Verborgenes wird sichtbar: Nichtinvasive Kunsttechnologien von SWIR bis Terahertz unterstützen Konservierung und Restaurierung von Bildern (DE)

Verborgenes wird sichtbar: Nichtinvasive Kunsttechnologien von SWIR bis Terahertz unterstützen Konservierung und Restaurierung von Bildern (DE)

Authors: David Lainé, IPARC, Belgien und Raf Vandersmissen, Xenics, Belgien

Im Spektrum moderner Kunsttechnologien spielt der Infrarotbereich eine wichtige Rolle: Geeignete Kameras hoher Auflösung und engagierte Restauratoren und Konservatoren führen die Bemühungen um eine Bewahrung des kulturellen Erbes für künftige Generationen zum Erfolg.

Kulturgüter bewahren

Über die Jahrhunderte haben Künstler Farbe auf Leinwand, Holz, Pergament, Keramik und Gebäude aufgebracht. Sie schufen damit Kunstwerke von unschätzbarem Wert, die eigentlich alle Zeiten überdauern sollten. Leider werden sie ständig durch Sonnenlicht,
Umweltbedingungen, chemische Reaktionen und andere Einwirkungen beeinflusst, die ihren Zustand permanent verschlechtern. Durch die Restaurierung und Konservierung soll dieser Prozess verlangsamt, gestoppt oder sogar umgekehrt werden.

Auch in wirtschaftlich schlechten Zeiten gehört die Bewahrung des materiellen Erbes für künftige Generationen zu den wichtigen sozialen Verantwortlichkeiten. Diese Aufgabe haben forschende Museen und unabhängige Vereinigungen angenommen, wie die IPARC (International Platform for Art Research and Conservation) in Belgien, in der ein multidisziplinäres Team vielfältige Dienste aus den Bereichen Restaurierung und Konservierung anbietet.

Der Schlüssel zu einer sachgerechten Konservierung liegt in einer möglichst genauen Kenntnis der physikalischen und chemischen Struktur des Kunstwerks sowie der Art des Einflusses, der zum aktuellen Zustand beitrug. Allerdings darf die Integrität des Kunstwerks durch die angewandte Analysemethode nicht beeinträchtigt werden. Das bedeutet: Es sollten nur nichtinvasive Untersuchungsverfahren zum Einsatz kommen.

Breites Spektrum für Kunsttechnologien

Strahlung ist – zumindest in moderater Stärke und begrenzter Einstrahlzeit – als weitgehend nichtinvasiv anzusehen. Deshalb haben die damit realisierten Untersuchungsmethoden in die kunsttechnologische Aufarbeitung von Kulturgut erfolgreich Einzug gehalten. Das fängt an bei der kürzesten Wellenlänge der Röntgenstrahlung: Mit der Röntgenfluoreszenz-Analyse lassen sich beispielsweise Legierungsbestandteile der Metallfolien aufspüren, die in der spätmittelalterlichen Malerei gerne eingesetzt wurden. Röntgenstrahlen dienen aber auch im klassischen Sinne der „Durchleuchtung“ von Gemäldetafeln, um deren innere Konstruktion kennenzulernen. Im anschließenden Ultraviolett-Bereich dient die UV-Fluoreszenz-Analyse dazu, Oberflächeneigenschaften festzustellen, wie Überzüge, Retuschen und Überarbeitungen. Mit dieser Lokalisierung können dann andere, mehr in die Tiefe gehende Verfahren zielgerichtet angesetzt werden.

Im sichtbaren Teil des Spektrums liegt die Botschaft des Kunstwerks, die sich damit dem Betrachter unmittelbar eröffnet. Aus kunsttechnologischer Sicht dienen hier Aufnahmen im Auflicht und Streiflicht dazu, die spezifische Maltechnik eines Künstlers,
spätere Ergänzungen und eventuelle Beschädigungen zu erkennen.

Weil die Eindringtiefe einer Strahlung mit sinkender Frequenz steigt, sind im Infrarot-Bereich diejenigen Verfahren angesiedelt, mit denen sich tiefere Bereiche analysieren lassen. Der Blich unter die Öberfläche ist deshalb besonders interessant, weil er Aufschluss über die Entstehungsgeschichte des Werks, seinen Aufbau und eventuelle Unterzeichnungen geben kann.

Relativ neu in der kunsttechnologischen Praxis ist die Anwendung von Frequenzen im Terahertz-Bereich, der sich unmittelbar an das langwellige Infrarot anschließt.

Tiefer Durchblick mit kurzwelligem Infrarot

Aus der Vielfalt der kunsttechnologischen Verfahren auf der Basis kurzwelligen Infrarots seien hier zwei typische Vertreter kurz vorgestellt: Infrarot-Reflektographie und Optische Kohärenztomographie OCT. Beide nutzen aus, dass viele Malfarben für kurzwelliges Infrarot mehr oder minder durchsichtig sind und damit den Blick auf dahinter liegende Strukturen freigeben. Als Beispiel sei Bild 2 betrachtet [1]: Auf dem Tafelbild „Heilige Ursula und die elftausend Jungfrauen“ des flämischen Malers Pieter Claeissens I, das im Museo de Bellas Artes de Oviedo in Asturien hängt, ist keine Struktur auf der linken Seite des grünen Rockes der Heiligen erkennbar. Auch auf dem Ausschnitt unten links ist noch kein Faltenfall zu sehen. Er wurde mit einer NIR-Kamera aufgenommen, deren Empfindlichkeit wegen des eingesetzten Bildwandlers in Silizium-Technologie bei einer Wellenlänge von 1 μm endet. Bis dahin ist die grüne Farbe noch nicht ausreichend transparent. Erst eine Kamera mit Bildsensor in InGaAs-Technologie, dessen spektrale Empfindlichkeit von 0,9 bis 1,7 μm Wellenlänge reicht, brachte den Durchblick, wie Bild 2 unten rechts zeigt: Hier sind die Rockfalten klar zu erkennen. Das Verfahren der IR-Reflektographie wird gerne eingesetzt, um Unterzeichnungen zu erkennen. Diese sind eigentlich nicht für den Betrachter bestimmt, denn der Künstler hat sie ja mit dem Bild übermalt. Dennoch besteht aus kunsthistorischer Sicht großes Interesse an diesen Unterzeichnungen, weil sie einen tiefgründigen Blick auf die ursprüngliche Intention des Malers und den darauf folgenden Schaffensprozess gestatten.

Allerdings liefert die SWIR-Analyse von Gemälden zur Erkennung von Unterzeichnungen nicht immer zufriedenstellende Ergebnisse: Es hängt sehr stark vom Material der Unterzeichnung und den darüber liegenden Farbschichten ab, ob sich überhaupt ein ausreichender Kontrast erzielen lässt. So sind Unterzeichnungen mit Kohlestiften und Graphit auf hellem Grund sehr gut erkennbar. Rote Kreide auf weißem Grund oder weiße Kreide auf dunklem Grund dagegen sind im IR-Bereich kaum sichtbar. Natürlich sollte die über einer Unterzeichnung liegende Farbschicht das Infrarotlicht wenig dämpfen. Dies trifft auf dünne Farbschichten und helle Farben am roten Ende des sichtbaren Spektrums, wie Hauttöne, auch recht gut zu. Dagegen absorbieren dick aufgetragene Farbschichten und ein hoher Kohlenstoffanteil in den Farbpigmenten die Strahlungsenergie so stark, dass eine Analyse durch Nutzung des gesamten SWIRBereichs nicht möglich ist. Da die Absorption auch innerhalb des SWIR-Bereichs aber sehr stark von der Frequenz abhängen kann, geht der Trend moderner Untersuchungsverfahren dahin, mehrere schmalbandige Spektralbereiche zu nutzen. Dazu werden Digitalaufnahmen im sichtbaren Licht und bei unterschiedlichen SWIRWellenlängen gemacht, am Rechner überlagert und mit geeigneten Algorithmen zur Kontraststeigerung solange bearbeitet, bis sich eine Unterzeichnung offenbart.

 

Als zweites Verfahren gewinnt die im medizintechnischen Bereich erfolgreiche und dort weit verbreitete Optische Kohärenztomographie OCT auch im kunsttechnologischen Einsatz stark an Bedeutung. Mit ihr lassen sich nämlich Querschnittsbilder aus dem Inneren von Objekten gewinnen, ohne diese dazu berühren oder zerstören zu müssen. Bild 3 verdeutlicht das Prinzip der Vollbild-OCT. Sie beruht auf der Interferenz eines direkten Lichtstrahls mit einem aus dem Prüfobjekt reflektierten Strahl, die beide aus der gleichen Lichtquelle stammen, durch einen halbdurchlässigen Spiegel oder Strahlteiler geteilt und wieder vereinigt werden. Aus einer Kombination mehrerer
Interferenzbilder die eine SWIR-Kamera aufnimmt, entsteht dann im Rechner das tomographische Bild. Im Prinzip handelt es sich dabei um ein Interferenz-Mikroskop, dessen Objekt von einer einfachen Weißlichtquelle, wie einer Halogenlampe, beleuchtet
wird. Bild 3 zeigt eine Ausführung als Michelson-Interferometer mit identischen Mikroskop-Objektiven MO in beiden Armen. Nacheinander erfasst die 2D-SWIR-Kamera mehrere Interferenzbilder, die sich lediglich in der Phase unterscheiden: Diese Phasenverschiebung entsteht durch eine Verschiebung des Referenzspiegels um Bruchteile der Lichtwellenlänge durch einen piezoelektrischen Mikroaktor. Aus der Kombination dieser Interferenzbilder über ein Polynom höherer Ordnung entsteht dann das tomographische Bild, ein Querschnittsbild des Prüflings.

Mit dem OCT-Verfahren wurde beispielsweise das Werk „Madonna die Fusi“ von Leonardo da Vinci unter anderem an einer Stelle untersucht [2], die sich im UV-Licht als auffällig darstellte: Eine Unregelmäßigkeit auf der rechten Wange des Kindes. Die OCT-Analyse
entlang der gelben Linie im grünen Rechteck ergab die rechts unten dargestellte Schichtenfolge: Zuunterst eine undurchsichtige Farbschicht (5), darüber der Firnis (4). Überraschenderweise fand sich auf dieser Firnisschicht, die vom Künstler
üblicherweise erst zum Schluss aufgebracht wird, eine weitere Farbschicht (3), die offenbar von einer nachträglichen Retuschierung herrührt. Das Ganze wird sachgerecht von einer zweiten Firnisschicht (2) abgedeckt. Da die reflektierten Signale aus der Tiefe des Prüfobjekts stammen, erfahren sie eine starke Dämpfung, die einen weiten dynamischen Bereich und geringes Rauschen der SWIR-Kamera erfordert. Für die in der Tabelle dargestellten SWIR-Kameras sind bis zu vierstufige thermoelektrische Kühlungen vorgesehen, die das Grundrauschen verringern und damit den dynamischen Bereich erweitern.

Metalldetektor mit mittelwelligem Infrarot

Während kunsttechnologische Untersuchungen mit kurzwelligem Infrarot mittlerweile zum Standard gehören, wird an neuen Verfahren für den mittleren Infrarotbereich MWIR von 3 bis 5 μm Wellenlänge intensiv gearbeitet. Als Beispiel dafür soll eine Untersuchung dienen, die von einem italienischen Forscherteam im Dom zu Monza durchgeführt wurde [3]. Dazu entwickelten sie ein nichtinvasives Verfahren namens Thermische Quasi-Reflektographie TQR, das sich auch in-situ anwenden lässt. Üblicherweise wird in diesem mittleren Wellenlängenbereich die Strahlung beispielsweise von Pigmenten thermographisch erfasst. Mit TQR dagegen wird die im MWIR-Bereich reflektierte Strahlung genutzt. Als Lichtquelle dient dazu eine mit Unterspannung betriebene Halogenlampe, eine gekühlte MWIR-Kamera nimmt das Bild auf.

Mit TQR lassen sich Eigenschaften aufdecken, die weder mit eingeführten SWIR-Methoden noch thermographisch erfasst werden
können. Insbesondere gilt dies für die Ausgestaltung von Wandmalereien mit hinterlegten Metallfolien, die im Spätmittelalter recht beliebt waren. Bild 4 zeigt dazu einen etwa 80 x 40 cm messenden Ausschnitt aus der Dekoration der Theodelinda-Kapelle im Dom zu Monza, Italien, ausgeführt von der Familie Zavattari von 1440 bis 1446 im sichtbaren Spektrum, als SWIR-Aufnahme und als TQR-Bild im MWIR-Bereich. Es ist deutlich zu sehen, dass die Goldund Silberfolien das MWIR-Licht wesentlich stärker reflektieren als im SWIR-Spektrum. Darüber hinaus ist das Verfahren in der Lage, Pigmente, die sich im SWIR kaum unterscheiden, mit MWIR deutlich voneinander abzugrenzen. Wie die Tabelle 1 zeigt, sind dafür auch schon leistungsfähige MWIR-Kameras verfügbar. Es ist sicher interessant zu beobachten, welche kunsttechnologischen Untersuchungen im LWIR-Bereich von 8 bis 14 μm entwickelt werden; die Kameras dafür sind schon vorhanden (Tabelle 1).

 

Spectral Realm

SWIR

MWIR

LWIR

Wavelength

0.9 – 1.7 µm

3.6 – 4.9 µm

8 – 14 µm

Technology

InGaAs

InSb and MCT

Micro-Bolometer

Max. resolution

640 x 512

640 x 512

640 x 480

Camera type

Xeva-1.7-640

Onca-MWIR-InSb

Gobi-640-GigE

 

Dass diese Erwartung nicht ganz unbegründet ist, zeigt ein Blick in den benachbarten Spektralbereich der Terahertz-Frequenzen (Bild 5). Nachdem ausreichend leistungsfähige Strahlungsquellen zur Verfügung standen, begann die Suche nach sinnvollen Einsatzfeldern, die auch im Bereich der Kunsttechnologien geortet wurden: Da Terahertz-Strahlung noch weiter in das Material eindringt, eignet sie sich für den Tiefenaufschluss von Farbschichten auf unterschiedlichsten Trägermaterialien, wie Keramik, Mauerwerk und Leinwand. Als typisches Beispiel soll Bild 5 dienen: Ein Text wird durch den Einband hindurch gelesen. Bei der Konservierung von Schriftgut tritt nämlich gelegentlich ein Problem auf: Manche Dokumente oder Manuskripte können bereits durch den Versuch, sie zu öffnen, beschädigt werden. Hier bleibt nichts anderes übrig, als mit Terahertz-Strahlung durch den Umschlag oder Einband hindurch den Text oder das Bild zu rekonstruieren.Auch Terahertz blickt durch

Fazit

Die stetige Weiterentwicklung kunsttechnologischer Methoden und Werkzeuge sowie ihre Ausführung durch forschende Museen und unabhängige Vereinigungen unterstützt die nachhaltige Bewahrung unseres kulturellen Erbes auch für kommende Generationen.

Quellen
[1] Carmen Vega et al.: Una técnica novedosa para el estudio del arte, Arte i Patrimonio 25, S. 12 - 22
[2] Piotr Targowski et al.: OCT structural examination of „Madonna die Fusi“ by Leonardo da Vinci, Proc. of SPIE, Vol. 8790, 2013, S. 87900N-1 bis 7
[3] Claudia Daffara et al.: Thermal quasi-reflectography: a new imaging tool in art conservation, Optics Express Vol. 20, No. 13, 2012, S. 14746 - 14753

Media

  • Bilder 1 - 5

Extreme compact size and low weight

Given the extremely compact size and low weight of the Xenics XS-1.7-320 SWIR camera it was extremely easy to integrate it into our existing optical setup.

University of Strathclyde