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太赫茲技術在文化遺產領域的應用

發布日期:2019-03-19

歷史文化遺產的鑒定、修復和保存是一項覆蓋考古、歷史、物理、化學、材料等多學科交叉應用領域的工作,這些古老藝術作品往往與承載它們的古建筑基體密不可分,利用無損檢測的科學手段一直是文物保護工作者探索和發展的方向。

目前在文物無損檢測方面,通常采用X射線、拉曼光譜、超聲波、微波、紅外技術對文物進行真偽鑒定、內部結構分析、材料成分分析和表面分析等。紫外、拉曼、紅外光譜方法能夠分析表面物質成分,但穿透性差;X射線和微波能夠穿透表面,但X射線縱向分辨率差,且光子能量高,具有電離特性;微波橫向分辨率較低,均只能滿足部分要求。

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太赫茲波(Terahertz Waves, THz)是指頻率在0.1~10 THz, 波長在3~0.03 mm(1 THz = 1012Hz) 之間的電磁波。與X射線、超聲波、微波、紅外相比,太赫茲波因其在電磁波譜中所處的特殊位置,在文化遺產保護領域的無損檢測方面具有多方面優勢:(1)對很多介電材料和非極性的物質具有良好的穿透性,例如,陶瓷,木材、泥土、硬紙板,塑料制品,泡沫等,同時對金屬等物體具有強烈的反射性;(2)很多大分子的轉振動能力處于太赫茲波段,其太赫茲光譜包含著豐富的分子結構信息,也被稱為“太赫茲指紋譜”;(3)相對于X射線上千電子伏的光子能量,太赫茲輻射的光子能量只有毫電子伏的數量級,不會引起有害的電離反應,不容易破壞被檢測物質(4)THz脈沖的典型脈寬在皮秒量級,能有效的進行時間分辯研究,利用此特性,結合不同物質層次間的反射,獲得內部斷層信息實現三維成像。太赫茲技術于1998年開始應用在文化遺產的保存和分析領域,Koch等人證實了太赫茲成像作為分析樹木年代的有效技術途徑。此后,太赫茲光譜、太赫茲成像技術逐漸在文物材料分析、無損檢測方面均得到應用。

一、太赫茲光譜技術在文化遺產的應用

由于太赫茲的“指紋譜”特點,日本NICT(The National Institute of Information and Telecommunications Technology)將THz-TDS和THz-FT光譜技術應用到文物藝術品分析上,并同RIKEN于2007年建立了首個在太赫茲波段的文物原料開放數據庫(www.thzdb.org),以Fukunaga為代表的世界多個研究組不斷測試補充不同藝術品材料的太赫茲光譜數據,截止目前,該數據庫一共包含1584條光譜數據。

由于不同時期文化藝術品創作原料各異,而多數材料在太赫茲波段均有指紋特征譜,利用太赫茲光譜技術對文物進行分析,可實現對顏料、染料、粘合劑、清漆等材料成分的無損判斷和區分,借此作為文物創作時期的評價依據之一。

例如,對于混合染料,其太赫茲光譜包含了各成分的光譜特征,可依據此判斷和區分染料及粘合劑成分,如圖1所示。依據太赫茲時域光譜分析技術,Fukunaga對13世紀羊皮紙手稿上紅色墨水進行分析,其光譜特征顯示為朱砂。

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圖1壁畫上混合染料的太赫茲光譜其特征包含各組成染料的光譜特征

二、太赫茲成像技術在文化遺產的應用

在文物考古鑒定和保護科學中,一方面采取光譜技術對文物材料進行成分分析,另一方面,需要利用成像技術對文物次表面,隱藏層以及內部結構進行原地無損、無接觸式、高分辨率成像。

太赫茲波在穿透性、非電離性、高分辨率以及深度探測等方面的優勢,為文化遺產的非破壞性檢測和分析提供了高分辨率成像手段。利用太赫茲波穿透性可實現次表面成像,利用太赫茲時域脈沖在物體內部的多層次反射可實現內部橫截面成像,此外,借助太赫茲計算機層析成像技術可對物體三維內部結構進行可視化檢測。

(一)二維成像

為了對壁畫上各種顏料進行成像區分,可在其太赫茲光譜中選取一個頻段,分成三部分,以每部分的平均透過率作為該點的RGB分量,形成偽彩色成像結果,研究結果表明可通過選取適當頻段對不同顏料成分進行區分顯示,如圖2(a)。借助于羊皮紙基底、紅色墨水以及污漬的太赫茲指紋譜,Fukunaga對中世紀手稿進行成像分析,成功區分紅色墨水文字與污漬,有助于歷史手稿的無損文字識別,如圖2(c)。美國密歇根大學Jackson等人利用太赫茲時域脈沖穿透壁畫上不同的結構層次并反射回脈沖,通過在離散時間序列上選取不同的時間窗口對層次進行分離,并在頻域中選擇適當頻段以脈沖峰值強度、集成譜功率等指標進行灰度定量。以此幫助藝術史學家們看穿年代久遠的古建筑泥灰墻,從而發現其內部的壁畫作品。圖2(b)中的蝴蝶圖案為兩層石膏間的壁畫成像結果,其灰度值對應于0.14THz到0.48THz之間的集成譜功率。Jackson將此應用在被遮擋的木質樣品實現年輪成像,有望對木質文物進行年代判斷。Abraham同樣利用太赫茲時域光譜系統在0.1-2THz搭建二維透射掃描成像系統對鉛筆文稿進行成像研究,利用脈沖時間延遲清晰重現黑色墨水下的鉛筆蝴蝶圖樣,如圖2(d)所示,成像分辨率接近衍射極限。

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圖2 根據太赫茲顏料光譜數據的壁畫偽彩色成像圖(圖a);壁畫上石膏間隱藏蝴蝶圖案的成像結果(圖b);中世紀手稿的文字識別(圖c);黑色墨水下的鉛筆蝴蝶圖樣(圖d)

法國巴黎綜合理工學院的Labaune、日本NICT Fukunaga、俄羅斯Skryl利用T4000成像儀對多層紙莎文稿、東亞歷史壁畫、14世紀鍍金肖像畫“Virgin with the Child and a Saint”、17世紀油畫“The dying Messalina and her mother”、 俄羅斯19世紀畫像等歷史藝術品進行了成像探測和分析。西班牙巴塞羅那大學的Seco-Martorell等人利用Zomega公司的Mini-Z時域光譜系統對著名西班牙畫家戈雅的油畫進行成像分析,能夠探測到由畫筆力度、顏料密度以及畫布結構等因素引起的紋理特征,發現隱藏在油畫中的簽名,如圖3(c)。

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圖3 東亞壁畫成像(圖a);多層紙莎文稿成像(圖b)以及隱藏在戈雅油畫下的簽名(圖c)

(二)三維成像

通過太赫茲光譜及二維成像技術可對表面物質以及次表面結構進行探測,而利用太赫茲層析成像技術可對文物多層結構、橫截面以及三維內部狀態進行探測。當太赫茲脈沖經過多層結構物體時,每一個內部層均會反射脈沖,通過對反射時域脈沖信號分析,可以獲得內部結構信息,縱向分辨率可達數十甚至數微米。Adam針對17世紀帆布畫結構制作樣品進行內部結構探測,根據脈沖時序以及峰值時間間隔獲得樣品內部結構信息及各層次厚度,如圖4(a、b),與X射線成像和遠紅外成像進行對比,X射線受到鉛白色涂料阻擋無法對隱藏畫層成像,盡管利用遠紅外技術通過帆布側可以模糊觀測到畫層,但無法提供厚度信息。Skryl同樣利用太赫茲脈沖飛行時間層析成像探測俄羅斯木底畫像的內部結構,觀察到內部空洞缺陷并得到內部各層次厚度,如圖4(c、d)。

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圖4根據太赫茲脈沖峰值時間間隔獲取內部層析結構及厚度信息;圖a為樣品可見光圖像以及橫截面成像;圖b為層析結構及厚度信息三維顯示;俄羅斯畫像內部結構探測;圖c為畫像可見光圖像;圖d為橫截面成像

對于非層次結構物體,類似于傳統X射線層析成像,基于背投影重建的太赫茲計算機層析(THz-CT)成像技術已經開始用于人骨、瓷器等文物內部結構三維成像探測,如圖5。

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圖5古埃及花瓶三維計算機層析成像結果(圖a);莫奇卡陶瓷花瓶復制品在0.287THz和0.084THz的成像結果(圖b);頭蓋骨X射線及太赫茲層析成像結果,紅色箭頭所指部位為冠狀縫,可能受到太赫茲波散射的影響,X射線與太赫茲成像結果顯示出明顯不同(圖c)

三、陜西省文物保護研究院已經開展的相關工作

2013年,文保院與中國工程物理研究院激光聚變研究中心于聯合申請并獲批國家文物局文化遺產保護領域科學與技術研究課題“太赫茲成像技術對壁畫結構探查應用研究”,針對壁畫等文物樣品開展太赫茲無損檢測及成像研究,探討了對壁畫等文物的檢測及成像可行性,為太赫茲技術在我國文物科學領域的應用提供技術參考。主要工作包括:

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圖6 壁畫樣品的不同層次及材料

(1)構建了太赫茲時域光譜檢測系統,對壁畫樣本不同層次的材料進行了光譜檢測,觀察到不同材料其各自的太赫茲光譜特征。壁畫樣品及其太赫茲光譜檢測結果如圖6和圖7所示,可以綜合太赫茲光譜峰值頻率、折射率平均值、折射率峰值頻率、吸收系數峰值頻率等特征上對樣品進行區分;特別是折射率平均值和吸收系數峰值頻率。同時課題組對真實壁畫樣品殘片進行了太赫茲光譜檢測,不同區域顏料材質以及用量差異在太赫茲光譜中得到體現,如圖8所示。

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圖7 壁畫樣品不同層的太赫茲時域光譜及折射率、吸收系數

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圖8 真實壁畫殘片的太赫茲光譜

(2)構建了基于太赫茲時域光譜以及連續太赫茲波的共焦成像系統。太赫茲時域和太赫茲連續波成像系統分別如圖9所示。圖10為最上層樣品的成像結果,首先可以明顯分辨出花瓣輪廓;其次花瓣輪廓將區域分成了三部分,最左邊為淺粉色,中間為深粉色,最右邊為綠色,太赫茲圖像中最左邊的整體強度略高于最右邊;最后,太赫茲成像結果中還有一道橫向條紋,用肉眼從壁畫表面看不出異常,說明太赫茲成像有潛力反饋亞表面結構。該結果可能為重層壁畫的探測奠定技術基礎。

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圖9 基于太赫茲時域和太赫茲連續波的成像系統

文保院以上工作為太赫茲技術在文物保護領域的應用奠定了技術基礎,下一步將繼續針對相關應用中存在的具體問題,優化檢測方法和檢測設備性能,推動太赫茲技術在文物保護領域的發展。

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圖10 蓮花壁畫的太赫茲成像結果

太赫茲波憑借其在穿透性、非電離性、光譜指紋峰、分辨率以及飛秒時間分辨等方面的特點,在文物考古、保存領域有著極大的應用潛力。國外相關應用研究成果為太赫茲技術在我國文物科學領域的發展提供了參考。目前,太赫茲技術在我國文物科學領域的應用尚處于起步階段,在應用方向及檢測技術上均有待探索和發展;文保院已開展了前期針對壁畫的太赫茲檢測工作,未來將繼續推動太赫茲技術在我國文物保護研究領域的應用研究。(周萍)


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