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奇美線上展

反射式紅外線影像

 
奇美博物館 油畫修復師 李文元
 


什麼是紅外線?

紅外線(Infrared,簡稱IR)在可見紅光以外,橫跨780 nm105 nm波段之間1,雖然不為肉眼可見,但因波長較可見光長,具有較高的穿透性,能夠穿透許多物質,在攝影技術的輔助下,可以協助我們觀察肉眼難以辨別的事物。
 


紅外光波段在可見光的右邊
紅外線波段在可見光的右邊



日常生活中的紅外線運用

你知道在一般室溫當中所有的物體都會發出紅外線電磁波嗎?紅外線其實與我們的生活密不可分,舉凡遙控器、體溫槍、超商的自動門,這些讓生活更便利的科技都運用到紅外線的電磁波。而透過紅外線夜間攝影機,我們也能夠在一片黑暗中監看野生動物的活動,機場海關查看旅客是否發燒的紅外線熱顯像儀(IR thermography),則是近一步將從我們身上的紅外線能量轉換為溫度。

 

紅外線熱顯像
紅外線熱顯像
Arno / Coen, CC BY-SA 3.0 <http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/>, via Wikimedia Commons



文物檢測中的紅外線應用

應用在文物檢測中的紅外線,主要是著重在紅外線本身的穿透性。舉例而言,我們可以透過玻璃欣賞窗外的景色,但假日早晨會拉上窗簾睡回籠覺,這是因為窗外的可見光線能穿透玻璃進到我們的眼中,但卻無法穿透遮光窗簾。紅外線波長較可見光長,許多可見光無法穿透的材質,對紅外線而言如透明玻璃般可以穿透,所以我們能藉此特性去查看文物表層顏料底下的狀況。

 
上圖是用兩種不同的藍色顏料覆蓋在鉛筆字跡上,可見光底下鉛筆字跡被遮蓋,紅外線反射影像則讓群青顏料下的字跡清楚可辨。
IRR波段: 900-1700nm)


 
紅外線攝影(IR photography)和紅外線反射影像(IR-reflectography

應用在文物檢視中的主要波段介於近紅外線(NIR, 780~1400 nm)與短波紅外線(SWIR, 1400 ~3000 nm)之間,這兩個波段的紅外線可以穿透許多繪畫常用的顏料,不過因為我們看不到紅外線,必須透過紅外線相機拍攝。


「紅外線攝影」與「紅外線反射影像」就是將紅外線具體應用於作品科學檢測的技術。「紅外線攝影」是較早期的技術,透過部分傳統底片與一般數位相機都能擷取到紅外線,但最高只到1000 nm左右,仍有許多顏料無法穿透。波段在700~1000nm之間的影像就僅能稱之為紅外線攝影。


「紅外線反射影像」則是使用了具有特殊感光元件的相機,這些感光元件能感應到波長更長的紅外線,甚至到3000 nm以上,這表示穿透性更好,拍到的底層就更完整,因此波段1000~2500 nm之間的影像才能被稱為紅外線反射成像。


拍攝紅外線影像時,須根據相機配備的感光元件選擇相應的光源及濾片。濾片的功能除了濾除可見光波段,還能將整段紅外線波段分割,比如帶通濾波器(band-pass filter)只會讓特定波段的紅外線進入相機中,使用後能降低色相差並讓影像更乾淨清晰。
紅外線拍攝示意圖
紅外線拍攝示意圖



紅外線相機到底拍到什麼?

紅外線相機拍到的是物質對紅外線的吸收與反射。不同物質對紅外線的反應不一樣,這是因為不同的分子結構在接收紅外線時會產生不同程度的共振。呈現的影像基本上是深淺對比而已,因此多以灰階表示:吸收程度越高,灰階越深,反之則越亮。另有一些有顏色的紅外線影像為所謂的偽色(false color)影像,這是經過了數位處理上色,好讓我們更容易辨別差異,其實並非實際的顏色。


什麼樣的物質最容易吸收紅外線?

含碳的物質特別容易吸收紅外線,因此在紅外線攝影中會呈現深色。由於繪畫的底稿經常是使用含碳的鉛筆、炭筆或墨水(ink)等媒材繪製,利用此特點再加上紅外線對表層顏料的穿透特性,使得這項技術非常適合用來觀察位於繪畫底層的含碳底稿。

 


1Davin Sliney. "What is light? The visible spectrum and beyond."  Eye 30 (2)(2016):222-229. doi: 10.1038/eye.2015.252. 

 


參考資料

Geert, Verhoeven. “Imaging the invisible using modified digital still cameras for straightforward and low-cost archaeological near-infrared photography.” Journal of Archaeological Science 35(12) (2008):3087-3100.

Kushel, Dan. “Photographic techniques for conservation” In The AIC guide to digital photography and conservation documentation, 3rd edition, edited by Jeffery Warda, 109-171. Washington: American Institute for Conservation of Historic and Artistic Works, 2017.


 



延伸閱讀

林志隆。〈看不見的光-生活中的紅外線〉。《科學發展》,期407 (Nov. 2006):頁68-73。