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 150 mm，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 120 mm，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 633 nm，辐照激光频率为 5 Mhz，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 740 nm + 750 nm、840 nm + 850 nm、940 nm + 950 nm 和 1040 nm + 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》。
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