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太赫兹技术在文化遗产领域的应用

发布日期:2019-03-19

历史文化遗产的鉴定、修复和保存是一项覆盖考古、历史、物理、化学、材料等多学科交叉应用领域的工作,这些古老艺术作品往往与承载它们的古建筑基体密不可分,利用无损检测的科学手段一直是文物保护工作者探索和发展的方向。

目前在文物无损检测方面,通常采用X射线、拉曼光谱、超声波、微波、红外技术对文物进行真伪鉴定、内部结构分析、材料成分分析和表面分析等。紫外、拉曼、红外光谱方法能够分析表面物质成分,但穿透性差;X射线和微波能够穿透表面,但X射线纵向分辨率差,且光子能量高,具有电离特性;微波横向分辨率较低,均只能满足部分要求。

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太赫兹波(Terahertz Waves, THz)是指频率在0.1~10 THz, 波长在3~0.03 mm(1 THz = 1012Hz) 之间的电磁波。与X射线、超声波、微波、红外相比,太赫兹波因其在电磁波谱中所处的特殊位置,在文化遗产保护领域的无损检测方面具有多方面优势:(1)对很多介电材料和非极性的物质具有良好的穿透性,例如,陶瓷,木材、泥土、硬纸板,塑料制品,泡沫等,同时对金属等物体具有强烈的反射性;(2)很多大分子的转振动能力处于太赫兹波段,其太赫兹光谱包含着丰富的分子结构信息,也被称为“太赫兹指纹谱”;(3)相对于X射线上千电子伏的光子能量,太赫兹辐射的光子能量只有毫电子伏的数量级,不会引起有害的电离反应,不容易破坏被检测物质(4)THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级,能有效的进行时间分辩研究,利用此特性,结合不同物质层次间的反射,获得内部断层信息实现三维成像。太赫兹技术于1998年开始应用在文化遗产的保存和分析领域,Koch等人证实了太赫兹成像作为分析树木年代的有效技术途径。此后,太赫兹光谱、太赫兹成像技术逐渐在文物材料分析、无损检测方面均得到应用。

一、太赫兹光谱技术在文化遗产的应用

由于太赫兹的“指纹谱”特点,日本NICT(The National Institute of Information and Telecommunications Technology)将THz-TDS和THz-FT光谱技术应用到文物艺术品分析上,并同RIKEN于2007年建立了首个在太赫兹波段的文物原料开放数据库(www.thzdb.org),以Fukunaga为代表的世界多个研究组不断测试补充不同艺术品材料的太赫兹光谱数据,截止目前,该数据库一共包含1584条光谱数据。

由于不同时期文化艺术品创作原料各异,而多数材料在太赫兹波段均有指纹特征谱,利用太赫兹光谱技术对文物进行分析,可实现对颜料、染料、粘合剂、清漆等材料成分的无损判断和区分,借此作为文物创作时期的评价依据之一。

例如,对于混合染料,其太赫兹光谱包含了各成分的光谱特征,可依据此判断和区分染料及粘合剂成分,如图1所示。依据太赫兹时域光谱分析技术,Fukunaga对13世纪羊皮纸手稿上红色墨水进行分析,其光谱特征显示为朱砂。

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图1壁画上混合染料的太赫兹光谱其特征包含各组成染料的光谱特征

二、太赫兹成像技术在文化遗产的应用

在文物考古鉴定和保护科学中,一方面采取光谱技术对文物材料进行成分分析,另一方面,需要利用成像技术对文物次表面,隐藏层以及内部结构进行原地无损、无接触式、高分辨率成像。

太赫兹波在穿透性、非电离性、高分辨率以及深度探测等方面的优势,为文化遗产的非破坏性检测和分析提供了高分辨率成像手段。利用太赫兹波穿透性可实现次表面成像,利用太赫兹时域脉冲在物体内部的多层次反射可实现内部横截面成像,此外,借助太赫兹计算机层析成像技术可对物体三维内部结构进行可视化检测。

(一)二维成像

为了对壁画上各种颜料进行成像区分,可在其太赫兹光谱中选取一个频段,分成三部分,以每部分的平均透过率作为该点的RGB分量,形成伪彩色成像结果,研究结果表明可通过选取适当频段对不同颜料成分进行区分显示,如图2(a)。借助于羊皮纸基底、红色墨水以及污渍的太赫兹指纹谱,Fukunaga对中世纪手稿进行成像分析,成功区分红色墨水文字与污渍,有助于历史手稿的无损文字识别,如图2(c)。美国密歇根大学Jackson等人利用太赫兹时域脉冲穿透壁画上不同的结构层次并反射回脉冲,通过在离散时间序列上选取不同的时间窗口对层次进行分离,并在频域中选择适当频段以脉冲峰值强度、集成谱功率等指标进行灰度定量。以此帮助艺术史学家们看穿年代久远的古建筑泥灰墙,从而发现其内部的壁画作品。图2(b)中的蝴蝶图案为两层石膏间的壁画成像结果,其灰度值对应于0.14THz到0.48THz之间的集成谱功率。Jackson将此应用在被遮挡的木质样品实现年轮成像,有望对木质文物进行年代判断。Abraham同样利用太赫兹时域光谱系统在0.1-2THz搭建二维透射扫描成像系统对铅笔文稿进行成像研究,利用脉冲时间延迟清晰重现黑色墨水下的铅笔蝴蝶图样,如图2(d)所示,成像分辨率接近衍射极限。

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图2 根据太赫兹颜料光谱数据的壁画伪彩色成像图(图a);壁画上石膏间隐藏蝴蝶图案的成像结果(图b);中世纪手稿的文字识别(图c);黑色墨水下的铅笔蝴蝶图样(图d)

法国巴黎综合理工学院的Labaune、日本NICT Fukunaga、俄罗斯Skryl利用T4000成像仪对多层纸莎文稿、东亚历史壁画、14世纪镀金肖像画“Virgin with the Child and a Saint”、17世纪油画“The dying Messalina and her mother”、 俄罗斯19世纪画像等历史艺术品进行了成像探测和分析。西班牙巴塞罗那大学的Seco-Martorell等人利用Zomega公司的Mini-Z时域光谱系统对着名西班牙画家戈雅的油画进行成像分析,能够探测到由画笔力度、颜料密度以及画布结构等因素引起的纹理特征,发现隐藏在油画中的签名,如图3(c)。

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图3 东亚壁画成像(图a);多层纸莎文稿成像(图b)以及隐藏在戈雅油画下的签名(图c)

(二)三维成像

通过太赫兹光谱及二维成像技术可对表面物质以及次表面结构进行探测,而利用太赫兹层析成像技术可对文物多层结构、横截面以及三维内部状态进行探测。当太赫兹脉冲经过多层结构物体时,每一个内部层均会反射脉冲,通过对反射时域脉冲信号分析,可以获得内部结构信息,纵向分辨率可达数十甚至数微米。Adam针对17世纪帆布画结构制作样品进行内部结构探测,根据脉冲时序以及峰值时间间隔获得样品内部结构信息及各层次厚度,如图4(a、b),与X射线成像和远红外成像进行对比,X射线受到铅白色涂料阻挡无法对隐藏画层成像,尽管利用远红外技术通过帆布侧可以模糊观测到画层,但无法提供厚度信息。Skryl同样利用太赫兹脉冲飞行时间层析成像探测俄罗斯木底画像的内部结构,观察到内部空洞缺陷并得到内部各层次厚度,如图4(c、d)。

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图4根据太赫兹脉冲峰值时间间隔获取内部层析结构及厚度信息;图a为样品可见光图像以及横截面成像;图b为层析结构及厚度信息三维显示;俄罗斯画像内部结构探测;图c为画像可见光图像;图d为横截面成像

对于非层次结构物体,类似于传统X射线层析成像,基于背投影重建的太赫兹计算机层析(THz-CT)成像技术已经开始用于人骨、瓷器等文物内部结构三维成像探测,如图5。

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图5古埃及花瓶三维计算机层析成像结果(图a);莫奇卡陶瓷花瓶复制品在0.287THz和0.084THz的成像结果(图b);头盖骨X射线及太赫兹层析成像结果,红色箭头所指部位为冠状缝,可能受到太赫兹波散射的影响,X射线与太赫兹成像结果显示出明显不同(图c)

三、bet36体育投注信誉可靠吗_bet36提款_bet36体育钱怎么提已经开展的相关工作

2013年,文保院与中国工程物理研究院激光聚变研究中心于联合申请并获批国家文物局文化遗产保护领域科学与技术研究课题“太赫兹成像技术对壁画结构探查应用研究”,针对壁画等文物样品开展太赫兹无损检测及成像研究,探讨了对壁画等文物的检测及成像可行性,为太赫兹技术在我国文物科学领域的应用提供技术参考。主要工作包括:

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图6 壁画样品的不同层次及材料

(1)构建了太赫兹时域光谱检测系统,对壁画样本不同层次的材料进行了光谱检测,观察到不同材料其各自的太赫兹光谱特征。壁画样品及其太赫兹光谱检测结果如图6和图7所示,可以综合太赫兹光谱峰值频率、折射率平均值、折射率峰值频率、吸收系数峰值频率等特征上对样品进行区分;特别是折射率平均值和吸收系数峰值频率。同时课题组对真实壁画样品残片进行了太赫兹光谱检测,不同区域颜料材质以及用量差异在太赫兹光谱中得到体现,如图8所示。

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图7 壁画样品不同层的太赫兹时域光谱及折射率、吸收系数

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图8 真实壁画残片的太赫兹光谱

(2)构建了基于太赫兹时域光谱以及连续太赫兹波的共焦成像系统。太赫兹时域和太赫兹连续波成像系统分别如图9所示。图10为最上层样品的成像结果,首先可以明显分辨出花瓣轮廓;其次花瓣轮廓将区域分成了三部分,最左边为浅粉色,中间为深粉色,最右边为绿色,太赫兹图像中最左边的整体强度略高于最右边;最后,太赫兹成像结果中还有一道横向条纹,用肉眼从壁画表面看不出异常,说明太赫兹成像有潜力反馈亚表面结构。该结果可能为重层壁画的探测奠定技术基础。

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图9?基于太赫兹时域和太赫兹连续波的成像系统

文保院以上工作为太赫兹技术在文物保护领域的应用奠定了技术基础,下一步将继续针对相关应用中存在的具体问题,优化检测方法和检测设备性能,推动太赫兹技术在文物保护领域的发展。

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图10?莲花壁画的太赫兹成像结果

太赫兹波凭借其在穿透性、非电离性、光谱指纹峰、分辨率以及飞秒时间分辨等方面的特点,在文物考古、保存领域有着极大的应用潜力。国外相关应用研究成果为太赫兹技术在我国文物科学领域的发展提供了参考。目前,太赫兹技术在我国文物科学领域的应用尚处于起步阶段,在应用方向及检测技术上均有待探索和发展;文保院已开展了前期针对壁画的太赫兹检测工作,未来将继续推动太赫兹技术在我国文物保护研究领域的应用研究。(周萍)