Analyse de tableaux à l'aide de caméras uEye SE d'IDS

La « Vierge aux rochers » (Virgin of the Rocks) est une œuvre célèbre de Léonard de Vinci et montre la Vierge Marie avec l'Enfant Jésus, Saint-Jean et l'ange Uriel dans une grotte. La peinture fait partie d'un ensemble de trois tableaux, qui provenaient tous d'un retable coûteux et partiellement sculpté, fabriqué pour l'église San Francesco Grande de Milan. L'une des deux versions est présentée à la National Gallery de Londres. Le tableau doit son rayonnement actuel à une restauration complexe. Les méthodes de recherche les plus modernes, y compris la technique de traitement d'image, ont été utilisées. Le micro-spectromètre de fluorescence X à résolution spatiale M6 JETSTREAM de la société Bruker Nano GmbH de Berlin a joué un rôle décisif. Ce spectromètre permet en effet d'examiner des particules de peinture les plus infimes et de s'immerger dans les profondeurs des couches de peinture. Deux caméras USB de la société IDS Imaging Development Systems GmbH fournissent des informations optiques sur la surface de l'échantillon et veillent au positionnement exact de la plage de mesure.

Application

Même les grands chefs-d'œuvre prennent de l'âge. Des changements de couleur tels que le jaunissement ou de petits dommages ternissent l'intensité des couleurs et des retouches doivent être effectuées de temps en temps. Avec un tableau comme la « Vierge aux rochers », la plus grande prudence est de mise. Le restaurateur doit étudier les techniques de peinture et savoir exactement quelles couleurs utiliser dans sa composition chimique pour ne pas détruire la singularité du tableau. Après plusieurs années de recherche sur la viabilité et la sécurité d'un traitement de conservation possible, la « Vierge aux rochers » londonienne de de Vinci a finalement été nettoyée et restaurée. Le traitement a d'abord eu lieu pour des raisons esthétiques, car le tableau était devenu de plus en plus sombre et difficilement « identifiable » suite à la forte dégradation d'une huile et d'un vernis au mastic appliqués en 1949.

Les études analytiques du tableau avaient été réalisées avant le début du traitement, mais aussi pendant le nettoyage. Des informations précieuses sur l'état des couches superficielles et sur la structure en couches ainsi que sur les matériaux utilisés ont ainsi pu être collectées.  L'examen de la composition élémentaire fournit simultanément des informations sur l'authenticité des couleurs. En effet, de grands artistes ont acheté certaines couleurs « sur le marché libre », mais ont réalisé leurs propres mélanges. Les couleurs utilisées peuvent ainsi fournir des indications sur l'authenticité d'une toile. En revanche, si le peintre n'est pas très connu ou si plusieurs artistes contemporains travaillaient sur une œuvre, la nature des coups de pinceau ainsi que le choix des couleurs peuvent indiquer la partie du tableau à attribuer à tel ou tel peintre.  La deuxième version de la « Vierge aux rochers » a donc bien été commencée par Léonard de Vinci, mais poursuivie par son élève Ambrogio de Predis. Les connaissances sur la pratique picturale de Léonard de Vinci ont largement pu être étendues et documentées grâce aux analyses.

Analyse de tableau non destructive grâce au traitement d'image

Le traitement d'image le plus moderne assiste les restaurateurs d'aujourd'hui dans ce travail. Dans le cas de l'œuvre de Léonard de Vinci, le spectromètre M6 JETSTREAM de la société Bruker Nano GmbH est intervenu.

Doté de caméras IDS, le système révèle la composition des couleurs d'une manière non invasive et non destructive. Il exécute des mesures spectrométriques de fluorescence X sur certains points (100 micromètres et moins) de surfaces étendues. Cette spectrométrie de fluorescence X de précision (micro-XRF) permet de déterminer la composition élémentaire d'un échantillon et d'enregistrer avec exactitude les éléments (métaux lourds, pigment sanguin, carbone, etc.) présents dans les couleurs.

Les points de mesure peuvent être enregistrés « à la volée » et pendant le mouvement de la tête de mesure. Cela permet d'analyser rapidement la surface (mapping).

Analyse de tableaux à l'aide de caméras uEye SE d'IDS
Le spectromètre M6 JETSTREAM analyse la composition des couleurs à l'aide de caméras IDS
Analyse de tableaux à l'aide de caméras uEye SE d'IDS
La « Vierge aux rochers » de Léonard de Vinci lors du processus d'analyse © National Gallery London

« Le spectromètre de fluorescence X M6 JETSTREAM nous fournit une quantité importante d'informations élémentaires qui nous permet de tirer des conclusions sur les pigments et leur position dans la structure en couches des peintures », explique Michele Gironda, Market Segment Manager Art et Conservation chez Bruker Nano GmbH. « Il est possible de découvrir par exemple des changements et des ajouts ultérieurs dans le tableau, et le cas échéant, des différences dans la consommation de pigments et la structure de couches peuvent se révéler entre différents artistes. »

Un tableau est également balayé point par point et ligne par ligne avec un rayon X ciblé. Les éléments affectés aux pigments dans chaque plage émettent chacun un rayonnement caractéristique qui leur est propre, une fluorescence X, qui est enregistrée par les détecteurs du spectromètre. De cette manière, les informations chimiques sur tout le tableau sont collectées dans une série d'images contrastées.

Par exemple, si du cuivre (Cu) a été découvert dans le blanc d'un tableau, cela informe sur l'utilisation d'azurite, un bleu à base de cuivre dans la couleur blanche. En s'appuyant sur les éléments recueillis, la plupart des pigments peuvent être identifiés avec cette technologie. D'ailleurs, l'analyse peut aussi fournir des renseignements sur l'histoire d'un objet et révéler ainsi quelques secrets. Parfois, la couleur en surface dissimule des œuvres cachées en arrière-plan et l'une ou l'autre des œuvres disparues surgit brusquement - sous la peinture, p. ex. parce que l'artiste la trouvait mauvaise ou simplement parce qu'il avait besoin de la toile.

Analyse de tableaux à l'aide de caméras uEye SE d'IDS
L'image de répartition des éléments en zinc à droite montre le matériau de base avec du zinc d'une première composition abandonnée

Découvertes détaillées

L'information récente la plus importante émanant de l'analyse de la fluorescence X de la « Vierge aux rochers » a été la découverte d'un sous-dessin à teneur en zinc dans la première composition picturale. L'existence de ce dessin était déjà connue au préalable, mais il a pu être rendu beaucoup plus visible grâce à l'analyse de la fluorescence X - en particulier associée avec la prise de vue hyperspectrale. Des variations particulièrement intéressantes sont visibles par exemple dans la draperie de la robe de la Vierge Marie (peinte avec une couche de base d'azurite contenant du cuivre) et dans la position du visage de l'enfant Jésus. La vue de trois quarts d'origine correspond maintenant au profil actuel (constaté dans la carte Pb-Lα).

Painting analysis with IDS uEye SE cameras
The Cu-Kα, Pb-Lα and Pb-Mα maps show some of the changes in the drapery of the Virgin's cloak and the position of the Christ Child's face

Caméras en action

La société Bruker Nano GmbH intègre les caméras IDS dans ses spectromètres de fluorescence X M4 TORNADO/TORNADOPLUS et M6 JETSTREAM. Le spectromètre M4 TORNADO est leader sur le marché dans le domaine de l'analyse des surfaces à l'aide de la micro-XRF. Il offre une résolution ponctuelle de 20 µm et la possibilité d'analyser tous les éléments du tableau périodique du carbone (optionnel) à l'uranium. Il est notamment utilisé pour l'examen d'échantillons minéraux et l'analyse des épaisseurs de couche. Grâce à sa plage de mesure de 800 mm x 600 mm et ses possibilités variables d'installation, le spectromètre mobile M6 JETSTREAM est lui idéal pour l'examen d'œuvres d'art plus volumineuses.

Ils intègrent tous deux caméras-industrielles USB 2 uEye SE d'une résolution de 1024 x 768 pixels pour représenter la surface de l'échantillon dans le logiciel Bruker. Avant la mesure spectrométrique de fluorescence X, une caméra génère une image de la surface de l'échantillon pour pouvoir fusionner ensuite la composition élémentaire et les informations optiques. Une image se superposant est également créée à partir de l'image de la caméra et de la répartition des éléments. « L'image vidéo peut être superposée avec l'image de répartition des éléments pour rendre les liens visibles optiquement. La vitesse, la taille et l'interface des caméras USB 2 uEye SE étaient parfaites pour cela. », déclare Michele Gironda.

De plus, les caméras sont utilisées en direct pour démarrer les points ou zones de mesure souhaités sur l'échantillon et régler la distance de travail à l'aide de la mise au point de l'image de la caméra. La tête de mesure du spectromètre M6 JETSTREAM comporte un tube à rayons X microfocus et une optique capillaire avec taille du spot de mesure réglable progressivement. Les vitesses de mesure peuvent atteindre 100 mm/s. Le spectre de fluorescence est mesuré avec des détecteurs à dérive au silicium (SDD).

Analyse de tableaux à l'aide de caméras uEye SE d'IDS
Deux caméras-industrielles USB 2 uEye SE d'IDS contribuent notamment au positionnement exact de la plage de mesure. © Bruker Nano GmbH

Caractéristiques principales de la gamme de produits uEye SE d'IDS : faible encombrement, compacité et robustesse. Ces caméras polyvalentes se distinguent également par leur large choix de modèles de boîtiers et sur carte ainsi qu'une vaste gamme de capteurs. L'intégration système est simple et rapide grâce à la fonction Plug & Play assurée par la suite logicielle IDS Software Suite. Le champ d'application en milieu industriel ou non est donc varié. Outre la variante USB 2.0 utilisée par la société Bruker Nano GmbH, des modèles avec interface USB 3.1 Gen 1 ou GigE - ou encore GigE Vision® - sont disponibles.

Analyse de tableaux à l'aide de caméras uEye SE d'IDS
Famille de caméras uEye SE d'IDS

Perspectives

Grâce au nettoyage et au retrait du vernis déformant, la « Vierge aux rochers » peut de nouveau révéler tout sa force, sa beauté et sa magie - grâce aussi au micro-spectromètre de fluorescence X M6 JETSTREAM de la société Bruker Nano GmbH. Ces spectromètres sont uniques sur le marché de l'art. Avec l'aide du traitement d'image, ils ouvrent des perspectives entièrement nouvelles à l'analyse de tableaux et d'autres œuvres d'art. La société Bruker s'attend donc à une croissance positive du marché micro-XRF et à une demande accrue d'images et de répartitions d'éléments de plus haute résolution encore. Composition des couleurs, technique de peinture, authenticité ou lien avec le contexte historique, au musée devant le public ou en laboratoire : avec cette application, les historiens d'art, les restaurateurs et les chercheurs sont sur la piste des secrets insoupçonnés des anciens chefs-d'œuvre.