Mady Elias

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