紅外線反射影像

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 nm和10⁵ 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
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。