Spettrometria su alcuni affreschi

della chiesetta di San Michele Arcangelo

in Gornate (Varese)



INTRODUZIONE.

Dopo le esperienze effettuate in laboratorio, ci è stata data la possibilità di effettuare delle misure direttamente sul campo. il 31 maggio l999, era un Lunedì, siamo quindi andati a Gornate, in provincia di Varese, e abbiamo effettuato le misure su 3 frammenti di affreschi della chiesetta di San Michele Arcangelo.

Queste 3 pitture (forse risalenti al secolo XI) erano situate rispettivamente sulla parte destra, sulla parte sinistra e sul soffitto dell'abside.

Sono state effettuati due tipi di misura sui vari pigmenti. Nella prima serie è stato sfruttato uno spettrofotometro. Nella seconda, invece, sono state prese delle immagini con una telecamera a rivelatore CCD e poi in laboratorio sono state fatte le dovute elaborazioni sulle immagini per ricavare i dati di riflettanza.





DECRIZIONE DEL POLICROMATORE (spettrofotometro portatile).

Lo spettrofotometro è uno strumento composto da un cavetto di fibre ottiche che trasporta la radiazione riflessa dal campione in esame ad una scatola centrale costituita da un reticolo di diffrazione posto all'entrata di una cavità completamente riflettente e da un array di fotodiodi.

Il fascio proveniente dall'oggetto colpisce il reticolo di diffrazione, posto all'estremità opposta della cavità; viene riflesso, e, per il fenomeno della dispersione, ogni componente monocromatica viene indirizzata su un particolare fotodiodo, a seconda della lunghezza d'onda.

Il segnale viene conteggiato da un PC collegato allo spettrofotometro attraverso un'opportuna scheda di acquisizione.



schema dello spettrofotometro



BREVE DESCRIZIONE DELLA TECNICA TELEMETRICA.

La tecnica di telefotometria utilizzata a Gomate si basa sull'impiego di una telecamera a stato solido con CCD si1icio. Tra l'obiettivo ed il rivelatore della telecamera vengono posti in sequenza 18 filtri interferenziali a banda stretta scelti in modo da coprire la regione spettrale tra i 400 ed i 1040 nm.

La misura della riflettanza è ottenuta per confronto diretto con una serie di standard di riflenttanza (2%, 20%, 50%, 80%, 99%) ripresi contemporaneamente all'oggetto in esam: in tal modo si svincola la misura dal flusso luminoso incidente e dall'efficienza del sistema di ripresa. I dati a disposizione sono i livelli di grigio dell'immagine, e poiché il segnale di buio non corrisponde al canale zero, un solo riferimento non basta per la calibrazione. Inoltre la carica raccolta nel rivelatore è proporzionale alla quantità di luce incidente solo quando l'intensità luminosa è contenuta perciò la relazione fra i livelli di grigio e riflettanza non è di solito lineare, e quindi non bastano nemmeno due riferimenti.

Tenendo conto che per evitare estrapolazioni bisogna avere un riferimento bianco ed uno nero, e valutando le prove sperimentali effettuate, si è concluso che cinque riferimenti con riflettanza 2%, 20% , 50%, 80%, 99% consentono una buona calibrazione. Per la correzione delle disuniformità è poi necessario utilizzare un altro riferimento bianco 99%.

Gli standard usati per queste misure sono dischi del diametro di 1,25 o 2 pollici, e consistono in una miscela di Spectralon (una resina sintetica molto riflettente) e polvere di carbonio, in proporzioni diverse; sono molto stabili rispetto a tutti i fattori ambientali, si possono lavare in acqua e sono perfettamente opachi, cioè diffondono in maniera isotropa tutta la luce che riemettono.

Nell'intervallo di lunghezze d'onda che interessa le nostre analisi, questi campioni hanno uno spettro di riflettanza piatto entro l'1%, con valori certificati ogni 50 nm entro lo 0,5% in punti di riflettanza percentuale.

L'informazione ottenuta sulle 18 lunghezze d'onda è sufficiente per la caratterizzazione in quanto i pigmenti non presentano in genere variazioni di riflettanza tanto rapide da non essere identificabili con campioni eseguiti ogni 40-10 nm come nel caso dello strumento da noi impiegato.



PROCEDURA SPERIMENTALE.

Parte prima: MISURE PUNTUALI.

Dopo aver montato e collegato lo spettrofotometro con il computer e dopo aver attivato il software MMSPC, che misura spettri tra le lunghezze d'onda di 300 nm e 1100 nm, abbiamo effettuato le misure su un bianco di riferimento con riflettanza del 99% e su diversi pigmenti scelti. La misura sul bianco di riferimento è servita per tener conto dello spettro dell'illuminazione della lampada e della risposta spettrale del rivelatore. Il prelevamento degli spettri è stato alquanto semplice. E' stato sufficiente tenere la parte terminale della fibra ottica dello spettrometro e la piccola torcia con cui illuminavamo il pigmento a circa l centimetro di distanza dal dipinto. Si faceva partire la misura sul computer che iniziava a conteggiare il segnale. Abbiamo regolato sul programma di acquisizione un tempo di integrazione di 40 ms ed una media di 20 misure. Sono state effettuate due misure per ogni pigmento (salvo l o 2 casi in cui ci siamo accontentati di una misura singola) per verificare che la misura fosse ripetibile. Il programma MMSPC ha salvato i vari spettri misurati su dei file dati che abbiamo successivamente elaborato in laboratorio.

Qui abbiamo letto i file con EXCEL ed abbiamo costruito con esso un foglio di lavoro per ogni pigmento in cui abbiamo posto il numero di conteggi delle due misure sul colore in esame, il numero medio di conteggi del bianco e il numero massimo di conteggi del bianco. Poi in altre, co1onne il rapporto tra i conteggi del pigmento e quelli del bianco di riferimento (sia tra i valori medi, sia tra i massimi), così da ridurre al minimo l'influnza dell'illuminazione.



Ecco qualche grafico relativo ad alcuni dei pigmenti studiati.











Come si vede subito dopo una prima occhiata, il numero dei conteggi, pur se la forma dello spettro è ben delineata, è decisamente basso. Questo perchè abbiamo utilizzato un sistema di misura 'eccessivamente manuale', in cui la distanza a cui tenevamo la fibra ottica, la distanza a cui tenevamo la torcetta per l'illuminazione e l'inclinazione di entrambi questi due oggetti sono state soggette a delle variazioni tra le varie misure che hanno decisamente influenzato queste ultime. In più la torcia che abbiamo utilizzato per illuminare aveva la messa a fuoco difficilmente ripristinabile e quindi anche le condizioni di illuminazione variavano notevolmente. Infatti, per i pigmenti su cui abbiamo fatto due misure, non abbiamo registrato quasi mai degli spettri con numero di conteggi pressoché uguale, pur se con forma identica.

Per poter correggere questa insufficienza di conteggio, dopo aver ottenuto gli spettri misurati con la telecamera CCD, abbiamo moltiplicato il numero di conteggi per una costante scelta appropriatamente.



Parte seconda: MISURE TELEMETRICHE

Per l'analisi telemetrica è stato illuminato il dipinto con un faretto ad incandescenza da 300 Watt. Sono state prelevate le immagini relative alla parte destra ed alla parte sinistra con la telecamera collegata ad un PC portatile attrraverso la scheda di acquisizione 'SNAPPY'. La parte alta, invece, collegando la telecamera ad un altro PC attraverso la scheda 'SCREEN MACHINE'. Per tener conto degli errori dovuti dalla disuniformità di illuminazione, è stata presa un'immagine di un grosso cartellone con superficie bianca (bianco topografico) nella stessa posizione dell'affresco. La correzione viene poi effettuata tramite il software di calcolo 'CORLUX' scritto appositamente dal dottor Consolandi. Questo programma tiene anche conto dei valori apparenti e dei valori veri della riflettanza dei riferimenti. In uscita vengono forniti direttamente i valori della riflettanza dei pigmenti selezionati, misurata puntualmente sulle frequenze dei filtri utilazzati.

Le bande passanti attraverso i filtri che abbiamo usato sono illustrate nella seguente tabella e nel seguente grafico.









RISULTATI OTTENUTI.

Sono stati ottenuti gli spettri illustrati nei seguenti grafici, dove in rosa è segnato il risultato della misura con lo spettrofotometro, in blu, invece, quello ottenuto con la telecamera CCD.

































Nello studio sono stati eliminati i dati ottenuti con gli ultimi due filtri (1020 nm e l030 nm), in quanto sopra a quelle frequenze la telecamera non rivelava nulla.



Questi risultati sono soddisfacenti se si considera il fatto che sia noi studenti, sia gli stessi ricercatori effettuavamo questo tipo di misure per la prima volta.

Le differenze tra i valori ottenuti con i due sistemi sono comunque indice di una certa imprecisione. Questa è dovuta sicuramente ai seguenti motivi.

Riguardo alle misure con lo spettrofotometro si è presentata troppa instabilità da parte della strumentazione utilizzata; la stessa torcia utilizzata per l'illuminazione dei pigmenti è stata spenta diverse volte e ogni volta che veniva riaccesa era difficoltoso ripristinare la messa a fuoco (regolabile tramite il dispositivo di accensione); inoltre l'intensità di illuminazione ha risentito probabilmente dello scaricarsi delle batterie, visto il suo utilizzo nell'arco dell'intera giornata. Si poteva ovviare a questi inconvenienti misurando lo spettro del bianco di riferimento prima di ogni misura.

Riguardo alla telemetria, invece, c'è stata una cattiva conoscenza della scheda di acquisizione 'SNAPPY', per cui ci siamo ritrovati con alcune immagini diverse dalle nostre aspettative; inoltre con questa scheda è stata alquanto difficoltosa la messa a fuoco a causa della bassa risoluzione dello schermo a cristalli liquidi ed alla lentezza di prelevamento dell'immagine. Probabilmente ha influito anche il fatto che i riferimenti sono stati tenuti vicino al dipinto manualmente e quindi nell'arco dei l6 prelevamenti del fotogramma, spesso la loro posizione è cambiata e questo ci ha costretti a prendere manualmente la loro riflettanza apparente, immagine per immagine.



Per concludere si può dire che l'uscita a Gornate è stata veramente interessante, nonchè utile alla nostra formazione. Indipendentemente dai risultati ottenuti (tuttaltro che negativi comunque), infatti, pensiamo che sia stato molto utile il fatto di poter effettuare direttamente sul campo l'attività di un fisico di professione ed anche che il tempo speso in laboratorio ad analizzare o davanti ad un computer ad elaborare dati ed immagini, sia stato decisamente formativo.



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