1. Goniospectro-photocolorimètre en position horizontale
devant un manuscrit

 


 

2. Goniospectro-photocolorimètre en position verticale
devant une œuvre
de chevalet




 

3. Intensité lumineuse relative en fonction de l’angle de rétro-diffusion




 

4. Identification de
l’indigo sur un manuscrit




 

 

5. Identification de l’indigo sur un manuscrit

 




 

colmar3.tif
6. Le retable d’Issenheim de Grünewald (1510-1516), Musée d’Unterlinden Colmar




 

7. Bilan colorimétrique
du retable d'Issenheim dans l’espace
colorimétrique L*a*b*




 

 

8. Représentation 2D de la palette de Grünewald

 

 

 

 

 

 

 

 




L’étude des oeuvres d’art ou celle des objets vivants, précieux car uniques, nécessite de développer des mesures non-destructives (sans prélèvement), sans contact et réalisables in situ (instrument portable). Les résultats doivent être obtenus en temps réel, pour pouvoir être discutés en présence des différents acteurs de la recherche (restaurateurs, conservateurs, cosméticiens, chimistes,...) L’appareil présenté ici respecte ces contraintes. Il possède trois fonctions qui permettent de caractériser l’état géométrique d’une surface, sa composition en pigments ou colorants et de chiffrer sa couleur.


L’appareil

Ce goniospectrophotocolorimètre appartient à la catégorie des spectrophotomètres bi-directionnels. Une lumière blanche (source halogène) produit un faisceau parallèle qui éclaire la surface à étudier. La lumière réfléchie et diffusée par la surface est recueillie dans la même direction que la lumière incidente (configuration de rétro-diffusion), puis dispersée par un réseau et analysée par un capteur CCD (Charge Coupled Devices). Il est alors possible d’enregistrer l’intensité lumineuse recueillie en fonction de l’angle d’observation, à une longueur d’onde donnée (goniométrie), ou bien l’intensité lumineuse normalisée en fonction de la longueur d’onde, pour un angle d’observation donné (spectrométrie), ou enfin de calculer les coordonnées colorimétriques à partir du spectre précédent (colorimétrie) (Figures 1 et 2).


La goniométrie

Elle permet de décrire quantitativement l’état géométrique d’une surface et plus précisément ses écarts par rapport à un plan moyen. Ceux-ci sont toujours plus importants que les longueurs d’onde du domaine du visible (comprises entre 380 et 780 nm), qu’il s’agisse d’une peinture, d’un tissu, d’un papier, d’une peau,... Ces surfaces sont dites fortement rugueuses et aléatoires et peuvent être décomposées en une succession de micro-facettes faisant des angles variables avec son plan moyen. Lorsque la lumière incidente éclaire la surface sous un angle θ, seules les facettes faisant le même angle θ avec le plan moyen donneront un signal réfléchi. En mesurant l’intensité lumineuse L en fonction de l’angle θ, on obtient ainsi la répartition des micro-facettes ce qui permet de chiffrer l’état géométrique de la surface étudiée. Une surface plane ne donnera un signal que pour θ = 0, plus la surface sera rugueuse, plus cette courbe sera étalée angulairement.



Décomposition d’une surface rugueuse en micro-facettes, intensité
lumineuse rétro-diffusée en fonction de l’angle de rétro-diffusion.

Cette méthode non-destructive est appliquée pour étudier les modifications des états de surface engendrés par des facteurs extérieurs (vieillissement d’un vernis, vieillissement de la peau, influence du rayonnement UV, lissage de la surface provoqué par un revêtement de protection, effet de différents traitements des tissus, des papiers ou de produits hydratants en cosmétique). Elle permet également de distinguer les trois techniques artistiques d’application de l’or dans les oeuvres d’art, qui conduisent à des états de surface différents. On devine ainsi, sans prélèvement, comment l’artiste a procédé, il y a plusieurs centaines d’années (Figure 3).


La spectrométrie

Elle permet en premier lieu d’identifier la nature d’un pigment ou d’un colorant. Le spectre de réflexion diffuse d’un tel chromophore est alors considéré comme sa signature optique. Le spectre d’une surface colorée inconnue est ainsi comparé aux spectres d’une base de données de pigments et colorants de référence. La résolution en longueur d’onde est suffisante pour distinguer ainsi deux pigments très voisins, comme Cr2O7 et Cr207, 2H2O.


Spectres de réflexion diffuse de deux oxydes de chrome Cr2O7 hydraté et non hydraté

Cette méthode d’identification recoupe les résultats obtenus par spectrométrie Raman également non destructive. (Figures 4 et 5)

La spectroscopie de réflexion diffuse permet également de choisir expérimentalement les matériaux de consolidation ainsi que leurs techniques d’application, qui ne doivent pas modifier l’aspect visuel d’une œuvre à restaurer. Elle est enfin l’outil de validation privilégié des modélisations de l’aspect visuel : dévernissage ou vernissage virtuel d’une peinture, hydratation virtuelle d’une peau, ....
 

La colorimétrie

La couleur d’un objet dépend de la source lumineuse qui l’éclaire, de la nature de l’objet et de l’observateur. Elle se quantifie par trois coordonnées colorimétriques, calculées à partir d’un illuminant standard, du spectre de réflectance de l’objet et des trois fonctions caractéristiques d’un oeil standard, liées aux trois types de cônes de la rétine. Cet  observateur de référence fictif a été obtenu à partir de la moyenne des réponses d’un panel de sujets réels. On obtient un constat colorimétrique chiffré, en un lieu et à une date donnés, qui pourra être utilisé par comparaison pour observer une évolution de la couleur.

Il est ainsi possible de vérifier quantitativement si les conditions d’éclairage ou d’hygrométrie lors d’une exposition prolongée en salle modifient la couleur d’une oeuvre fragile, d’effectuer un suivi colorimétrique au cours d’une restauration (décider d’arrêter un allègement de vernis lorsque la couleur n’évolue plus), de tester l’effet colorimétrique de produits cosmétiques et de produits de traitement des papiers ou tissus,...

La colorimétrie permet également de comparer la palette d’un artiste au cours de sa vie, la palette de différents artistes ayant vécus à la même époque et dans une même région. Elle a enfin permis de distinguer la technique des glacis inventés par les Primitifs Flamands de celle des mélanges de pigments utilisés à la même époque par les Primitifs Italiens. La modélisation de la lumière au sein de ces deux milieux a mis en évidence un maximum de saturation de la couleur dans le premier cas qui ne peut jamais être atteint dans le second. De nombreuses vérifications expérimentales ont validé ce spectaculaire maximum de saturation. Il est donc possible, toujours sans prélèvement, de réaliser des mesures colorimétriques dans un même drapé et de deviner ainsi la technique utilisée par l’artiste il y a plusieurs centaines d’années (Figures 6, 7, 8).


Conclusion

Outre l’aspect non destructif des mesures, le grand intérêt de l’appareil décrit ici réside dans sa facilité de mise en oeuvre et d’utilisation ainsi que dans la rapidité d’obtention et d’interprétation des résultats. Ses applications s’adressent aux oeuvres d’art mais ses développements à la cosmétique, aux tissus et aux papiers sont en plein essor. Un transfert industriel en cours permettra dans peu de temps de collecter simultanément une centaine de spectres sur une ligne puis sur un carré  de quelques centimètres de côté.


Mady Elias

Institut des NanoSciences de Paris, (INSP)


     
 

- CNRS-Thema n°5 (4ème trimestre 2004), Tableaux de maîtres sous le feu des projecteurs

- Revue Pour la Science n°327, L’or flamand du retable d’Issenheim (janv 2005) 94-95.

G. DupuisM. EliasM. Menu, L. Simonot, Couleurs, surfaces et pigments au C2RMF, Techné, 13-14 (2001) 49-55.

M. EliasM. Menu, Characterization of surface states on patrimonial works of art, La revue de métallurgie – CIT / Science et Génie des Matériaux, (sept 2001) 777-782.

G. DupuisM. EliasL. Simonot, Pigment identification by fiber-optics diffuse reflectance spectroscopy, Appl. Spectrosc., 56, n°10 (2002)1329-1336.

   
 
     
 
   
 
© Patrick Callet et Mohammed Amrane
Le spectrophotomètre
Mesure de la couleur
d’un tableau ou d’un objet d’art. Evolution de la couleur au cours du temps

 

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