Fluorescenza visibile indotta da radiazione ultravioletta
Fluorescenza visibile indotta da radiazione
ultravioletta fotografata con Nikon D300/D300s
A cura di: Mauro Manaresi
link originale: http://www.nikonschool.it/experience/fluorescenza6.php
Visibile
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UVF
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Premessa
L'archeometria è la disciplina sperimentale che, impiegando metodologie scientifiche e informatiche per condurre indagini multidisciplinari, consente non solo di studiare e caratterizzare i beni culturali e archeologici, ma anche di orientare le operazioni di conservazione e di restauro.
Le tecniche archeometriche si suddividono in base a diversi criteri e metodi di ricerca. Risultano interessanti per questa eXperience i metodi per immagini (o remote sensing), ovvero le tecniche archeometriche che utilizzano tecniche fotografiche speciali che consentono la registrazione di fenomeni ottici dovuti a radiazioni riflesse, trasmesse o emesse dalla materia quando questa è colpita da radiazioni differenti da quelle della luce visibile.
Lo scopo di questa Experience, è di valutare l'impiego di una DSLR Nikon D300 come strumento di remote sensing nell'acquisizione di immagini della fluorescenza visibile indotta da radiazione ultravioletta.
Fluorescenza visibile indotta da radiazione ultravioletta "UVF"
Lo spettro elettromagnetico delle radiazioni ultraviolette, che si estende dai 380-400nm del confine del visibile, ai 10nm dei raggi X cosiddetti molli, è diviso in quattro bande:
- UV vicino (320-400nm) o long-wave UV, induce fenomeni di fluorescenza visibile in molti materiali organici e inorganici
- UV medio (280-320nm)
- UV lontano (200-280nm) o short-wave UV, induce fotoluminescenza in molti minerali e gemme
- UV di vuoto (10-200nm)
Si dà il nome di fluorescenza a quei fenomeni ottici nei quali un materiale, colpito da radiazioni elettromagnetiche di certe lunghezze d'onda, riemette radiazioni con lunghezze d'onda superiori a quelle della radiazione incidente. I raggi incidenti vengono detti primari, mentre quelli che costituiscono la fluorescenza, secondari.
La fluorescenza visibile indotta da radiazione ultravioletta, abbreviata in Fluorescenza Ultravioletta (UVF), è una tecnica di analisi archeometrica per immagini non invasiva e non distruttiva.
La fluorescenza UV è la proprietà che posseggono alcuni corpi di emettere radiazioni di energia minore, quindi a maggiore lunghezza d'onda, nella banda del visibile quando sono sottoposti ad irraggiamento con radiazione UV. Quando questo avviene si dice che la sostanza è fluorescente. Il fenomeno, che termina in pratica quando cessa l'eccitazione (con ritardi nell'ordine di 10-9 – 10-3s), ha spesso entità molto modesta e risulta osservabile solo in un ambiente totalmente oscurato e dopo un adattamento visivo dell'occhio a bassi livelli di luminosità.
Le analisi consistono nello studio della risposta che si ottiene osservando nel visibile superfici illuminate con radiazione ultravioletta di tipo UVA. La componente visibile così emessa dalle sostanze (radiazione di fluorescenza), può essere registrata fotograficamente. Quando si usa l'ultravioletto come radiazione di eccitazione, la fluorescenza si manifesta in gran parte nella regione dello spettro visibile all'occhio umano, ed è quindi costituita da radiazioni che l'occhio umano è in grado di vedere. Oltre che una tecnica fotografica è innanzitutto un fenomeno direttamente osservabile.
I fenomeni che determinano la fluorescenza sono piuttosto complessi e, in alcuni casi, non sono ancora completamente spiegabili dal punto di vista teorico; solo il meccanismo nelle sue linee generali è noto.
L'importanza di questa tecnica, nel caso dei manoscritti, è legata alla possibilità di rendere leggibili scritture cancellate o molto sbiadite. Questo perché l'inchiostro dei manoscritti può essere composto da materiale organico il quale ha, appunto, la proprietà di essere fluorescente se stimolato dalla radiazione ultravioletta. Ciò permette, qualora l'inchiostro non sia stato completamente cancellato per via meccanica o chimica (ad esempio, a seguito di lavaggi della pergamena nei casi di riutilizzo della stessa), di restituire leggibilità ai testi cancellati o poco leggibili.
Tecnica di ripresa
Lo schema teorico riportato dalla letteratura scientifica per la registrazione della fluorescenza visibile indotta da radiazione ultravioletta prevede:
- una lampada di Wood per generare la radiazione ultravioletta;
- un filtro UV pass da anteporre alla lampada di Wood in modo da arrestare la componente parassita visibile;
- un'apparecchiatura fotografica;
- un filtro che elimini la componente UV fino a circa 400nm da anteporre all'obiettivo dell'apparecchiatura fotografica in modo da eliminare l'UV riflesso dal soggetto;
- una stanza completamente buia.
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Preparazione, impostazioni fotocamera e sessione di ripresa
Per questa eXperience, sono state analizzate tre pergamene conservate presso il Fondo Antico della Biblioteca Comunale di Santarcangelo di Romagna.
Le pergamene analizzate sono così archiviate:
- Frammento n. 4 - fondo antico 25555 (pergamena non distaccata)
- Frammento n. 7 - fondo antico 25382 (pergamena non distaccata)
- Frammento n. 8 - busta restituzione prof. Augusto Campana, archivio segreto (pergamena distaccata)
- FRAMMENTO N. 8
Il primo frammento analizzato e fotografato, è stato il frammento n. 8. Una volta posizionata la pergamena sopra un cartoncino bianco, ho proceduto a posizionare la macchina fotografica perpendicolarmente alla pergamena, e ho effettuato le prime riprese a luce ambiente per l'archivio digitale della “Genizah Italiana”.
Prima di tutto ho bilanciato manualmente il bianco con l'Expodisc in base alla fonte di luce, poi ho impostato la D300 in manuale, ho selezionato la sensibilità su ISO 200 (tutte le foto di questa Experience sono state scattate con questa sensibilità), e ho selezionato un diaframma f13, in modo da avere una messa a fuoco omogenea su tutta l'area di campo inquadrata e poter così leggere tutto il testo. Successivamente, ho bilanciato l'esposizione, posizionando la parte grigia dell'Ezybalance sulla pergamena. A questo punto ho iniziato la sessione di ripresa acquisendo immagini rigorosamente in formato RAW/NEF 14 bit.
Successivamente, ho montato la lampada di Wood con il supporto Manfrotto, ho oscurato completamente la stanza e ho sostituito il cartoncino bianco con uno nero opaco. Poiché per questo tipo di foto, il cui fine è quello di leggere il testo che risulta cancellato, non sono importanti i parametri di bilanciamento del bianco e dell'esposizione, ho impostato la macchina a priorità di diaframmi, impostando sempre un diaframma 13, e ho selezionato la modalità di bilanciamento del bianco automatico. Il tempo di scatto in queste condizioni di luce, è stato pari a 20 secondi.
Ovviamente la distanza tra la fotocamera e la pergamena, è stata ridotta per ottenere il maggior effetto possibile di fluorescenza (se emessa) con la lampada di Wood più vicina. Essendo un test preliminare, dopo un'analisi a occhio nudo della fluorescenza, ho proceduto a scattare solamente le porzioni della pergamena più rovinate e che mettevano maggiormente in risalto la fluorescenza dell'inchiostro, in cui si è potuto notare che, grazie alla lampada di Wood, il testo diventava leggibile.
Dopo aver lasciato accesa la lampada di Wood per qualche istante, ho proceduto ad effettuare gli scatti in formato RAW/NEF 14 bit sia senza filtro UV, che con filtro UV.
Frammento 8: Lato interno
Set di ripresa
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LATO INTERNO Zona 1
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Visibile
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UVF
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LATO INTERNO Zona 2
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Visibile
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UVF
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LATO INTERNO Zona 3
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Visibile
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UVF
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La Nikon D300 è perfettamente in grado di registrare la fluorescenza visibile indotta da radiazione ultravioletta, consentendo di leggere il testo che altrimenti risulterebbe illeggibile o di difficile interpretazione.
Successivamente ho ripetuto la prova montando il filtro UV Hoya senza però ottenere apprezzabili miglioramenti. Evidentemente, occorre conoscere esattamente quanta parte di UV “taglia” il filtro UV cut già montato sulla D300 e successivamente anteporre all'obiettivo un ulteriore UV cut che tolga integralmente l'UV riflesso dalla pergamena. Vorrei sottolineare che, a parte l'effetto azzurrato dell'immagine, l'UV riflesso registrato non toglie informazioni.
LATO INTERNO Zona 1
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Non sempre è possibile leggere il testo delle pergamene che si presentano di difficile lettura o completamente illeggibili a occhio nudo. Questo succede perché a volte, il testo della pergamena riutilizzata, è stato completamente eraso meccanicamente senza lasciare la benché minima traccia di inchiostro, oppure perché gli inchiostri utilizzati non contengono materiali organici fluorescenti. In questo caso, anche sottoponendo la pergamena alla lampada di Wood, questa rimane completamente illeggibile. Nella parte di pergamena riutilizzata che doveva essere posta all'esterno del volume, solitamente il testo veniva cancellato meccanicamente tramite uno strumento dedicato. Ho quindi fotografato due zone della parte esterna della pergamena per verificare la presenza o meno di inchiostro dopo il trattamento di cancellazione del testo.
LATO ESTERNO Zona 1
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Visibile
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UVF
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LATO ESTERNO Zona 2
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Visibile
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UVF
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- FRAMMENTO N. 7
Il secondo frammento analizzato è il n. 7, questa volta ancora attaccato al registro. La copertina, si presenta come un collage di diverse pergamene. Dopo aver scattato una foto in luce visibile per l'archivio della “Genizah Italiana”, sono state eseguite le riprese utilizzando la lampada di Wood.
- FRAMMENTO N. 4
Anche nell'ultimo frammento preso in esame, il n. 4, i risultati sono stati i medesimi del precedente.
Un caso interessante: il frammento di Foligno
All'Archivio di Stato di Foligno è conservato un frammento di manoscritto ebraico di notevole importanza. Il frammento, che è un bifoglio intero centrale di fascicolo e pertanto contenente ben 4 pagine consecutive di testo, ci restituisce parte di un'opera molto rara (Midrash Haggadah ai cinque rotoli della Torah) e di cui oggi possediamo una sola edizione a stampa pubblicata a Vienna nel 1894 sulla base di un solo manoscritto oltretutto lacunoso.
Questo frammento che è stato distaccato ed è conservato in una busta è, a detta del gruppo di ricerca che si occupa del progetto “Genizah italiana”, di grande rilevanza sia perché costituisce l'unico frammento contenente questo genere di letteratura ad oggi scoperto in Italia, sia perché sembrerebbe, ad una prima analisi, integrare alcune parti incomplete del manoscritto utilizzato per l'edizione a stampa. Per questo motivo, dopo un primo sopralluogo in cui ho effettuato le riprese nel visibile, mi è stato chiesto di fare delle riprese con la lampada di Wood per vedere se era possibile leggere anche le parti cancellate del documento.
Le riprese nel visibile, sono state ottenute come precedentemente descritto.
Lato esterno
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Lato interno
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Lato esterno UVF
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Lato interno UVF
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Dall'analisi dei particolari, si può apprezzare la qualità dei risultati ottenuti:
LATO ESTERNO Zona 1
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Particolare lato esterno visibile
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Particolare lato esterno UVF
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Un ulteriore miglioramento si ottiene invertendo l'immagine ottenuta nel canale del verde.
LATO ESTERNO Zona 2
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Particolare lato esterno visibile
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Particolare lato esterno UVF
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Particolare lato esterno UVF nel canale verde
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Particolare lato esterno UVF nel canale verde invertito
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LATO ESTERNO Zona 2
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Particolare lato interno visibile
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Particolare lato interno UVF
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Particolare lato interno UVF nel canale verde
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Particolare lato interno UVF nel canale verde invertito
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Confronto con il Multi Spectral Imaging System “MuSIS” – Sistemna di Immagini Multispettrali
Le pergamene analizzate sono così archiviate:
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Frammento n. 4
(pergamena bifoglio distaccata e restaurata) -
Frammento n. 5
(pergamena bifoglio distaccata e restaurata) -
Frammento n. 6
(pergamena bifoglio distaccata e restaurata) -
Frammento n. 9
(pergamena bifoglio distaccata e restaurata)
FRAMMENTO 4
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FRAMMENTO 5
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FRAMMENTO 6
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FRAMMENTO 9
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L'Ultravioletto Riflesso "UVR"
L'altra tecnica archeometrica per immagini che impiega
l'ultravioletto, è l'Ultravioletto Riflesso (UVR) che raccoglie solo la
componente UV riflessa dalla superficie oggetto di indagine. La
differenza principale rispetto alla fluorescenza UV è da ricercare nei
risultati che si possono ottenere e nella metodologia di impiego.
L'Ultravioletto Riflesso, a differenza dell'UVF, richiede che solamente
la radiazione UV sia registrata dalla fotocamera, perciò bisogna
eliminare la radiazione visibile con un filtro da apporre davanti
all'obiettivo che deve essere completamente trasparente all'UV, in modo
da bloccare la radiazione visibile parassita della sorgente luminosa e
la luce visibile della fluorescenza. Dato che il fenomeno della
riflessione dell'UV caratterizza i materiali in modo diverso rispetto
alla fluorescenza, la versatilità e gli ambiti di applicazione sono
molto ristretti. Senza dubbio, per quanto riguarda il risultato che si
vuole ottenere sui manoscritti questa tecnica non fornisce i risultati
desiderati, ovvero leggere l'inchiostro dove risulta illeggibile o di
difficile lettura già a occhio nudo.
Per quanto riguarda la tecnica di ripresa, bisogna considerare che il filtro UV Pass è completamente scuro, e questo obbliga ad effettuare una serie di riprese di prova per determinare sia l'esposizione che la messa a fuoco (il fuoco dell'immagine visibile non coincide con quello dell'immagine UV). Per la messa a fuoco risulta molto preziosa la funzione Live View fornita dalle recenti DSLR che mostra a monitor ciò che il sensore è in grado di “vedere”. Inoltre i vetri delle ottiche fotografiche non sono trasparenti al di sotto dei 340nm e permettono di sfruttare solo le radiazioni dell'UV vicino. Per spingersi oltre occorre adoperare lenti di quarzo o di fluorite trasparenti fino a 200nm circa, ma queste ottiche sono piuttosto rare e costose come descritto anche nell'eXperience Riflettografia nell'Infrarosso con Reflex Nikon.
Inoltre non bisogna tralasciare che l'utilizzo una ottica normale con lenti trattate con rivestimento antiriflesso potrebbe generare fenomeni di fluorescenza quando la radiazione UV attraversa l'ottica.
Nonostante le forti limitazioni dell'attrezzatura utilizzata (fotocamera non modificata per effettuare foto UV rimuovendo il filtro IR/UV Cut, obiettivo 50mm Nikkor non sensibile all'UV), ho provato ad effettuare delle riprese su alcune delle pergamene ebraiche conservate nella Biblioteca comunale di Santarcangelo di Romagna (già oggetto di indagine per l'UVF) montando il filtro B+W 403 UV PASS. Per le riprese, ho impostato la macchina in priorità di diaframmi, bilanciamento del bianco automatico, e ho fatto una serie di prove per tarare l'esposizione e la messa a fuoco. Il diaframma è stato impostato a f8, mentre il tempo di posa è stato di 180 secondi.
Nella stessa sessione di scatto, ho potuto confrontare i risultati ottenuti dalla Nikon D300 con quelli del Riflettografo Lot Oriel del Laboratorio diagnostico del Dipartimento di Beni Culturali dell'Università Bologna (sede di Ravenna), che ha una risoluzione di 2048x1536 pixel, sensore CMOS e filtri che vanno dall'infrarosso all'ultravioletto.
A sinistra: Riflettografo Lot Oriel |
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FRAMMENTO N.8 LATO ESTERNO
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Particolare lato esterno visibile
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Particolare lato esterno UVR
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FRAMMENTO N.8 LATO INTERNO
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ZONA 1
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Particolare lato interno visibile
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Particolare lato interno UVR
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ZONA 3
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Visibile
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UVF
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FRAMMENTO N. 25535
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Visibile
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UVF
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UVR con Nikon D300
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UVR con riflettografo
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Bibliografia
- Aldrovandi A., Picollo M., Metodi di documentazione e di indagini non invasive sui dipinti, Il prato, Padova, 2001.
- Autenrieth H. P., Aldrovandi A., Turek P., La ripresa della fluorescenza ultravioletta: problemi e soluzioni tecniche, Kermes, 14, 1992.
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- Knox K. T. , Easton R. L., Christens-Barry W., Image Restoration of Damaged or Erased Manuscripts, 16th European Signal Processing Conference (Lausanne, 2008).
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- Mairinger F., Ultraviolet and fluorescence study of paintings and manuscripts, in Creagh D., Bradley D. (a cura di), Radiation in art and archaeometry, Amsterdam, 2000.
- Matteini M., Moles A., Scienza e restauro, Nardini Editore, Firenze, 1998.
- Perani M., La Genizah Italiana, Il Mulino, Bologna, 1999.
- Poldi G., Villa G., Dalla conservazione alla storia dell'arte, Edizioni della Normale, Pisa, 2006.
- Spitzing G., Infrarot und UV-Fotografie, Editrice Lanterna Magica, Munchen, 1989.
N.B.: Tutte le immagini contenute in questa eXperience sono state riprodotte previa concessione dell'autorizzazione dei rispettivi archivi che ne hanno concesso l'utilizzo per questa esclusiva pubblicazione.
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