Identification non destructive des matériaux de l’art et des techniques artistiques Mady ELIAS Groupe « optique et art » de l’INSP [email protected] Analyse des œuvres d’art Analyses Monde de l’art: • non-destructives Restaurateurs • sans contact Conservateurs • in situ Historiens de l’art • résultats en temps réel Artistes contemporains Interpol (OCRVOOA) Plan • Constat d’état • Vernis • Pigments et des colorants • Techniques artistiques Plan • Constat d’état • Vernis • Pigments et des colorants • Techniques artistiques Constat d’état Photo couleur Photo UV repeints Vierge à l’enfant - peintre flamand XVème s, Musée du Louvre Constat d’état Visible - lumière rasante Réflectométrie IR repentirs Vierge à l’enfant - peintre flamand XVème s, Musée du Louvre Plan • Constat d’état • - Vernis Topographie: microscopie confocale, OCT Identification: fluorescence UV Dévernissage virtuel - Pigments et des colorants • Techniques artistiques Topographie : microscopie confocale Musée Van Gogh - Amsterdam µsurf de Nanofocus – projet européen FingArtPrint Topographie : microscopie confocale Stratigraphie d’une peinture vernie x x Coupe précision ≈ 1.5 µm Profil : épaisseur du vernis = 16 × 1.5 = 24 µm Topographie : microscopie confocale Imagerie des interfaces d’une peinture vernie Interface air/vernis Rugosité = 2 µm Interface vernis /peinture Rugosité = 4,8 µm Topographie : Tomographie optique cohérente (OCT) domaine temporel, plein champ, domaine du visible ⇒ topographie et information spectrale pour identification Interféromètre de Michelson Objectif interférométrique miroir Cube séparateur Lampe halogène + obj. de Köhler CCD Objectifs Lentille PC Source Source échantillon CCD Objectif de Mirau Piezo camera CCD précision ≈1 µm en x, y et z Mirau échantillon Topographie : Tomographie optique cohérente (OCT) Une image est enregistrée pour chaque position de l’objectif, tous les 30 nm x z 200 µm 300 µm y Topographie : Tomographie optique cohérente (OCT) Imagerie 2D et 3D de couches picturales vernies Vernis Vert Viridian Interface air/vernis Vernis 30 µm Interface vernis / peinture Peinture 300 µm Topographie : Tomographie optique cohérente (OCT) Imagerie 2D et 3D d’un violon Violon de Pietro Antonio Landolfi (≈ 1780) Topographie : Tomographie optique cohérente (OCT) Imagerie 2D et 3D d’un violon vernis bois (érable) 80 µm 200 µm 200 µm charges 80 µm 200 µm 300 µm vernis 300 µm Structure du bois 10 µm Identification :spectroscopie de fluorescence UV Photon UV Transition non radiative Photon visible spectromètre Lampe Xenon + filtre 340 nm Goniomètre, vernier lentille Spectrofluorimètre de laboratoire (Fluorologue de Jobin Yvon) Fibres silice Configuration rétrodiffusion Gonio-spectromètre portable Goniospectromètre portable brevet 09/51796 du 20/03/2009 Identification :spectroscopie de fluorescence UV de deux paramètres Vernis = résine + liant (30Choix à 40 fluorophores différents) Influence de l’excitation UV • Intensity (a.u) 0 ,8 intensité normalisée (u.a) λexc=320nm λexc=400nm 1 ,0 0 ,6 mastic 0 ,4 Influence du spectres liant λmax ∆λ pour décrire la forme 0 ,2 1,0 mastic + huile de lin mastic + térébentine 0,8 0,6 0,4 0,2 0 ,0 400 450 500 550 600 650 0,0 700 400 500 Intensity (a.u) 0,6 mastic frais mastic vieilli artificiellement vieux mastic (100 ans) 1,0 0,8 intensité λexc=360nm dammar λexcmastic = 320 nm 0,8 700 Influence du vieillissement Influence de la résine 1,0 600 λ (nm) w a v e le n g th (n m ) 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0,0 0,0 400 500 600 wavelength (nm) 700 400 500 600 ? (nm) Identification ⇒ Comparaison avec des bases de données 700 Identification :spectroscopie de fluorescence UV La Madone Hesselin- Simon 1640, Le Louvre Application aux Vouet, œuvres d’art ExempleMixed tableau 1 aged (168H) mastic ε = 1,4.10-2 Aged 168H) mastic resin ε = 2,2.10-2 Aged (L336H) spirit dammar ε = 3,6.10-2 Cotons d’allègements Fluorologue Jobin Yvon spirit aged (168H) mastic ε = 1,8.10-2 Aged (336H) spirit mastic ε = 3,4.10-2 Aged (T336H) spirit mastic ε = 3,7.10-2 Vernis = mastic ancien dans un mélange huile + térébentine Identification :spectroscopie de fluorescence UV Femme avec enfant – Francesco Londonio (1723 – 1783), collection Borromeo, Stresa, Italie mastic vieilli (240H) gras dammar vieiili (l 240H) gras ε=0.05 dammar vieilli (t 240H) gras ε=0.11 sandarac copal gras ε=0.12 huile de lin ε=0.17 In situ à Milan projet européen CUBSO – Laserlab Spectromètre portable ε=0.08 ε=0.18 Vernis = mastic ancien gras Dévernissage virtuel Principe Influence du vernis: Sans vernis - Lissage de la surface ⇒ translation A + - absorption: I = Ioexp(-αh) avec Lnα = -0,016λ +17,2 and h = épaisseur du vernis A vernis Spectres de réflexion diffuse Dévernissage virtuel Caméra multispectrale Dévernissage virtuel Monna Lisa, Léonard de Vinci Aujourd’hui Après dévernissage virtuel partiel Après dévernissage virtuel total Dévernissage virtuel La dame à l’hermine (1488-1490) Léonard de Vinci Czartoryski Museum, Cracovie, Pologne Aujourd’hui Après dévernissage virtuel Plan • Constat d’état • Vernis • Pigments et des colorants - 1ère couche: spectrométrie de réflexion diffuse - Sous-couche : OCT, RTE • Techniques artistiques Identification: spectrométrie de réflexion diffuse → Mesure du facteur de réflectance spot d=5 mm R(λ)= L(échantillon)−L(noir) L(blanc)−L(noir) → Enregistrement du spectre Configuration de rétro-diffusion Lampe Xenon + filtre anti-UV spectroscope Nef du grand palais, ville européenne des sciences novembre 2009 Identification: spectrométrie de réflexion diffuse 60 Spectre de réflectance - Pigments verts Vert émeraude (Sennelier) Vert oxyde de chrome (Sennelier) 50 40 60 Malachite 50 Chlorure de cuivre 40 R (%) R (%) 70 30 Cr2O7 , 2H2O Cr207,H2O 20 30 20 10 10 0 380 480 580 680 0 380 780 Longueur d'onde (nm) 480 580 680 780 Longueur d'onde (nm ) θ = 16° ⇒ le spectre de réflexion diffuse caractérise le pigment ou le colorant ⇒ comparaison et identification Identification: spectrométrie de réflexion diffuse Spectre comparaison Spectres de référence d’une base de données inconnu Calcul de la distance quadratique moyenne inconnu / références Influence de la rugosité et d’un vernis 25 BFEO 35 20 30 Peinture non vernie 25 15 Surface rugueuse VOLTERRA0003 20 1BFEO R (%) VOLTERRA0004 10 2BFEO Peinture vernie 3BFEO 4BFEO 15 10 5 Surface lisse 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 5 0 380 430 480 530 580 lambda 630 680 730 780 Identification: spectrométrie de réflexion diffuse détection de repeints 90 La Nativité du retable d’Issenheim de Grünewald musée de Colmar R (%) 80 70 60 50 40 30 Uviet008 Uviet007 20 10 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 longueur d'onde (nm) 2 spectres différents ⇒ 2 chromophores différents Identification: spectrométrie de réflexion diffuse pigments de la couche superficielle de Mona Lisa 10 000 000 spectres de réflexion diffuse Mêmes allures ⇒ Même composition pigmentaire Identification: spectrométrie de réflexion diffuse pigments de la couche superficielle de Mona Lisa 4 meilleurs fits ε= distance quadratique moyenne rugosité Identification d’un pigment unique: une terre d’ombre Identification: spectrométrie de réflexion diffuse identification de colorant 50 40 Manuscrit carolingien du scriptorium de St Amand les Eaux – IXème s. dark blue f. 18 30 indigo Ref 20 10 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 Identification: spectrométrie de réflexion diffuse La caméra multispectrale (Lumière Technology) Prise de vue de la Joconde, le 19 octobre 2004 2 projecteurs en rotation (lampes halogénures métalliques + réflecteurs elliptiques) Caméra: barrette CCD mobile contenant 12 000 pixels/ligne 20 000 lignes verticales ⇒ 240 000 000 pixels Identification: spectrométrie de réflexion diffuse La caméra multispectrale (Lumière Technology) 13 filtres en rotation IR 13 images à 13 longueurs d’onde différentes ⇒ 240 000 000 spectres de réflexion diffuse Identification: spectrométrie de réflexion diffuse La caméra multispectrale (Lumière Technology) Lapis Lazuli + Blanc de Plomb Ocre rouge + Terre d’ombre Jaune de Plomb Etain + Blanc de Plomb Terre d’ombre Ocre + Vert de gris Ocre jaune + terre d’ombre 2ème couche picturale: tomographie optique cohérente Imagerie 2D et 3D 300 µm 20 µm 20 µm Vert Viridian sur Jaune de chrome 2ème couche picturale: tomographie optique cohérente Spectre ⇒ identification de pigment Transformation de Fourier Interferogramme 1 0,8 Intensity (u.a.) Intensité (u.a.) 1 0,6 I(λ) 0,5 0 450 0,4 -3 -2 -1 0 1 Différence de chemin optique (µm) 2 3 550 650 Wavelength (nm) 750 Comparaison par base de données en cours 2ème couche picturale: colorimétrie + transfert radiatif Identification de la sous- couche Spectre R(λ) ⇒ Coordonnées colorimétriques L*,a*,b* ⇒ L*, C*, h* Clarté L* j x 80 kc xx 60 i x h e x x 40 g x 20 f x b a x x 2 4 6 8 10 12 14 Saturation or Chroma : C d x 16 18 20 2ème couche picturale: colorimétrie + transfert radiatif Identification de la sous- couche Modélisation à l’aide de l’équation de transfert radiatif 1% vermillon + 99% blanc de plomb modélisation Terre d’ombre Identification de la technique de glacis Pigment = filtre Glacis Mélange Diffusion simple Diffusion multiple Glacis ⇒maximum de saturation exceptionnel un pigment en faible concentration ⇓ nombreuses diffusions multiples Mélange un pigment coloré + un pigment blanc Glacis (ou noir) ⇒ peu de diffusions multiples Les carnations de Mona Lisa Sfumato : Couche superficielle: glacis de terre d’ombre (technique des primitifs flamands) Couche sous-jacente: 1% vermillon + 99% blanc de plomb (technique italienne) Plan • Constat d’état • Identification des pigments et des colorants • Vernis • Techniques artistiques - Glacis / mélange pigmentaire (colorimetrie, RTE) - Fonds d’or (goniophotométrie) Application de la goniophotométrie Identification des fonds d’orId θ Lr=L/Lmax 1 θ θ surface plane Lr=L/Lmax θ θ h l surface rugueuse Application de la goniophotométrie Identification des fonds d’orId Or sur bol Or à la mixtion Or coquille Identification de fonds d’or 1ère technique : Or sur bol Lr Giovanni di Paolo XVème s. bol, milieu aqueux feuille d’or polie ⇒ surface faiblement rugueuse θ (°) Identification de fonds d’or 2ème technique : Or à la mixtion Lr Icône russe XVème s. mixtion oléo-résineuse feuille d’or non polie ⇒ surface fortement rugueuse θ (°) Identification de fonds d’or 3ème technique : Or coquille Lr Manuscrit XVème s. θ (°) Huile de lin + particules d’or ⇒ surface très fortement rugueuse Identification de fonds d’or Le concert des anges Grünewald Colonne : or à la mixtion Bibliographie (restreinte) Général: - M. Elias, La lumière pour une meilleure connaissance des œuvres d'art, Numéro spécial de L'Actualité chimique "Interactions Photon-Matière: de la Photochimie aux Photosciences » (2007) n°308-309 mai-juin 2007 -La couleur: lumière, vision et matériaux– éditions Belin Echelles – livre collectif sous la direction de Mady Elias et Jacques Lafait – octobre 2006 Vernis M. Thoury, M.Elias, J.M. Frigerio, C. Barthou Non-destructive varnish identification by UV fluorescence spectroscopy, Appl. Spectro. 61(12), 2007 M. Elias, L. Simonot, M. Thoury, JM Frigerio, Bi-directional reflectance of a varnished painting Part 2: Influence of the refractive indices, surface state and absorption – Experiments and simulations, Opt. Com. 231, p25-33, 2004 OCT Gael Latour, J. Moreau, M. Elias, J. M. Frigerio, Components identification of stratified pictorial layers by SOCT, Proc. SPIE 6618, 661806, 2007 Glacis G. Latour, M. Elias and J. M. Frigerio Color modeling of stratified pictorial layers using the radiative transfer equation solved by the auxiliary function method JOSA A 24 n°10 p3045-3053, 2007 M. Elias, L. Simonot, Exceptional saturation of the colour in art-glazes explained by radiative transfer, Applied Optics 45 n°13 p3168-3172, 2006 Mona Lisa M. Elias, P. Cotte Multispectral camera and radiative transfer equation used to depict Leonardo's sfumato in Mona Lisa, Applied Optics Vol. 47, n°12, pp. 2146-2154, 2008 Merci pour votre attention