第1章 光谱测量
光谱测量是艺术品保护中使用的多种分析技术之一。对于绘画和素描，这种技术将测得的反射率特性作为波长的函数进行绘制，可以用作着色剂鉴定和认证的辅助工具。光谱数据也用于档案记录：可以分析随时间变化的测量结果，以确定由曝光引起的颜色变化，并识别混合物中的哪个组分是易变的（Johnston and Feller 1963）。对于文物修复师和策展人而言，在保护艺术品的需求与可以将其提供给公众观看的愿望之间获取平衡时，此类信息至关重要（Michalski 1992）。光谱测量对于评估可能影响艺术品颜色的新保护技术以及确保艺术家颜料制造的一致性上也是有用的。光源也被测量其光谱。*常见的是，对照明进行测量。在某些情况下，会测量艺术品本身，例如由有色荧光灯制成的艺术品。*后，可以对单个点或通过成像对整个物体进行光谱测量。
可见光谱
在17世纪，牛顿等（Hunt 2000）证明，当一束狭窄的阳光穿过黑暗的房间中的棱镜时，呈现白色的光被分散成一个光谱，如图1.1所示。当其中一束有色光束通过第二个棱镜时，光束不会被进一步分散；相同的颜色依然存在。因此，这些单*的光束是唯一的，可用于定义和区分有色材料和光。
将这些光束定义为特定长度和强度的波是很方便的。思考一下来自绿色和红色激光指示器的光束，如图1.2所示。每个激光器发射单个波长的光。绿色激光器发出的波长比红色激光器短—也就是说，峰与峰之间的距离较短。绿色激光也具有红色激光两倍的强度；它的*大波峰高度是红色激光的两倍1。
我们的环境充满了波，自然产生的（如太阳）或电子产生的（如手机发射器）。我们看到的波称为光，范围380～780纳米，单位缩写为“nm”，其中1纳米等于1/1 000 000 000米（一米的十亿分之一）。“可见”波长的具体范围因人而异，并且因仪器而异。紫外（UV）辐射的波长比可见区短，而红外（IR）辐射的波长比可见区长。
直观上，我们知道不同颜色的光在可见光谱内的每个波长处必定具有不同的强度。测量照明时，强度以辐亮度单位定义，并可以用水平轴上的波长和垂直轴上的辐亮度绘制*线图2。使用这种*线图绘制图1.2的两个激光束，如图1.3所示。
图1.1 将太阳光分散成光谱的可视化图像
用辐射光谱仪测量光
辐射光谱仪是测量辐亮度作为波长的函数的仪器。这种仪器用于测量两个激光指示器的光谱特性。辐射光谱仪的组件可以聚焦光线，将其分散成单*的波长，并记录每个波长的强度。*通用的辐射光谱仪使用相机镜头收集和聚焦光线，并有一个通过目镜可以看到是黑点的圆孔以限制光线，从而形成狭窄的光束3。这束光照射在衍射光栅上，光栅是一块有数百条细纹的玻璃，将光分散成光谱。光谱落在检测器阵列上，其中每个检测器对应一个波长。模数转换器将检测器阵列的电信号转换为数字信号。内部校准后，数据以辐亮度与波长关系的表格或*线图形式输出（如图1.3所示）。
关于图1.4，是晴天在室外进行测量和在室内用60 W白炽灯泡照明进行测量。由于室外的光线比室内的光线多，因此灯泡的光谱似乎将近平坦。为了揭示它们的光谱差异，对这两个测量值进行了重新定标，以使得如果并排观察这些光源，它们将显得同样明亮。以这种方式绘制的测量结果揭示了两种光的光谱特征。与白炽光相比，日光由更大量的紫外辐射（短于380 nm）和蓝光组成，而在较长波长处白炽光具有更大的辐亮度。这些差异对艺术品中的颜色外观以及光诱导损伤的可能性具有深远的影响（将在第5章中详细介绍）。
图1.4 室外阳光（蓝线）和60W白炽光（黄线）的光谱，在定标之前（A）和之后（B）显得同样明亮
使用分光光度计测量材料
材料之所以有颜色，是因为它们改变了照射在其上的光，这通常是吸收和散射的结果，尽管产生颜色的方法有很多种（Nassau 2001；Tilley 2011）。分光光度计是测量材料的反射率或透射率随波长变化的仪器。组件包括光源、将光聚焦到材料上并收集从材料反射或透射穿过材料的光学系统，以及像辐射光谱仪一样的衍射光栅、检测器阵列和数字转换器。白色反射标准、空气或装满溶剂试管的测量值用于校准。
反射率和透射率分别是从材料反射和透射的光与入射光量之比的测量值。如果将光源量减少，比例不会改变4。因此，我们仅测量材料的特性，而不测量光源和材料产生的相互作用（荧光材料除外；荧光量取决于光源，参见第6章所述）。
使用群青或钴蓝和二氧化钛白哑光丙烯酸分散体绘画颜料制作了两个色阶，并使用分光光度计进行了测量5，结果如图1.5和图1.6所示。请注意，绘制的是“反射系数”而不是“反射率百分比”。设计用于颜色测量的分光光度计是相对于反射所有入射光的白色材料进行校准的，“系数”阐明了这一校准。但是，为简单起见，本书中省略了“系数”。从100%白色绘画颜料到100%蓝色绘画颜料的反射率有系统的变化，其中随着蓝色绘画颜料百分比的增加，反射的光线更少。反射率的降低是吸收率增加的结果。这两种蓝色具有非常不同的光谱，特别是在长波长段。
**台专门用来测量绘画的分光光度计非常大且笨重（Wassall and Wright 1973；Wright 1981）。如今，有各种各样的手持式分光光度计非常适合测量艺术品，例如文前ⅹⅳ页所示。文森特？凡？高（Vincent van Gogh）在阿尔勒（Arles）期间画了他的《卧室》（Bedroom）的三个版本，其中两件经过了光谱分析。这两件（图1.7和图1.8）分别是阿姆斯特丹凡？高博物馆和芝加哥艺术学院永久收藏的一部分。凡？高博物馆的《卧室》包含三种蓝色：钴蓝、群青和普鲁士蓝，分别通过X射线衍射、显微拉曼光谱和X射线荧光测定（Geldof，Megens，and Salvant 2013）。人们感兴趣的是查看手持式分光光度计是否可以用于鉴定，特别是因为它的成本只是其他分析仪器的一小部分。这两幅画中左侧门的光谱反射图如图1.9所示。两种光谱在长波长下均具有高反射率。钴蓝和群青的色阶光谱是参考光谱。比较绘画和参考光谱可以清楚地指示出两幅绘画中的钴蓝。凡？高博物馆的这幅画在短波长有较低的反射率，这是由于短波长被发黄的70年之久的天然上光油吸收的结果。芝加哥艺术学院版本的上光油是无色的。两幅画的左侧门和芝加哥艺术学院版本的绿色窗框周围的轮廓都是深蓝色。窗框轮廓的光谱测量确定蓝色为群青。凡？高在使用钴蓝和群青时非常谨慎。
由于这项技术的有效性，各种艺术家着色剂的参考光谱库早在1939年就出现了（Barnes 1939），并在2001年达到顶峰（Johnston-Feller 2001）。该方法的局限性在于光谱特征随浓度而变化，使得鉴定存在困难，特别是对于非常深的着色剂。这种情况可以通过使用对数或导数来改变反射系数数据，以得到不随浓度变化而变化的光谱特征来补救（Derby 1952；Johnston and Feller 1963；Bacci 1995；Johnston-Feller 2001）
图1.5 （A）钛白和群青颜料的色阶及（B）其反射光谱。增加蓝色的浓度会增加吸收的光量，降低反射率
图1.6 （A）钛白和钴蓝绘画颜料的色阶及（B）其反射光谱。钴蓝的特征是在非常长的波长下具有高反射率，在短波长下具有手套状的形状，与胶结材料无关
图1.7 文森特？凡？高（Vincent van Gogh，荷兰人，1853～1890年），《卧室》（Bedroom），1888年。布面油画，72.4×91.4 cm（281/2×36英寸①）。阿姆斯特丹，凡？高博物馆。测量位置以红点显示
图1.8 文森特？凡？高（Vincent van Gogh，荷兰人，1853～1890年），《卧室》（Bedroom），1889年。
布面油画，73.7×93厘米（29×365/8英寸）。芝加哥艺术学院，1926.417。测量位置以红点显示
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