De geheimen van 17e-eeuwse kunstenaars kunnen nu worden onthuld, dankzij signaalverwerking van de 21e eeuw. Met behulp van moderne high-speed scanners en de geavanceerde signaalverwerkingstechnieken, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology turen door pigmentlagen om te zien hoe schilders hun doeken voorbereidden, aangebrachte onderlagen, en bouwden laag op laag verf op om hun meesterwerken te produceren.

De beelden die ze maken met behulp van de terahertz-scanners en de verwerkingstechniek - die vooral is ontwikkeld voor aardolie-exploratie - geven een ongekende kijk op hoe kunstenaars drie eeuwen geleden hun werk deden. Het detailniveau dat door deze terahertz-reflectometrietechniek wordt geproduceerd, kan kunstconservatoren helpen eerdere restauraties van schilderijen te herkennen, markeer mogelijke schade - en help bij het authenticeren van de oude werken.

Voorbij oude kunst, de niet-destructieve techniek heeft ook potentiële toepassingen voor het opsporen van huidkanker, zorgen voor een goede hechting van coatings van turbinebladen en het meten van de dikte van autolakken. De studie werd op 8 november gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

"Deze techniek stelt ons in staat om met hoge resolutie te zien wat zich onder het oppervlak van een schilderij bevindt, om diepgaand te beoordelen wat voor soort techniek is gebruikt, en om te bepalen welke gebreken aanwezig kunnen zijn, " zei Alexandre Locquet, een adjunct-professor aan de Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering en een onderzoeker aan het Georgia Tech-CNRS internationale laboratorium in Metz, Frankrijk. "Door dit te gebruiken, we informatie kunnen krijgen die kunsthistorici voorheen niet hadden, en we kunnen informatie verstrekken die nuttig kan zijn voor het behoud en de restauratie van deze oude schilderijen."

De onderzoekers bestudeerden het schilderij "Madonna in Preghiera" in het atelier van Giovanni Battista Salvi da Sassoferrato, die in bruikleen was van het Musée de la Cour d'Or, Metz Metropool, Frankrijk. Het onderzoek begon door het kunstwerk met de voorkant naar beneden op een portaal te plaatsen dat ontworpen was om het canvas te ondersteunen zonder te verzakken.

Met behulp van een commerciële terahertz-scanner, het schilderij werd vervolgens ongeveer elke 200 micron onderzocht door pulsen van terahertz-straling. De scanner bestaat uit een elektromagnetische golfgenerator, die signalen uitzendt die door opeenvolgende lagen van het schilderij zijn doorgedrongen.

Delen van de straal weerkaatst door de verf, het produceren van signalen van elke laag terwijl de scanner over het schilderij bewoog in een rasterpatroon dat vergelijkbaar is met het patroon dat wordt gebruikt om televisiebeelden te maken.

Een computer die een signaalverwerkingstechniek gebruikt die bekend staat als op sparsity gebaseerde tijddomeindeconvolutie, verwerkte vervolgens de gegevens, het scheiden van de signalen die door elke laag worden weerkaatst om een ​​driedimensionale kaart van het beeld te construeren. De canvassteun, grond, imprimatura, onderschildering, beeld- en vernislagen werden geïdentificeerd, samen met een voorheen onbekende restauratie van de lak.

"Onze techniek is vergelijkbaar met de manier waarop seismologie kan worden gebruikt om de verschillende lagen gesteente in de grond te identificeren, " zei David Citrin, een professor aan de Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering. "In dat geval, seismologen sturen een akoestische puls en meten vervolgens de resulterende echo's. Op een soortgelijke manier, we gebruiken een puls van elektromagnetische straling met een frequentie van ongeveer één terahertz en kijken dan naar de reflecties van de verschillende lagen, een wetenschap die bekend staat als stratigrafie."

Zonder de signaalverwerking, onderzoekers kunnen mogelijk maar lagen van 100 tot 150 micron dik identificeren. Maar met behulp van de geavanceerde verwerking, ze kunnen lagen van slechts 20 micron dik onderscheiden. Schilderijen gemaakt vóór de 18e eeuw waren een uitdaging om te bestuderen omdat hun verflagen vaak dun zijn, zei Citrien. Individuele pigmenten kunnen niet worden opgelost door de techniek, al hopen de onderzoekers die informatie in de toekomst te kunnen verkrijgen.

"Dit is echt heel belangrijk, omdat mensen jarenlang hebben geprobeerd om ruwe data te gebruiken, maar daar kun je echt niet veel in zien zonder de signalen te verwerken, " zei hij. "Je moet de terahertz-signalen koppelen aan de signaalverwerking om echt een verschil te maken."

Terahertz-straling, ook wel submillimeterstraling genoemd, werkt op enorm hoge frequenties. Het kan gemakkelijk door verflagen dringen, hoewel het kan worden geblokkeerd door geleidende pigmenten zoals roet. De terahertz-beeldvormingstechniek kan een aanvulling zijn op conventionele kunstanalysetechnieken zoals röntgenstralen, kern magnetische resonantie beeldvorming, en optische beeldvorming.

Het onderzoeksteam, waaronder afgestudeerde student Junliang Dong en medewerker Marcello Melis, heeft ook andere schilderijen bestudeerd, en is van plan om een ​​klein deel van een 12e-eeuws schilderij op houten panelen af ​​te beelden. Dat werk zal een uitdaging zijn omdat de verf dun is en het houtoppervlak beschadigd.

Citrin gelooft dat het onderzoek de eerste is die individuele verflagen detecteert in een kunstwerk van vóór de 18e eeuw.

"Verschillende technieken bieden verschillende informatie die nuttig kan zijn voor kunstconservatoren en historici, " zei hij. "Terahertz geeft ons de gecombineerde mogelijkheid om relatief snel en goedkoop een groot object in beeld te brengen. We hebben aangetoond dat je geen fancy systeem nodig hebt om nuttige informatie te extraheren."

Naast schilderijen, De onderzoeksgroep van Citrin heeft ook een Byzantijnse munt in beeld gebracht door een dikke laag oxidatie, en probeert een inscriptie te lezen in een middeleeuws grafkruis van lood, ook verduisterd door een oxidelaag. Ook werken ze samen met een onderzoeksgroep in Hong Kong om de techniek te gebruiken voor het karakteriseren van de huidlagen voor huidkankerdetectie en met een andere groep voor het meten van schade in composietmaterialen.

"Terahertz-beeldvorming is nog steeds een opkomend veld dat zijn beste toepassingen moet vinden, " zei Locquet. "Daar hopen we aan bij te dragen, en zijn verheugd om wetenschap en techniek toe te passen om de geesteswetenschappen te ondersteunen."