油漆層。

“不同的技術可以提供不同的信息，這些信息可能為藝術品管理人員和歷史學家提供巨大的幫助”，Citrin說道：“太赫茲技術給了我們相對快速和廉價地對大型物體進行成像的綜合能力。而且我們已經證明，從中提取有用的信息并不是很困難。”

除畫作之外，該研究小組還透過厚厚的氧化層對拜占庭硬幣進行了成像分析，并試圖利用該技術去觀察一個同樣被氧化層遮蔽的中世紀鉛制十字架上的題字。他們還與香港的一個研究小組合作，利用這項技術來檢測/鑒定皮膚癌的皮膚層數，并與另一個測量復合材料損傷的小組合作對復合材料進行了研究。

Locquet說：“太赫茲成像技術仍然是一個新興領域，人們必須為其找到最好的應用方向。我們希望能為此做出貢獻，并樂于應用科學和工程來支持人文科學的研究。”


來源：佐治亞理工學院
譯自：phys.org
譯者：Vince
轉載自：“無損檢測NDT”微信公眾號

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