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光譜揭秘

 

奇美博物館 油畫修復師 李文元
 


在研究或著手修復文物之前,無論是研究員、修復師以及保存科學家都需對物品的材料組成,或歷史脈絡有廣泛的了解。然而文物本身通常由複雜的成分或層次所組成,經過長時間的老化或後人修復干預,往往藏有目視難以分辨的資訊,因此利用各種光的特性來輔助分析的光學檢測便成為當代文物研究至關重要的一環,也由於許多的光學攝影技術不需要採樣就可提供相當有價值的資訊,也就成為文物調查很普及的方法。


在「窺物誌」網站中,我們介紹了幾種常見的非破壞性光學檢測技術原理,您也可以在「窺.案例」實際看到這些技術如何應用,以及不同角色的研究人員怎麼交叉比對並詮釋這些檢測成果。不過在這之前,我們可以再花一點時間想一想「看見」這件事情。


一顆紅色櫻桃

流光容易把人拋,紅了櫻桃,綠了芭蕉。 ——宋,蔣捷《一剪梅·舟過吳江》


宋朝詞人蔣捷用櫻桃紅熟與芭蕉轉綠象徵季節更迭,讓我們實際「看見」時光的流逝,也同感光陰似水的春愁。「紅了櫻桃,綠了芭蕉」簡短八個字側寫了江邊景色,我們還可藉此推知蔣捷具有看見紅色與綠色的能力。不過您是否想過,看見一顆紅豔欲滴的櫻桃需要具備什麼條件?


法國藝術家尚.杜布菲(Jean Philippe Arthur Dubuffet,1901–1985)說:「沒有顏色這種東西,只有帶顏色的材料」。1 我們能在陽光下看到紅色櫻桃,必須要滿足這三個條件:

 
‧包含紅光的陽光(光源)
‧櫻桃(被測物)的表皮反射紅光,並吸收其他顏色的光
‧人眼可以接收紅光(偵檢器)
 

陽光將所有顏色的光照射到櫻桃上,櫻桃的表皮將其中的紅光訊號反射至人眼中,缺一不可。這三個條件也就是光學檢測的基礎要件:光源、被測物與偵檢器,若沒有光源,被測物便不會反射訊號;若沒有相應的偵檢器,我們則讀不到標的訊號。
光譜揭密-紅櫻桃

光譜:看得見與看不見的光

在21世紀的今日,我們已經普遍認知「光」是一種電磁波(electromagnetic radiation),也可說是一種能量。大多數的人仰賴光線來看見東西,但也已知生活中存在著許多看不見的光。人眼可見的光,其實只占了電磁波譜中的很小一部份,一般而言,我們能見到波長最短的光是大約在 380nm 的紫光,最長則是約 780nm 的紅光,介於這兩端之間的波段就以「可見光」(Visible light)稱之,也很沒有創意順理成章地把兩段之外的電磁波,分別稱作紫外線與紅外線。紫外線再往外是具有透視效果的X光,還有把布魯斯・班納變成浩克的伽瑪射線2;紅外線再往外則是加熱食物的微波,和聽廣播用的無線電波。這些電磁波雖然不為我們所見,但多半早已存在生活環境中,拜科技發展之賜人類也早已具備另外製造的能力,那我們要怎麼實際看見並將這些光線應用在文物檢視上?



光譜揭秘
人眼可見的光線,僅占電磁波光譜的一小段



利用不可見光揭開文物的秘密

人眼之所以只能看見狹窄的可見光波段,是因為視網膜中的感光細胞與大腦只能接收和分辨可見光波段的能量,換句話說,只要改變偵檢器的接收範圍,我們便可以看見其他光線。比如,紅外線相機擁有特殊的相機感光元件,可以拍攝紅外線影像XRF 的偵檢器可以接收到元素的特性X射線。


由於各個波段的電磁波有其獨特性質,波長越短的電磁波,頻率越高,能量越強(如此也不難理解為何史丹・李選用伽瑪射線作為變身浩克的來源),這表示它們能夠穿透物質,我們便利用X光(連結至穿透視X光攝影)對不同物質的吸收和穿透差異,作為透視觀察文物結構之用。而波長越長的電磁波,頻率低能量弱,但這個特性使其遇到障礙物較有餘裕「繞道」而行(請想像無線電廣播穿過牆壁傳導),所以紅外線也具有穿透顏料層的能力,再加上紅外線很容易檢測到含碳元素,因此便很適合運用在檢測顏料層下的炭筆底稿。


所以說,各式各樣的技術就是在利用相對應的光源和偵檢器以讀取人眼無法分辨或看到資訊,舉凡修復師的補筆(案例:女子肖像)、藏在底層的底稿(案例:暮秋,或是包覆在內部的結構,都可以利用儀器輔助檢視。


為什麼要用各種光源檢視文物?

如同前面說過,文物通常是由許多複雜的層次所組成,以油畫舉例,常見的基本結構有乘載圖像的基底材(Support),以及打底層(Ground/ Prime)、底稿(Underdrawing)、顏料層(Paint layer)以及最表層的透明漆凡尼斯(Varnish)等不同層次組成參見窺.油畫,而每一層所使用的材料又涵蓋各種無機和有機的成分,在研究時常需要一一分開檢視,好探究如同以下這些經常困擾著研究者的問題:現下的表面狀態是否為原始樣貌?畫家在創作過程是否有修改?我能不能再現畫家的底稿,或是被後人塗改掉的地方?顏料層的剝落或變質是起因於顏料本身,或是基底材的影響?這些不同的層次或成分,需借助不同的儀器能看得到,因此,想回答這些問題就必定得先釐清要檢視的部位與層次,才能選用適當的技術予以調查,從來就沒有單靠一項技術就要看到所有資訊的神話。
為什麼要用各種光源檢視文物
光學攝影/檢測的優勢、侷限與策略

科技的提升拓寬了人類視野未及之處,有鑒於此,各種不同的光學檢測技術能讓我們分層、分類檢視文物的物質成分或狀態,進一步窺探文物歷史的吉光片羽。由於許多不可見光的攝影原理並不複雜,設備也相對容易取得,研究人員經過適當的訓練後甚至可以自行操作,並且在不破壞文物的狀況下快速得到檢測結果,所以很廣泛地應用在文物檢視調查中。


然而以實際經驗來看,非破壞性檢測能提供的資訊有限且較為片面,通常要結合多種技術交叉比對,然後演繹、歸納以梳理出最有可能的推論,這個過程相當考驗研究人員的知識基礎與邏輯推導能力,而最終往往還是得透過微量地採集樣本分析,才能獲得明確的證據。不過,初步先利用非破壞性檢測技術快速、全面掃視文物,得以讓研究的問題更聚焦,一方面縮小深入檢視的目標範圍,亦可減少採集的樣本數目,與降低後續分析需花費的資源。如此,無論是在文物保存倫理的把持,或是研究規劃的效率上都是較為理想且明智的作法。

 


1Henry C. Cousseau, Michaud Yves et al. Colour since Matisse : French painting in the 20th century. London : Trefoil Books, for the Edinburgh International Festival, 1985. 轉引自:菲利普·鮑爾(Philip Ball)。明亮的泥土:顏料發明史。何本國譯。南京:譯林出版社,2018

2布魯斯・班納博士(Dr. Bruce Banner)是漫威漫畫中的英雄角色,由史丹・李(Stan Lee,1922-2018)等人所創。班納在一次意外中遭受伽瑪射線的輻射污染,變成名為浩克(Hulk)的怪物。