X-RAY RADIOGRAPHY OF PAINTINGS WITH HIGH RESOLUTION I.

Transkript

1 J. Žemlička, J. Jakůbek, J. Dudák, J. Hradilová, O. Trmalová MEASUREMENTS WITH LARGE AREA PIXEL DETECTOR X-RAY RADIOGRAPHY OF PAINTINGS WITH HIGH RESOLUTION I. TESTING AND MEASUREMENTS WITH LARGE AREA PIXEL DETECTOR Jan Žemlička, Jan Jakůbek, Jan Dudák Institute of Experimental and Applied Physics Czech Technical University in Prague Horská 3a/22, Praha 2 Czech Republic jan.zemlicka@utef.cvut.cz jan.jakubek@utef.cvut.cz jan.dudak@utef.cvut.cz Janka Hradilová Academy of Fine Arts in Prague ALMA Laboratory U Akademie 4, Prague 7 Czech Republic hradilovaj@volny.cz Olga Trmalová private restorer Czech Republic olga.trmalova@seznam.cz ABSTRACT X-ray transmission radiography is a method widely used for investigation of inner structure of objects. Imaging detector records the changes in intensity of the X-ray beam induced by its attenuation in different parts of the sample. Using the unique large area pixel detector, we are able to achieve high spatial resolution at the level of micrometres as well as unlimited contrast in the measured radiograph. A common disadvantage of measurements with pixel detectors had been, until recently, their relatively small dimensions of a few cm 2. This disadvantage has been recently successfully resolved by the development of a large area detector WidePIX10 10 composed of a matrix of pixel Timepix detectors assembled with the so-called edgeless sensors. This large area detector is fully sensitive in an area of cm and its matrix contains pixels (6.5 million pixels). This contribution presents results of measurements of forgery of a Rococo Lady miniature, partial scan of the Karlov Mother of God painting, and a full-area measurement of two paintings, the Assumption of the Virgin Mary and the Transfiguration of Christ on the Mount from the property of the National Heritage Institute, Regional Office in Kroměříž, Vizovice Chateau. The radiography of the paintings with dimensions of cm was carried out using scanning method performed in X-ray micro-radiographic laboratory of Centre of Excellence Telč (CET). The resulting radiographs with spatial resolution of 50 µm and dimensions of pixels (220 million pixels) were used for the description of inner structure of the paintings besides other non-destructive research methods. KEYWORDS: X-ray transmission radiography, pixel detectors, fine art survey Introduction The X-ray transmission radiography has been used for studies of objects from different fields of science (medicine, material science, biology) since its discovery in In the field of cultural heritage, this non-destructive method is used routinely [1 4], as it allows an insight into the inner structure of the studied work of art based on different attenuation characteristics of the studied materials. Information about the construction and condition of the work of art is very useful for the appropriate choice of conservation or restoration method. In combination with material analysis and other imaging methods (IR photography, IR reflectography, optical coherence tomography, etc.) and together with an art-historical research, it can be used even for determination of authorship or dating of the work as well as for specification of the extent of author s repaintings and later non-author interventions. The quality of the obtained radiographs is determined by the parameters of the employed imaging system, especially by the X-ray source and the imaging detector. In common commercial systems (medical or industrial), intensive X-ray sources with large focal spot together with detector systems based on CCD or CMOS technologies are usually used. A disadvantage of these systems is their optimisation for different type of objects (human body, metallic or composite components), which results in restricted object size and sensitivity for particular materials. Moreover, the employed detectors have non-linear response, suffer from the presence of noise and dark current in the image, and have a limited spatial resolution (about 1mm). The advantageous properties of individual particles-counting pixel detectors for X-ray radiography imaging have been demonstrated on samples 51

2 INTERPRETATION OF FINE ART S ANALYSES IN DIVERSE CONTEXTS 1 Photography of the X-ray radiography system in the laboratory of the Centre of Excellence Telč. The imaging detector Wide- PIX10x10, painting in fixing frame and a nano-focus X-ray tube with a calibration filters carousel are aligned in imaging axis (photo J.Žemlička) from different fields. [5 7] They include unlimited dynamic range, absence of integration and readout noise, high spatial resolution and energy sensitivity allowing material sensitive (colour) X-ray radiography. The main disadvantage of this technology has been, until recently, the relatively small sensor area of just a few cm 2. This disadvantage has been successfully resolved at the Institute of Experimental and Applied Physics, CTU (IEAP) in Prague thanks to the new technology of the so-called edgeless semiconductor sensors together with precise alignment technique and multilevel architecture of readout electronics. To demonstrate these excellent properties of pixel detectors in the field of painted works of art, a comparative measurement was performed on the painting on canvas and plywood with a motif of Karlov Mother of God, which is a loose copy of a painting after Jan Jiří Heinsh ( ). We have compared the medical radiographic system (Thomayer Hospital in Prague) with the WidePix detector. Besides the classical easel paintings, we have tested also objects with considerably different material composition, such as tinted miniature of Rococo Lady on ivory. We have decided to perform the measurements for comparative analysis of two counterpart paintings of the Assumption of the Virgin Mary and the Transfiguration of Christ on the Mount, from the property of the National Heritage Institute, Regional Office in Kroměříž, Vizovice Chateau, with dimensions of cm, by a unique radiographic system installed in the Centre of Excellence Telč (CET). Methodology and course of the work A worldwide unique noiseless large area imaging detector WidePIX is composed of a matrix of tiles of silicon pixel detectors Timepix [8, 9] that register individual photons of X-ray radiation (each tile is composed of pixels, each pixel has 52

3 J. Žemlička, J. Jakůbek, J. Dudák, J. Hradilová, O. Trmalová MEASUREMENTS WITH LARGE AREA PIXEL DETECTOR 55 µm). The WidePIX has a fully sensitive area of cm without any gaps between the tiles. The resulting area of the camera provides more than 6.5 million pixels. The detector Timepix, which has been developed within an international collaboration Medipix in CERN, is composed of a semiconductor sensor (usually silicon one) connected via bump-bonding technology to a Timepix readout chip containing separate electronics with amplifier, discriminator and a digital counter for each pixel. Consequently, the signal of each individual particle is processed independently (signal is amplified, compared to a preset energetic threshold and digitally counted). The X-ray radiographic system of the laboratory of Centre of Excellence Telč (Fig. 1), which was employed in this work, is equipped with the above-mentioned WidePIX detector and a nano-focus X-ray tube (1 µm focal spot size) mounted on a large anti-vibration table (4m 2 ) fitted with a precise positioning system. The maximal possible size of a flat sample for imaging is cm. The maximal spatial resolution of the system reaches 1 µm and its contrast is virtually unlimited thanks to the noiseless operation of the WidePIX detector. Data acquisition and control of motorized positioning system were performed using the Pixelman software. [10, 11] Measurements of the miniature on ivory and of the painting of the Karlov Mother of God were carried out using the micro-radiographic system in the IEAP laboratory equipped with micro-focus X-ray tube with 5 µm focal spot size. In case of the miniature, the exposure time was set to 30 s to sufficiently highlight small differences in attenuation of thin colour layers, voltage of the X-ray tube was set to 70 kv and power to 6 W. In case of the painting on thick wooden support, the exposure time was set to 60 s and X-ray tube voltage was set to 90 kv with power of 8 W. Since the imaged area of the painting was larger than the detector size, it was necessary to scan the painting to acquire full radiograph (details of the scanning procedure and subsequent corrections of obtained radiographies are described below). The limited size of the detector ( cm) in CET leads to the necessity of scanning over the area of the painting and acquire slightly overlapping parts of the image (the so-called tiles). For this measurement, the paintings were fixated to a static frame and the scanning was performed by synchronous movement of the X-ray tube and the detector. The system allows scanning of samples with dimensions of cm, therefore, in both cases, we had to rotate the paintings by 180 degrees in the middle of the measurement. The system allows the use of higher geometrical magnification, but the field of view would get proportionally smaller. Individual tiles were measured with the exposure time set to 60 s at 90 kv X-ray tube voltage and total power of 5 W. The whole area of the painting was covered in a series of 54 tiles (9 6). The obtained data were, due to the effect of the beam hardening, subsequently converted from the intensity data to equivalent thickness of aluminium (this correction is standardly used for all our radiographic measurements). The next step was to stitch the tiles into a final radiograph with resolution of pixels giving 220 million of pixels in total. The resulting images and discussion Tinted Miniature First of all, we tested small objects. We found that an ordinary appealing counterfeit of a portrait miniature from the second half of the 19 th century, Rococo Lady, (Fig. 2a, 3a), 5.6 x 4 cm, is very suitable for these purposes. The aim was first and foremost to ascertain whether the photograph taken of such a small object might reveal the technological traits of forgery serial production. The miniature in question is a small ivory panel with the motif transferred photographically, which is partly tinted with aquarelle and gouache. The photographic transfer was carried out without the use of silver salts. Brush painting was applied to the pre-printed motif in brownish tones according to need in order to cover up the raw brown shades and thus give the impression of a hand-painted miniature. This is a typical example of production for commercial reasons. The X-ray photograph (Fig. 2b, 3b) depicted highly delicate nuances here. The surface of the little panel, which in an authentic miniature would be entirely covered by both evident and less evident brush-strokes (according to the pigment used), is covered in the case of our exhibit with an insipid overall veil, composed of very tiny grains. On the X-ray photograph, this depicts the underprint with brown contours. The light groups of dots shown are the brush-strokes applied to the underprint. The X-ray image also depicted irregular horizontal veins of the ivory beneath the print and the painting. The depiction of the direction of the veining and its density is important for the investigation of miniatures in cases where the reverse side has a layer of paper glued to it and the ivory support cannot be studied from the back. It also revealed regular vertical grooving to the right of the lady s head (visible when highly magnified). This arose during the industrial grinding and smoothing of the little ivory panels and appears on works from the 40s of the 19 th century and later. Little panels ground in this way are often used as supports for counterfeits, but they also appear in authentic painted miniatures of this late period. 53

4 INTERPRETATION OF FINE ART S ANALYSES IN DIVERSE CONTEXTS 2 Miniature Rococo Lady (5.6 x 4 cm), forgery of a portrait miniature from the second half of the 19 th century and its X-ray image measured in the micro-radiography laboratory of IEAP; distinct light spots with sharp outlines in the right and left edge of the little panel are the remains of a golden foil, which used to cover the whole reverse side of the panel (photo in visible light J. Hradilová, X-ray photos J. Žemlička) 3 Miniature Rococo Lady (5.6 x 4 cm), forgery of a portrait miniature from the second half of the 19 th century and its X-ray image in detail (photo in visible light J. Hradilová, X-ray images J. Žemlička) According to the distribution of the grey to white colour scale in the X-ray photograph, in combination with the subsequent measurement of the chemical composition using the method of mobile X-ray fluorescence, it was even possible to determine the employed pigments. Therefore, the X-ray image accurately defined the printed and hand-painted parts of the work. It also helped to differentiate precisely between the white areas of the painting formed by the bared support and the areas with the usage of gouache white with heavy element content. In our case, it was barite white, which was further enhanced with zinc white. 54

5 J. Žemlička, J. Jakůbek, J. Dudák, J. Hradilová, O. Trmalová MEASUREMENTS WITH LARGE AREA PIXEL DETECTOR Imaging of a painting with the motif of the Karlov Mother of God For a test measurement, in which a visual comparison was made of the quality of the resulting radiogram from a medical system and from a pixel detector, we used the painting of the Karlov Mother of God. This is a loose copy of a painting after Jan Jiří Heinsh ( ) by an unknown author, 43 x 29 cm, oil on canvas, which was adjusted through an inconsiderate conservation/restoration intervention onto rough plywood in the last century (Fig. 4a). [12] In the medical system, the combination of the detector with a pixel size of 600 µm and an intensive X-ray source with large focal spot size leads to a resolution at level of one millimetre. In contrast, the second system equipped with WidePIX detector is not limited by the focal spot size of the nano-focus X-ray tube and the final resolution of 50 µm is given by the presence of manipulation space left between the painting and the detector (it is given as a ratio of the pixel size of the detector (55 µm) and a geometric magnification factor of 1.1). Significant differences visible in details are immediately apparent when comparing the two radiograms (Fig. 4b e). A detailed material description was published earlier. [12] The rough plywood, ca 1 cm thick, partly suppressed the intensity of the radiation passing through the actual painting. In spite of that, the X-ray radiograph taken by the pixel detector has very good contrast and better depicts the details in high magnification (Fig.4e). The sole fact of the existence of two different paintings painted one on top of the other can be seen at first glance. The evidently differing shapes close to the head of the Madonna are emphasised by light shades of grey passing into white, which indicates the use of pigment containing heavy elements such as lead. In the radiograms, one can clearly see the weave of the canvas on which the older oil painting was originally painted. The imaging by the pixel detector also provides better visibility of the manner of application of the individual layers of painting and emphasises the craquelure. Imaging of the counterpart paintings from the chateau chapel in Vizovice Within the framework of the following comparative investigation, two counterpart paintings, measuring 95 x 64 cm, from the chateau Chapel of the Assumption from the south wing of Vizovice Chateau, were measured. The two oil paintings on canvas come from the National Heritage Institute, Regional Office in Kroměříž, collection of the State Chateau of Vizovice. The first analysed painting was a painting by an unknown artist of the Assumption of the Virgin Mary; the counterpart painting is the Transfiguration of Christ on the Mount a loose copy of a painting by Raphael Santi (Raphael s original painting was painted on a wooden support measuring cm in the years and is today situated in the Vatican Museum Pinacoteca Vaticana). In resolving the question of the history and origin of the counterpart paintings, the X-ray photographs played a very important role. The comprehensive survey of these works is covered by a separate article in these proceedings by J. Hradilová et al. (pages 69 96). The effective pixel size of the final radiographies is 50 µm, which forms an image with a resolution of x pixels (220 million pixels). Various details with high magnification can be selected from these radiographies (very small objects can be studied using appropriate software which does not interpolate pixels of the image a square of 1 x 1 cm has a resolution of pixels). Painting of the Assumption of the Virgin Mary details A photograph of the entire painting was taken in the course of the restoration. When studying the painting of the right-hand edge of the painting in visible light (Fig. 5a) and with high-resolution radiography (Fig. 5b), we can describe with certainty the places where there is damage to the painting and its canvas support. We can find the places where the threads of the canvas have torn, the ground has fallen away and the lower painting has been washed off. It is also possible to observe the distortion of the threads by the pull of the canvas support, which has been adjusted on a stretcher frame. Detail (Fig.5c) selected from the compiled image shows the secondary overpainting of Mary s face and her halo and clear craquelure, which is emphasised with increasing magnification. Changes are also evident in the painting of her hands. The face of the angel is considerably damaged. Later brown framing covers the part of the original painting that was considerably washed away. The radiogram brought a surprise finding in the lower part of the painting with the group of Apostles and a view through to an Alpine landscape (Fig.6a, b). On the radiogram, one of the Apostles is missing he was painted in later and the pigments used did not contain heavy elements (e.g. lead pigments or vermilion or barite white). Probably, this is the author s own addition, using only earth pigments applied to the background of the landscape. Painting of the Transfiguration of Christ on the Mount details The high-resolution X-ray image revealed a completely different type of painting than in case of the preceding (counterpart) picture. The painting does not have such striking secondary overpainting. The largest interventions were found in the area of the 55

6 INTERPRETATION OF FINE ART S ANALYSES IN DIVERSE CONTEXTS a b c 56

7 J. Žemlička, J. Jakůbek, J. Dudák, J. Hradilová, O. Trmalová MEASUREMENTS WITH LARGE AREA PIXEL DETECTOR d e 4 Comparison of the radiographic measurements of a detail of the painting of the Karlov Mother of God; detail in visible light (a), radiographies measured by the medical system in the Thomayer Hospital (b, d) and radiography measured by the WidePIX detector (c, e); detail of the area marked in white is placed below the appropriate radiography (photo in visible light J. Hradilová, X-ray image from pixel detector J. Žemlička) cloudy background. There was also relatively little damage to the painting and only small areas were found where the paint had fallen off (the dark areas on the image). The painting was painted on a finer canvas support, which was also less strongly depicted. The X-ray photograph was taken before restoration and to the left of Mount Tabor it revealed a figure, which was painted in later. (Fig. 7) In Raphael s original work, there are actually two figures in this spot, but only a torso of the second figure appears on the radiogram, because it is depicted in the shadow of the first figure, therefore, it has been created mainly by brown hues not visible on the X-ray image. During the actual conservation/restoration process, both figures were uncovered. As it has already been stated, the painting was not much damaged and therefore the radiogram clearly shows sharp brushstrokes, especially in various details of the painting (Fig. 8 a, b, c). Conclusions The use of the large-area pixel detector with high resolution in the detail is particularly suitable for detailed painting, represented here by the tinted miniatures on a very thin ivory support. In the details of such small objects, it is really possible to uncover even very slight nuances showing the manner of application of the paint, the print and the photographic transfer. The method allows full-area scanning of the classic format paintings with spatial resolution of 50 µm in a few hours (detector registers 510 dots per inch DPI). Due to the dimensions of the measured paintings, it is not effective to use higher geometrical magnification, because it proportionally decreases the scanned area. When scanning an area of cm with geometrical magnification factor of 1.1, the resolution of the final radiograms is pixels (i.e. 220 million pixels). The permeability of the ground layers and of the actual painting unequivocally influences the quality of the resultant imaging. The X-ray image of a painting on earth (brown) ground taken with a classical (hospital) X-ray radiographic system is far from achieving the quality of a pixel detector. Apart from the large-area image, the new method of X-ray imaging presented in this paper enabled also the study of macro photos details. These photos are important for the description of even very tiny author s overpaintings or secondary interventions, various repairs, etc. It is possible to differentiate the style of painting in detail, as in the case of the two counterpart paintings from Vizovice, where a common origin was ruled out and the evident differences in the painting technique were described. The survey of these works is described in greater detail in the related paper by Hradilová et al. in these proceedings. Acknowledgements The paintings were borrowed from the collections of the National Heritage Institute, Regional Office in Kroměříž, Vizovice Chateau. Scanning was performed within the project NAKI DF12P01OVV048 of the ALMA laboratory, AFA in Prague and IEAP CTU in Prague. The radiographies were taken in the X-ray micro-radiography laboratory of Centre of Excellence Telč (CET) using WidePIX 10 10, a large area imaging detector registering individual photons, which was developed in IEAP CTU in Prague. 57

8 a b

9 J. Žemlička, J. Jakůbek, J. Dudák, J. Hradilová, O. Trmalová MEASUREMENTS WITH LARGE AREA PIXEL DETECTOR c 5 Upper right edge of the painting of the Assumption of the Virgin Mary in visible light, state before restoration (a), X-ray image (b) and detail (c) (photo in visible light O. Trmalová, X-ray images J. Žemlička) 59

10 a 6 Detail of the painting of the Assumption of the Virgin Mary with the author s later addition of the painting of the figure of an Apostle (indicated by arrow) in visible light, state after restoration (a), X-ray image without this figure (b) (photo in visible light O. Trmalová, X-ray images J. Žemlička) b

11 J. Žemlička, J. Jakůbek, J. Dudák, J. Hradilová, O. Trmalová MEASUREMENTS WITH LARGE AREA PIXEL DETECTOR a b c 7 Detail of the painting of the Transfiguration of Christ on the Mount with overpainting overpainted author s painting of two figures; X-ray image (a), photo in visible light in the state before restoration (b) and in visible light in the state during the initial uncovering of the oil overpainting (c) (photos in visible O. Trmalová, X-ray images J. Žemlička) References [1] Gilardoni A., Orsini Ascani R., Taccani S.: X-rays in Art. Gilardoni [2] Lang J., Middleton A.: Radiography of Cultural Material, 2nd edition. Routledge [3] Morigi M. P., Casali F., Bettuzzi M., Brancaccio R.: Application of X-ray Computed Tomography to Cultural Heritage diagnostics. Applied Physics A (2010) 100: [4] Fell V., Mould Q., White R, Jones D. M. (eds.): Guidelines on the X-radiography of archaeological metalwork. English Heritage [5] Jakubek J., Granja C., Dammer J., Tykva R., Hanus R., Uher J., Vykydal Z.: Phase contrast enhanced high resolution X-ray imaging and tomography of soft tissue. Nuclear Instruments and Methods A 571 (2007), 69. [6] Jakubek J.: Semiconductor Pixel Detectors and their Applications in Life Sciences. Journal of Instrumentation 4 (2009), P [7] Jakubek J., Dammer J., Granja C., Holy T., Pospisil S., Uher J.: Compact system for high resolution X-ray transmission radiography, in-line phase enhanced imaging and micro CT of biological samples. IEEE Nuclear Science Symposium Conference Proceeding 2006, [8 ] Llopart X., Campbell M., San Segundo D., Pernigotti E., Dinapoli R.: MediPix2, a 64k pixel readout with 55 µm square elements working in single photon counting mode. IEEE Transactions on Nuclear Science 49 (2001), [9] Llopart X., Ballabriga R., Campbell M., Tlustos L., Wong W.: Timepix, a 65k programmable pixel readout chip for arrival time, energy and/or photon counting measurements. Nuclear Instruments and Methods A 581 (2007), 485. [10] Kraus V., Holik M., Jakubek J., Kroupa M., Soukup P., Vykydal Z.: FITPix Fast Interface for Timepix Pixel Detectors. Journal of Instrumentation 6 (2011), C [11] Turecek D, Holy T., Jakubek J., Pospisil S., Vykydal Z.: Pixelman: a multi-platform data acquisition and processing software package for Medipix2, Timepix and Medipix3 detectors. Journal of Instrumentation 6 (2011), C [12] Hradilová J.: Selectetd Examples of Material Research. The story of Karlov Mother of God; In.: D. Hradil, J. Hradilová, I. Fogaš, Š. Kučková Hrdličková: Contribution of Material Analyses to Interpretation of The Painting Technique and Art Historical Research in General /in Czech/. AVU Praha 2013, p and

12 INTERPRETATION OF FINE ART S ANALYSES IN DIVERSE CONTEXTS a 8 Detail of the painting of the Transfiguration of Christ on the Mount, scene with the possessed son, lower part of the painting in visible light, state after restoration (a), X-ray image (b) and detail (c) (photo in visible light O. Trmalová, X-ray images J. Žemlička) 62

13 J. Žemlička, J. Jakůbek, J. Dudák, J. Hradilová, O. Trmalová MEASUREMENTS WITH LARGE AREA PIXEL DETECTOR b c 63

14 INTERPRETACE ANALÝZ VÝTVARNÉHO UMĚNÍ V RŮZNÝCH KONTEXTECH RADIOGRAFIE MALEB S VYSOKÝM ROZLIŠENÍM I. TESTOVÁNÍ A MĚŘENÍ VELKOPLOŠNÝM PIXELOVÝM DETEKTOREM Jan Žemlička, Jan Jakůbek, Jan Dudák Ústav technické a experimentální fyziky, České vysoké učení technické v Praze, Horská 3a/22, Praha 2 jan.zemlicka@utef.cvut.cz jan.jakubek@utef.cvut.cz jan.dudak@utef.cvut.cz Janka Hradilová Akademie výtvarných umění v Praze Laboratoř ALMA U Akademie 4, Praha 7 hradilovaj@volny.cz Olga Trmalová soukromý restaurátor olga.trmalova@seznam.cz ABSTRAKT Rentgenová transmisní radiografie je široce rozšířená metoda pro zkoumání vnitřní struktury objektů. Zobrazovacím detektorem je zaznamenán obraz útlumu intenzity svazku vyvolaný různými částmi vzorku. Při použití unikátního velkoplošného pixelového detektoru lze dosáhnout vysokého rozlišení na úrovni jednotek mikrometrů a neomezeného kontrastu v měřeném radiogramu. Častou komplikací při měření s pixelovými detektory byla donedávna jejich omezená velikost v řádu jednotek cm 2. Tato nevýhoda byla v současné době úspěšně odstraněna vytvořením velkoplošného detektoru WidePIX10 10 složeného z matice pixelových detektorů Timepix osazených tzv. bezhranovými senzory. Tento velkoplošný detektor je plně citlivý v ploše 14,3 14,3 cm a jeho matice obsahuje pixelů (6,5 miliónu pixelů). V příspěvku jsou prezentovány výsledky z měření falzifikátu miniatury Rokoková Dáma, části obrazu Karlovské Matky Boží a z celoplošného snímání obrazů Nanebevzetí Panny Marie a Proměnění Páně na hoře z vlastnictví Národního památkového ústavu, Územní památkové správy v Kroměříži, fondu státního zámku Vizovice. Radiografie obrazů o rozměrech cm byly pořízeny metodou skenování v rentgenové mikro- -radiografické laboratoři Centra Excelence Telč (CET). Výsledné radiogramy s rozlišením 50 µm o rozměru pixelů (220 miliónu pixelů) byly použity k popisu vnitřní struktury malířských děl vedle dalších neinvazivních průzkumových metod. KLÍČOVÁ SLOVA: rentgenová transmisní radiografie, pixelové detektory, průzkum uměleckých děl Úvod Rentgenová transmisní radiografie se již od svého objevu v roce 1895 používá pro průzkum objektů z různých odvětví (medicína, materiálové vědy, biologie). V oblasti kulturního dědictví je tato nedestruktivní metoda využívána rutinně [1 4], neboť na základě rozdílných útlumových charakteristik jednotlivých materiálů dovoluje nahlédnout do vnitřní struktury zkoumaného díla. Právě informace o výstavbě a stavu díla jsou velmi užitečné pro vhodnou volbu konzervační či restaurátorské metody. V kombinaci s materiálovým průzkumem a s dalšími zobrazovacími metodami (IR fotografie, IR reflektografie, optická koherentní tomografie aj.) a ve spojení s uměleckohistorickým výzkumem je možné ji využít i pro určení autorství či dataci díla a vymezit rozsah jak autorských přemaleb, tak pozdějších neautorských zásahů. Kvalita získaných radiogramů je určena parametry použitého zobrazovacího systému, ve kterém hrají klíčovou roli zdroj rentgenového záření a zobrazovací detektor. V běžných komerčních systémech (medicínských či průmyslových) jsou využívány intenzivní zdroje rentgenového záření s velkým vyzařovacím bodem společně s detekčními systémy postavenými na CCD či CMOS technologiích. Nevýhodou těchto systémů je jejich optimalizace pro jinou třídu objektů (lidské tělo, kovové či kompozitní součástky) a z toho plynoucí omezení velikosti objektů a citlivost na konkrétní materiály. Používané detektory navíc nemají lineární odezvu, trpí přítomností šumu a temného proudu v obraze a v neposlední řadě mají i omezenou rozlišovací schopnost (cca 1 mm). 64

15 J. Žemlička, J. Jakůbek, J. Dudák, J. Hradilová, O. Trmalová MĚŘENÍ VELKOPLOŠNÝM PIXELOVÝM DETEKTOREM Výhodné vlastnosti pixelových detektorů počítajících jednotlivé částice pro rentgenografické zobrazování již byly demonstrovány pro vzorky z rozličných oblastí. [5 7] Patří mezi ně zejména neomezený dynamický rozsah, absence integračního a čtecího šumu, vysoká rozlišovací schopnost a energetická citlivost umožňující materiálově citlivou (barevnou) rentgenovou radiografii. Hlavní nevýhodou této technologie byla do nedávna relativně malá plocha sensorů v řádu několika cm 2. Tato nevýhoda byla úspěšně odstraněna v Ústavu technické a experimentální fyziky ČVUT v Praze (ÚTEF) díky nové technologii tzv. bezhranových polovodičových sensorů spolu s technikou přesné montáže a víceúrovňové architektury čtecí elektroniky. Pro demonstraci těchto vynikajících vlastností pixelových detektorů v oblasti malířských výtvarných děl jsme provedli srovnávací měření na malbě na plátně a překližce s motivem Karlovské Matky Boží, která je volnou kopii obrazu podle Jana Jiřího Heinshe ( ). Srovnávali jsme medicínský radiografický systém (Thomayerova nemocnice v Praze) s detektorem WidePIX Vedle klasických závěsných obrazů jsme testovali i materiálově značně odlišné typy objektů, například kolorovanou miniaturu Rokoková Dáma na slonovině. Pro srovnávací analýzu dvou protějškových obrazů Nanebevzetí Panny Marie a Proměnění Páně na hoře z majetku Národního památkového ústavu, ÚPS v Kroměříži o rozměrech 95 x 64 cm jsme se pak rozhodli měření provést na unikátním radiografickém systému instalovaném v Centru excelence Telč (CET). Metodika a postup vlastní práce Světově unikátní bezšumový velkoplošný zobrazovací detektor WidePIX je tvořen maticí dlaždic tvořených křemíkovými pixelovými detektory Timepix [8, 9] registrujícími jednotlivé fotony rentgenového záření (každá dlaždice se skládá z pixelů, každý o velikosti 55 µm). WidePIX je plně citlivý v ploše 14,3 14,3 cm 2 bez jakýchkoli mezer mezi dlaždicemi. Výsledná plocha kamery poskytuje více než 6,5 milionu pixelů. Detektor Timepix vyvinutý v rámci mezinárodní spolupráce Medipix v CERN je sestaven z polovodičového sensoru (obvykle křemíkového) připojeného technologií bump-bondingu ke čtecímu čipu Timepix obsahujícímu vlastní elektroniku se zesilovačem, diskriminátorem a digitálním čítačem pro každý pixel. Tak je signál každé individuální částice zpracováván nezávisle (signál je zesílen, porovnán s přednastaveným energetickým prahem a digitálně započítán). Rentgenový radiografický systém laboratoře Centra Excellence v Telči (obr. 1), který byl použit v této práci je vybaven již zmíněným detektorem WidePIX 10x10 a rentgenkou typu nano-fokus (velikost vyzařovací skvrny 1 µm)upevněné na velkém antivibračním stole (4 m 2 ) osazeném přesným polohovacím systémem. Maximální možná velikost plochého vzorku pro zobrazování je cm. Maximální rozlišovací schopnost tohoto systému nicméně dosahuje až 1 µm a jeho kontrast je virtuálně neomezený díky absenci šumu v datech měřených detektorem WidePIX Akvizice dat z detektoru a řízení motorizovaných posuvů v systému probíhalo pomocí softwaru Pixelman. [10, 11] Měření miniatury na slonovině a obrazu Karlovské Matky Boží byla provedena na mikro-radiografickém systému v laboratoři ÚTEF vybaveném mikrofokus rentgenkou s vyzařovacím bodem o velikosti 5 µm. Pro miniaturu byla expoziční doba nastavena na 30 s pro dostatečné zvýraznění malých rozdílů v útlumu tenkých barevných vrstev při nastavení napětí na rentgence 70 kv a výkonu 6 W. Pro měření obrazu na silné dřevěné podložce jsme expoziční dobu volili 60 s, napětí rentgenky 90 kv a výkon 8W. Pro nasnímání části obrazu již bylo nutné obraz skenovat (detaily skenovací procedury a následných korekcí získaných radiografií jsou popsány níže). Při měření v CET bylo nutné vzhledem k omezené velikosti detektoru (14,3 14,3 cm) provést snímání po částech naskenováním jednotlivých na sebe navazujících, mírně se překrývajících částí obrazu (takzvaných dlaždic). Pro toto měření byly obrazy zafixované do statického rámu a skenování bylo zajištěno synchronním pohybem rentgenky a detektoru. Systém dovoluje skenování vzorku o rozměrech cm, a proto bylo v obou případech nutné v polovině měření obrazy otočit o 180 stupňů. Systém dovoluje použití většího geometrického zvětšení, avšak pokrytá měřitelná plocha obrazu by se úměrně zmenšovala. Jednotlivé dlaždice byly měřeny s expoziční dobou nastavenou na 60 s při napětí rentgenky 90 kv a celkovém výkonu 5 W. Celá plocha obrazu byla pokryta sérií 54 dlaždic (9 6), které byly následně kvůli efektu tvrdnutí svazku převedeny z intenzitních dat na ekvivalentní tloušťku hliníku (tato korekce je standardně používána pro všechna naše radiografická měření). Dalším krokem bylo sesazení jednotlivých dlaždic do výsledného radiogramu o rozlišení pixelů, což je celkem 220 miliónu pixelů. Výsledné snímky a diskuse Kolorovaná miniatura Nejprve jsme testovali malé objekty. Pro tyto účely se ukázal jako velmi vhodný běžný líbivý falzifikát portrétní miniatury z 2. poloviny 19. století Rokoková Dáma, 5,6 x 4 cm. (obr.2a, 3a). Cílem bylo především 65

16 INTERPRETACE ANALÝZ VÝTVARNÉHO UMĚNÍ V RŮZNÝCH KONTEXTECH zjistit, jestli získaný snímek z tak malého objektu může prozradit technologické znaky sériové výroby. Jde totiž o slonovinovou destičku s fotograficky přeneseným motivem, která je částečně kolorovaná akvarelem a kvašem. Fotografický přenos byl proveden bez použití stříbrných soli. Na předtištěný motiv v hnědavých tónech je podle potřeby nanesena štětcová malba, aby zakryla syrové hnědé odstíny a navodila tak zdání ručně malované miniatury. Je to typický příklad produkce vyráběné z komerčních důvodů. RTG snímek (obr. 2b, 3b) zde zobrazil velmi jemné nuance. Plocha destičky, která by u pravé miniatury byla celá pokrytá výraznými i méně výraznými (dle použitého pigmentu) tahy štětce, je v případě našeho exponátu pokryta mdlým celoplošným závojem, který je složený z velmi drobných krupiček. Takto se na RTG snímku zobrazil podtisk s hnědými konturami. Zobrazené světlé shluky skvrn jsou pak štětcové tahy nanesené na podtisk. Rentgenový snímek zobrazil i nepravidelné vodorovné žilkování slonoviny pod tiskem s malbou. Zobrazení směru žilkování a jeho hustoty je důležité pro průzkum miniatur v případech, kdy je zadní strana přelepena papírovou vrstvou a nelze studovat slonovinovou podložku ze zadní strany. Dále odhalil též pravidelné svislé rýhování napravo od hlavy dámy (patrné při silném zvětšení). To vzniklo při průmyslovém zabrušování slonovinových destiček a objevuje se až u děl ze 40. let 19. století a výše. Takto zabrušované destičky jsou často podložkou falzifikátů, ale objevují se i u pravých malovaných miniatur z tohoto pozdního období. Podle rozložení šedé až bílé barevné škály v RTG snímku v kombinaci s následným měřením chemického složení metodou mobilní rtg. fluorescence bylo možné určit i použité pigmenty. RTG snímek nám tedy přesně vymezil tištěné a ručně malované části díla. Dále pomohl přesně od sebe oddělit bílé plochy malby vytvořené obnaženou destičkou od ploch s použitím kvašové běloby s obsahem těžkých prvků. V našem případě šlo o barytovou bělobu, která byla dotovaná ještě zinkovou bělobou. Snímkování obrazu s motivem Karlovské Matky Boží Pro pilotní měření, na kterém bylo provedeno vizuální srovnání kvality výsledného radiogramu z medicínského systému a z pixelového detektoru, byl použit obraz Karlovské Matky Boží. Jde o volnou kopii obrazu podle Jana Jiřího Heinshe ( ) od neznámého autora, 43 x 29 cm, olej na plátně, která byla nešetrným restaurátorským zásahem v minulém století adjustována na hrubou překližku (obr. 4a). [12] Detektor prvního ze systémů (medicínského) má velikost pixelu 600 µm a v kombinaci s intenzivní rentgenkou s velkým vyzařovacím bodem dosahuje rozlišení na úrovni jednoho milimetru. Oproti tomu druhý systém není omezen velikostí vyzařovacího bodu rentgenky typu nano-fokus, rozlišení 50 µm při měřeních vzniká přítomností manipulačního prostoru ponechaného mezi obrazem a detektorem a je dáno jako podíl velikosti pixelů detektoru 55 µm a geometrického zvětšením systému 1,1krát. Při porovnání obou radiogramů (obr. 4b e) je ihned patrný výrazný rozdíl v detailech. Podrobný materiálový popis byl publikován již dříve. [12] Hrubá překližka o tloušťce cca 1 cm intenzitu prozáření samotného obrazu částečně utlumila. I přesto je rentgenogram snímaný pixelovým detektorem velmi kontrastní a lépe zobrazuje detaily při velkém zvětšení (obr. 4e). Samotný fakt existence dvou různých maleb malovaných na sobě je možno zachytit již z prvního pohledu. Zřetelně odlišné tvary u hlavy Madony jsou zvýrazněny světlými odstíny šedi přecházející až do bílé, což indikuje použití pigmentu s obsahem těžkých prvků, např. olova. V rentgenogramech je dobře viditelná vazba plátna, na které byla původně namalována starší olejomalba. Zobrazení pixelovým detektorem umožňuje také lépe zviditelnit způsob nanášení jednotlivých vrstev malby a zvýraznit krakeláž. Snímkování protějškových obrazů ze zámecké kaple ve Vizovicích V rámci navazujícího srovnávacího průzkumu byly měřeny dva protějškové obrazy ze zámecké kaple Nanebevzetí Panny Marie z jižního křídla vizovického zámku o rozměrech cm. Obě olejomalby na plátně pocházejí z majetku Národního památkového ústavu, ÚPS v Kroměříži, fondu státního zámku Vizovice. Prvním měřeným obrazem je obraz od neznámého malíře Nanebevzetí Panny Marie; jeho protějškovým obrazem je pak Proměnění Páně na hoře - volná kopie malby Rafaela Santi (původní Rafaelův obraz byl malován na dřevěné podložce s rozměry cm v letech , dnes je umístěn ve Vatikánském muzeu Pinacoteca Vaticana). Při řešení otázky historie a původu protějškových obrazů sehrály RTG snímky velmi důležitou roli. Komplexní průzkum těchto děl je zpracován v samostatném článku J. Hradilové a kol. v tomto sborníku (s ). Efektivní velikost pixelů finálních radiografií je 50 µm, což tvoří obraz s rozlišením pixelů (220 miliónů pixelů). Z těchto RTG snímků je možné vybírat různé detaily, které můžeme značně zvětšovat (při použití vhodného zobrazovacího software, který neprovádí interpolaci obrazu, lze studovat i velmi malé objekty čtverec 1 1 cm má rozlišení pixelů). 66

17 J. Žemlička, J. Jakůbek, J. Dudák, J. Hradilová, O. Trmalová MĚŘENÍ VELKOPLOŠNÝM PIXELOVÝM DETEKTOREM Obraz Nanebevzetí Panny Marie detaily Celoplošný snímek byl pořízen v průběhu restaurování. Při studiu malby pravého okraje obrazu ve viditelném světle (obr. 5a) a radiografií s vysokým rozlišením (obr. 5b) můžeme s jistotou popsat místa poškození malby a její plátěné podložky. Můžeme najít místa s protrženými nitěmi plátna, vypadaným podkladem a vymytou spodní malbou. Je možné si povšimnout i deformace nití v tahu plátěné podložky, která je adjustovaná na napínací rám. Detail (obr.5c) vybraný ze sestaveného snímku zobrazuje druhotné přemalby tváře Panny Marie a její svatozáře a jasnou krakeláž, která se s rostoucím zvětšením zvýrazňuje. Změny jsou zřetelné i v malbě jejích rukou. Tvář anděla je značně poničená. Hnědé pozdější orámování překrývá značně vymytou část původní malby. Překvapení přinesl RTG snímek v dolní části obrazu v místě se skupinou apoštolů a průhledem do alpské krajiny (obr.6a,b). Na RTG snímku totiž jeden z apoštolů chybí - byl domalován až na malbu hotového pozadí později, a to pigmenty neobsahujícími těžké prvky (např. olovnaté pigmenty nebo rumělku či barytovou bělobu). Jde o autorskou (do) malbu pouze s použitím hlinek, která byla nanesena na pozadí krajinomalby. Obraz Proměnění Páně na hoře detaily RTG snímek ve vysokém rozlišení odkryl zcela jiný typ malby než u předchozího (protějškového) obrazu. Malba není tak výrazně druhotně přemalována. Největší zásahy byly zjištěny v místě oblačného pozadí. Relativně malé bylo i poškození obrazu, byla zjištěna jen drobná místa s vypadanou malbou (tmavá místa na snímku). Obraz byl namalován na jemnější plátěné položce, která se již tak výrazně neprokreslovala. RTG snímek byl pořízen před restaurováním a zcela nalevo od hory Tábor odhalil postavu, která byla později zamalována (obr. 7). V originálním Rafaelově díle jsou dokonce v tomto místě postavy dvě, ta druhá je však na rentgenogramu vidět pouze torzálně, neboť je zobrazena ve stínu první postavy, a tak bylo k jejímu vytvoření použito převážně hnědých odstínů, které RTG nezobrazil. Při vlastním restaurování byly obě postavy odkryty. Jak již bylo řečeno, obraz nebyl výrazně poničen i proto jsou na rentgenogramu krásně patrné ostré tahy štětce, zejména v různých detailech malby (obr. 8 a, b, c). miniaturami na velmi tenké slonovinové podložce. V detailech takto malých objektů lze skutečně odhalit i velmi jemné nuance prokazující způsob nanášení malby, tisku, fotografického přenosu. Při snímání obrazů klasických formátů umožňuje metoda v dostupném čase několika hodin vytvořit celoplošnou radiografii zkoumaného díla s rozlišením na úrovni 50 µm (detektor snímá 510 bodů na palec - DPI). Vzhledem k velikosti měřených obrazů zatím nebylo účelné využívat pro měření geometrického zvětšení, neboť by došlo ke zmenšení plochy, kterou je systém schopen měřit. Při skenování plochy cm s geometrickým zvětšením 1,1krát je rozlišení měřených radiogramů pixelů (tedy 220 milionů pixelů). Propustnost podkladových vrstev a vlastní malby jednoznačně ovlivňuje kvalitu výsledného zobrazení. RTG snímek malby na hlinkovém (hnědém) podkladu snímaný klasickým (nemocničním) rentgenovým radiografickým systémem zdaleka nedosahuje kvality pixelového detektoru. Nový způsob RTG zobrazení prezentovaný v tomto článku umožnil kromě velkoplošného snímku studovat i makrosnímky detaily. Tyto snímky jsou důležité k popisu i velmi drobných autorských přemaleb nebo druhotných zásahů, různých oprav apod. Rozlišit lze v detailu způsob malby jako v případě dvou protějškových obrazů z Vizovic, kde byl vyloučen společný původ a popsány zřetelné odlišnosti v technice malby. Podrobněji se výzkumu těchto děl věnuje navazující článek Hradilové a kol. v tomto sborníku. Poděkování Obrazy byly zapůjčeny ze sbírek Národního památkového ústavu, Územní památkové správy v Kroměříži, fondu státního zámku Vizovice. Snímání bylo provedeno v rámci projektu NAKI DF12P01OVV048 laboratoře ALMA, AVU v Praze a ÚTEF ČVUT v Praze. Radiografie byly pořízeny v rentgenové mikro-radiografické laboratoři Centra Excelence Telč (CET) pomocí velkoplošného zobrazovacího detektoru registrujícího jednotlivé fotony WidePIX10 10, který byl vyvinut v ÚTEF ČVUT v Praze. Závěry Použití velkoplošného pixelového detektoru s vysokým rozlišením v detailu se především hodí pro detailní malbu, zde reprezentovanou kolorovanými 67

18 INTERPRETACE ANALÝZ VÝTVARNÉHO UMĚNÍ V RŮZNÝCH KONTEXTECH Seznam literatury [1] Gilardoni A., Orsini Ascani R., Taccani S.: X-rays in Art. Gilardoni [2] Lang J., Middleton A.: Radiography of Cultural Material, 2nd edition. Routledge [3] Morigi M. P., Casali F., Bettuzzi M., Brancaccio R.: Application of X-ray Computed Tomography to Cultural Heritage diagnostics. Applied Physics A (2010) 100: [4] Fell V., Mould Q., White R, Jones D. M. (eds.): Guidelines on the X-radiography of archaeological metalwork. English Heritage [5] Jakubek J., Granja C., Dammer J., Tykva R., Hanus R., Uher J., Vykydal Z.: Phase contrast enhanced high resolution X-ray imaging and tomography of soft tissue. Nuclear Instruments and Methods A 571 (2007), 69. [6] Jakubek J.: Semiconductor Pixel Detectors and their Applications in Life Sciences. Journal of Instrumentation 4 (2009), P [7] Jakubek J., Dammer J., Granja C., Holy T., Pospisil S., Uher J.: Compact system for high resolution X-ray transmission radiography, in-line phase enhanced imaging and micro CT of biological samples. IEEE Nuclear Science Symposium Conference Proceeding 2006, [8] Llopart X., Campbell M., San Segundo D., Pernigotti E., Dinapoli R.: MediPix2, a 64k pixel readout with 55 µm square elements working in single photon counting mode. IEEE Transactions on Nuclear Science 49 (2001), [9] Llopart X., Ballabriga R., Campbell M., Tlustos L., Wong W.: Timepix, a 65k programmable pixel readout chip for arrival time, energy and/or photon counting measurements. Nuclear Instruments and Methods A 581 (2007), 485. [10] Kraus V., Holik M., Jakubek J., Kroupa M., Soukup P., Vykydal Z.: FITPix Fast Interface for Timepix Pixel Detectors. Journal of Instrumentation 6 (2011), C [11] Turecek D, Holy T., Jakubek J., Pospisil S., Vykydal Z.: Pixelman: a multi-platform data acquisition and processing software package for Medipix2, Timepix and Medipix3 detectors. Journal of Instrumentation 6 (2011), C [12] Hradilová J.: Vybrané ukázky z materiálového průzkumu. Příběh Karlovské Matky Boží. In. D. Hradil, J. Hradilová, I. Fogaš, Š. Kučková Hrdličková: Přínos materiálových analýz pro interpretaci techniky malby a umělecko-historická bádání obecně. AVU Praha 2013, p and 84. Seznam obrázků 1 Fotografie rentgenového radiografického systému laboratoře Centra excelence v Telči, v zobrazovací ose je zleva umístěn detektor WidePIX10 10, fixační rám s obrazem a nano-fokus rentgenka s diskem kalibračních filtrů (foto J. Žemlička) 2 Miniatura Rokoková Dáma (5,6 x 4 cm) falzifikát portrétní miniatury z 2. poloviny 19. století a její RTG snímek měřený v mikro-radiografické laboratoři ÚTEF; výrazné světlé skvrny s ostrými liniemi při pravém a levém okraji jsou zbytky zlaté fólie, která v minulosti pokrývala celou zadní plochu destičky (foto ve viditelném světle J. Hradilová, RTG snímky J. Žemlička) 3 Miniatura Rokoková Dáma (5,6 x 4 cm) falzifikát portrétní miniatury z 2. poloviny 19. století a její RTG snímek v detailu (foto ve viditelném světle J. Hradilová, RTG snímky J. Žemlička) 4 Srovnání radiografických měření detailu z obrazu Karlovské Matky Boží; detail ve viditelném světle (a), radiografie měřená medicínským systémem v Thomayerově nemocnici (b, d) a radiografie měřená detektorem WidePIX (c, e); detail červeně vyznačené oblasti je umístěn pod příslušnou radiografií (foto ve viditelném světle J. Hradilová, RTG snímek z pixelového detektoru J. Žemlička) 5 Horní pravý okraj obrazu Nanebevzetí Panny Marie ve viditelném světle, stav před restaurováním (a), RTG snímek (b) a detail (c) (foto ve viditelném světle O. Trmalová, RTG snímky J. Žemlička) 6 Detail obrazu Nanebevzetí Panny Marie s pozdější domalovanou autorskou malbou postavy apoštola ve viditelném světle, stav po restaurování (a), RTG snímek bez této postavy (b) (foto ve viditelném světle O. Trmalová, RTG snímky J. Žemlička) 7 Detail obrazu Proměnění Páně na hoře s přemalbou - zamalovanou autorskou malbou dvou postav; RTG snímek (a), snímek ve viditelném světle ve stavu před restaurováním (b) a ve viditelném světle ve stavu v průběhu počátečního odkryvu olejové přemalby (c) (foto ve viditelném světle O. Trmalová, RTG snímky J. Žemlička) 8 Detail obrazu Proměnění Páně na hoře, scéna s posedlým synem, spodní část obrazu ve viditelném světle, stav po restaurování (a), RTG snímek (b) a detail (c) (foto ve viditelném světle O. Trmalová, RTG snímky J. Žemlička) 68