前言

油画保护是世界文物保护的重要领域之一。通常油画由固定在木质或金属框架上的帆布、油画颜料及透明清漆保护层组成。清漆保护层对油画整体起到重要的保护作用，随着时间的推移，由于温度、湿度、运输等影响，清漆层会无可避免的出现细小裂纹，一旦清漆层存在的裂纹发生加速扩张劣化，整幅油画的老化速度也会随之加快。因此，对油画表面的裂纹研究一直是油画保护技术领域中的热点问题。

研究表明在特定光照条件下，或对油画类文物进行激光清洗时，可能会使油画表层新增细小损伤，或加速已有裂纹的扩张。因此，上海大学、故宫博物院、希腊电子结构与激光研究所等单位，依托中国-希腊文物保护技术“一带一路”联合实验室的分析技术与科研协作平台，利用数字全息技术，针对油画表面保护层的Dammar清漆材料，开展材料裂纹生长实验研究，其中材料裂纹生长激励方式为激光辐照，以模拟清漆上叶尖状裂纹在激光辐照下的裂化状况。

图1  油画表面常见细小裂纹分布

数字全息技术基本原理

数字全息技术（DH，Digital Holography）是指基于光的干涉原理，利用数字图像采集器件将被测物体的衍射光场直接记录，然后利用数字处理技术实现衍射光场的数值重建，从而获取被测物体的相关参量信息。由于衍射光场中包含被测物体的强度信息和相位信息，因此三维性是数字全息技术的独特优势，另外数字全息技术也具有显微性、无损性、实时性等技术特点。

实验系统设计与样品制作

激光辐照及数字全息图记录的综合光路系统如图2所示。SC-Pro多光谱脉冲激光器作为系统光源，输出波长范围从430 nm到2400 nm，全波段工作功率为8 W。图像采集器件选用CCD（DHC-MER-500-7UM），单个像素尺寸2.2μm×2.2μm，面阵像素量为1544(H)×1944(V)。系统中，反射镜M1可以沿垂直于光轴方向进行平移：当反射镜M1平移至实线位置时，光路LASER-M1-M4-L3可以对样品进行辐照，凸透镜L3的焦距为150mm，实现光源的汇聚辐照；当反射镜M1在虚线位置时，则构成马赫-泽德离轴全息干涉光路，激光通过空间滤光片SF进行扩束准直后，再经过棱镜BS1分成两束光波，一束通过反射镜M2照射裂纹样本形成物光，另一束通过反射镜M3作为为参考光。物光、参考光分别透过凸透镜L1、L2被扩束放大，然后经过棱镜BS2汇合并在CCD面干涉，形成全息图。

系统中，p是凸透镜L1、L2的焦距，为120mm，q是凸透镜L1、L2后焦平面到CCD感光面的距离。因此由透镜成像原理可知，L1对样本的放大倍率为q/p，经标准件测定，凸透镜L1、L2的扩束倍率是1.976，即被测物体在全息图记录过程中将被放大1.976倍。

图2  激光辐照&数字全息干涉光路系统示意图（LASER-M4-L3为辐照光路）

实验将分为两个步骤，第一步是分别利用不同波段，如近紫外波段、可见光波段及近红外波段，对裂纹样品进行激光辐照，开展材料的光敏分析实验；第二步，依据第一步实验结果，利用敏感波段激光辐照裂纹样品，开展裂纹生长分析实验。两步骤实验中样品的制作方法相同，样品照片如图3所示。图3(a)、(b)均为具有裂纹的Dammar清漆样品，分别用于上述实验中。同时为更好的比对分析，也制作无裂纹的Dammar清漆样品，如图2(c)所示，用于裂纹生长分析实验中。实验中，全息图的记录波长均为633nm，辐照激光频率为5Mhz，每单次辐照时长均为5分钟。

图3  实验样本：(a)实验裂纹样本1；(b)实验裂纹样本2，(c)无裂纹实验样本

激光辐照裂纹生长实验分析

第一步实验中，辐照波段分别为近红外激光、可见光激光、近紫外激光，为保证辐照功率，每一个波段选用两个波长组成混合光源，实验过程如下：针对图3(a)所示有裂纹样本，首先记录其原始状态下的全息图，然后采用740 nm+750 nm混合光源辐照，并记录一幅全息图，接着用430 nm+440 nm混合光源继续辐照，也记录一幅全息图，最后用500 nm+510 nm混合光源辐照，再记录一幅全息图。对上述全息图分别进行数值重建，获得各状态下的裂纹的包裹相位，依次如图4(a)-(d)所示，观察图中红色虚线框内的相位，可见740 nm+750 nm混合光源辐照后，裂纹头部相位变化最明显。因此，与可见光波段激光、近紫外波段激光相比，近红外波段的激光对裂纹生长的影响更大。

图4  不同波段光源辐照下裂纹生长的全息图重建相位：(a)初始状态；(b) 740 nm+750 nm混合光源辐照；
(c) 430 nm+440 nm混合光源辐照；(d)500 nm+510 nm混合光源辐照

第二步实验中，在近红外波段，依次用740nm+750 nm、840nm+850 nm、940nm+950 nm和1040nm+1050 nm四种混合波长光源对有裂纹样本（图2(b)所示）进行激光辐照，每单次辐照时间为5分钟，重复上述全息图记录和数值重建过程，观察不同波长光源辐照后裂纹生长的相位变化，依次如图5(a)-(d)所示。为更直观表达辐照后裂纹生长情况，选取X轴坐标上457、1625、2525像素点，然后分别沿Y轴提取截线分布，同一像素位置的截线绘制在同一幅图中，结果如图6(a)、图6(c)和图6(e)所示，可见激光辐照后裂纹均有不同程度的生长。针对无裂纹样本（如图2(c)所示）重复实验过程，得实验结果如图6(b)、图6(d)和图6(f)所示，可见当样本无裂纹时，给予同样条件的激光辐照，样本也不会被破坏。

基于像素尺寸及系统标定放大倍率，对图6(a)、图6(c)和图6(e)中每一组的裂纹生长进行量化计算，结果如表1所示。表1所列计算数据表明，对叶尖裂纹头部辐照时，被测材料内空腔的中部和尾部的生长距离也随波长变化而变化，可见尖端裂纹头部对辐照波长的变化比裂纹中部和尾部更敏感；当用同一波段激光辐照时，则裂纹中部和尾部的生长距离均大于裂纹头部的生长距离，但裂纹头部的生长方向更为明确。

图5  近红外波段光源辐照下裂纹生长相位变化：
(a) 740 nm+750 nm辐照后与初始状态相位差；(b) 840 nm+850 nm辐照后与740 nm+750 nm辐照后相位差；
(c)940 nm+950 nm辐照后与840 nm+850 nm辐照后相位差；(d) 1040 nm和1050 nm辐照后与940 nm+950 nm辐照后相位差

图6  近红外波段光源辐照下裂纹生长相位变化不同位置截线图（上：有裂纹样本，下：无裂纹样本）：

(a)-(b) X = 457；(c)-(d) X = 1625；(e)-(f) X = 2525

表1  不同辐照波长下试验组与对照组裂纹扩展距离(单位:µm)

总结

本工作中，基于数字全息技术的Dammar清漆裂纹激光辐照实验研究发现，如果油画表面材料存在微小裂纹，在红外辐射下，裂纹叶尖处容易发生生长导致材料进一步劣化，从而对油画造成更大的损伤。因此，为了更好的对油画进行保护，保存环境中应尽量避免红外光照射。同样，用激光清洗年代久远或比较脆弱的油画时，尤其需要谨慎使用红外线波长的激光，避免对艺术品造成不可逆转的损伤。本研究所提出的数字全息系统体积小、便于集成携带，未来可适用于文物现场保护研究中。并且，本研究也证明数字全息技术在文物领域缺陷检测中具有其独特优势。除此之外，未来也将尝试利用数字全息技术进行非透明物体上的微小缺陷研究。

本文已于近期在线发表于MDPI旗下SCI期刊《Applied Sciences》。

原文链接：

https://www.mdpi.com/2076-3417/12/15/7799