Współczesne metody badań instrumentalnych

Transkrypt

1 Współczesne metody badań instrumentalnych Wykład VIII Skanowanie laserowe 3D Mikroprofilometria Tomografia optyczna (OCT)

2 Skanowanie laserowe Technologia pozyskiwania informacji o kształcie badanego obiektu na podstawie laserowego pomiaru odległości z punktu o określonych współrzędnych przestrzennych do powierzchni badanego obiektu i wyznaczenia ich położenia w określonym układzie współrzędnych. Pomiar wykonywany jest za pomocą lasera impulsowego. Odległość od mierzonego punktu jest wyznaczana na podstawie pomiaru czasu od wysłania impulsu do jego zarejestrowania.

3 Skanowanie laserowe Dane z pomiarów są zapisywane w tzw. chmurze punktów, która po przetworzeniu w zamieniana jest w wirtualny obiekt trójwymiarowy.

4 Przenośny skaner wyposażony w ramię pomiarowe M. Raphael. Forensic Applications for Close-Range (sub-milimeter) 3D Laser Scanning

5 Modelowanie cyfrowe Chmura punktów Model wielokątny Model powierzchniowy M. Raphael. Forensic Applications for Close-Range (sub-milimeter) 3D Laser Scanning

6 Skanery laserowe 3D DPI AFI-5000 Konika Minolta VIVID 9i M. Raphael. Forensic Applications for Close-Range (sub-milimeter) 3D Laser Scanning

7 Przykład - biometria M. Raphael. Forensic Applications for Close-Range (sub-milimeter) 3D Laser Scanning

10 Systemy pomiarowe Metoda pomiaru czasu przelotu. Rotujące zwierciadło odchyla wiązkę laserową, która jest odbijana od obiektu. Odbita wiązka powraca do układu pomiarowego. Czas przelotu (prędkość światła jest znana) oraz odchylenie kąta zwierciadła są wykorzystywane do określenia współrzędnych XYZ. 3D Laser Scanning for Heritage, English Heritage

11 Systemy pomiarowe Metoda triangulacyjna. Obrotowe zwierciadło odchyla wiązkę laserową, która skanuje badaną powierzchnię. Odbita wiązka skupiona przez soczewkę jest rejestrowana kamerę. Położenie zarejestrowanego impulsu, gdzie znana jest odległość D pomiędzy zwierciadłęm i soczewką skupiającą, przy znanym kącie odchylenia zwierciadła służą do określenia odległości badanego punktu metodą triangulacyjną. 3D Laser Scanning for Heritage, English Heritage

12 Zastosowania TLS TLS Terrestial Laser Scanning Dokumentacja obiektów muzealnych i architektonicznych. Analizy strukturalne i badanie zakresu zniszczeń. Monitorowanie deformacji, odkształceń Laserowe skanowanie triangulacyjne, Conservatio Techologies, National Museum Liverpool

13 Zamek Krzyżacki w Radzyniu Wschodnia fasada zamku. Obraz uzyskany bezpośrednio z chmury punktów 3D J. Kościuk, Modern 3D scanning in modelling, documentation and conservation of cultural heritage, J.

14 Grobowiec w świątyni Hatshepsut w Deir el Bahari (Egipt) Wizualizacja z chmury punktów 3D J. Kościuk, Modern 3D scanning in modelling, documentation and conservation of cultural heritage, J.

15 Grobowiec w świątyni Hatshepsut w Deir el Bahari (Egipt) Północna ściana w głównym sanktuarium Amona. Przykład fotomozaiki skaliborwanej z danymi 3D. Rozdzielczość 0,3 mm. J. Kościuk, Modern 3D scanning in modelling, documentation and conservation of cultural heritage, J.

16 Grobowiec w świątyni Hatshepsut w Deir el Bahari (Egipt) Południowa ściana grobowca. Mapa odkształceń uzyskana na podstawie chmury 3D. J. Kościuk, Modern 3D scanning in modelling, documentation and conservation of cultural heritage, J.

17 Pałac Biskupi w Miliczu Fasada południowa. Obraz uzyskany z chmury 3D. J. Kościuk, Modern 3D scanning in modelling, documentation and conservation of cultural heritage, J. Heritage Conservation 32/2012; 82

18 Rzeźba głowy niewiadomego pochodzenia Przykład modelu siatkowego, ukazującego kształt głowy grafika wektorowa 3D. J. Kościuk, Modern 3D scanning in modelling, documentation and conservation of cultural heritage, J.

19 Fasada zachodnia Katedry Wrocławskiej 2D rysunek wektorowy fasady zachodniej J. Kościuk, Modern 3D scanning in modelling, documentation and conservation of cultural heritage, J.

20 Sarkofag z czasów rzymskich, III w. n. e. Badany sarkofag oraz układ pomiarowy ILRIS 3D. Szybkość próbkowania 2500 punktów na sek. Zakres: od 3 m do km. Pole widzenia 40 o na 40 o. H. Karabork et al. Modeling and visualisation using laser scanner in documentation of cultura l heritage

21 Sarkofag z czasów rzymskich, III w. n. e. Obrazy 3D uzyskane ze skanera laserowego. H. Karabork et al. Modeling and visualisation using laser scanner in documentation of cultura l heritage

22 Profilometria optyczna (interferometria w paśmie światła widzialnego) Technika bezkontaktowa. Służy m. in. do oceny chropowatości powierzchni, oraz zmian powierzchniowych będących skutkiem, np. korozji. Można za jej pomocą dokonywać oceny skutków niektórych zabiegów konserwatorskich, np. oczyszczania laserowego.

23 Profilometr optyczny Wiązka światła z diody laserowej jest kierowana na przedmiot, na którym ulega jednoczesnemu odbiciu i rozpraszaniu. Odbite i rozproszone światło przechodzi przez kryształ dwójłomny umieszczony pomiędzy dwoma polaryzatorami.

24 Profilometr optyczny W krysztale dwójłomnym powstaje wiązka zwyczajna i nadzwyczajna, które tworzą obraz interferencyjny rejestrowany przez kamerę CCD. Porowatość powierzchni jest następnie obliczana na podstawie informacji zawartej w natężeniu i fazie prążków interferencyjnych.

25 Profilometr optyczny Urządzenie jest zwykle wyposażone w ruchomy stolik sterowany za pomocą silnika krokowego, dzięki czemu możliwe jest skanowanie powierzchni. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie informacji o topografii badanej powierzchni o rozdzielczości transwersalnej rzędu kilku µm. Profilometr optyczny MinroProf CWL 3 mm

26 Profilogram

27 Brązowa statuetka Minerwy z Arezzo Datowana na III w. p.n.e. Muezum Archeologiczne we Florencji. Stan zachowania bardzo zły. Zniszczone drewniane wnętrze rzeźby, warstwa brązu skorodowana. Ślady ingerencji konserwatorskich z XVII i XVIII w. P. Carcagni et al. Optical micor-profilometry for archeology

28 Brązowa statuetka Minerwy z Arezzo Obszar o powierzchni 1 cm 2 na ramieniu wyselekcjonowany do wyznaczenia chropowatości powierzchni. Przedstawione obrazy ukazują teksturę powierzchni w zakresie fal o mniejszej długości (chropowatość) oraz większej (pofałdowanie). P. Carcagni et al. Optical micor-profilometry for archeology

29 Brązowa statuetka Minerwy z Arezzo Pofałdowanie powierzchni i chropowatość. P. Carcagni et al. Optical micor-profilometry for archeology

30 Grecka moneta z brązu Awers (powyżej) i rewers (poniżej) greckiej monety z pocz. III w. p. n. e., Uniwersytet w Lecce. Po lewej fotografia w świetle widzialnym, w drugiej i trzeciej kolumnie obrazy uzyskane na podstawie danych profilometrycznych przy kroku próbkowania 50 µm. Po prawej rysunek monety. P. Carcagni et al. Optical micor-profilometry for archeology

31 Rzymska moneta z brązu Awers (powyżej) i rewers (poniżej) rzymskiej monety z końca III w. p. n. e., Uniwersytet w Lecce. Po lewej fotografia w świetle widzialnym, w drugiej i trzeciej kolumnie obrazy uzyskane na podstawie danych profilometrycznych przy kroku próbkowania 50 µm. Po prawej rysunek monety. P. Carcagni et al. Optical micor-profilometry for archeology

32 Tomografia optyczna 1991 r. MIT, sformułowana zostaje idea tomografii optycznej r. Uniwersytet Wiedeński, pierwsze tomogramy oka ludzkiego r. firma Zeiss Humphrey, pierwsze urządzenie komercyjne.

33 Zasada działania Badany obiekt sonduje wiązka światła. Światło rozproszone wstecznie niesie informacje o położeniu miejsc znajdujących się na drodze wiązki, w których zmienia się współczynnik załamania.

34 Zasada działania Przesuwając wiązkę światła otrzymuje się kolejne porcje informacji o położeniu centrów rozpraszających. Złożenie wyników kolejnych pomiarów daje obraz 3D badanego obiektu.

35 Zasada działania W celu uzyskania informacji o położeniu stosuje się układ interferometryczny ze źródłem światła o częściowej spójności. Wiązka światła dzielona jest na dwie, z których jedna penetruje obiekt, druga pada na zwierciadło odniesienia. Światło rozproszone na elementach struktury obiektu interferuje z wiązką odniesienia. zwierciadło odniesienia obiekt

36 Zasada działania Widmo sumarycznego natężenia światła powstaje w skutek nakładania się fali odniesienia oraz fali rozproszonej. Centra rozpraszające lokalizuje się na dwa sposoby:. Rozwinięcie widma za pomocą siatki dyfrakcyjnej, rejestrację prążków dyfrakcyjnych i wykonanie transformacji Fouriera (metoda widmowa). Zarejestrowanie fotodiodą natężenia całkowitego sumowanej wiązki w funkcji położenia zwierciadła odniesienia (metoda czasowa). zwierciadło odniesienia obiekt

37 Widmowy tomograf optyczny Rejestruje się wynik wszystkich interferencji. Zaletą tej metody jest brak elementów ruchomych. Wadą są interferencje pasożytnicze, które mieszają się z interferencjami zawierającymi informacje. A. Kowaczyk, M. Wojtkowski, Tomografia optyczna, Postępy fizyki, 53D, 2002,

38 Czasowy tomograf optyczny Do wyznaczania położenia centrów rozpraszających potrzebny jest ruch zwierciadła odniesienia (zakres ruchu około 2 cm). A. Kowaczyk, M. Wojtkowski, Tomografia optyczna, Postępy fizyki, 53D, 2002,

39 Tomograf optyczny (obie metody) Źródło światła diody superluminescencyjne λ= 800 nm ( λ= 10 nm, z= 14 µm). Eksperymentuje się również ze źródłami światła białego. A. Kowaczyk, M. Wojtkowski, Tomografia optyczna, Postępy fizyki, 53D, 2002,

40 Możliwości i ograniczenia metody Badany ośrodek musi być przezroczysty dla podczerwieni. Z tego powodu OCT wykorzystywane jest do badania takich struktur półprzezroczystych, jak werniksy i laserunki w malarstwie olejnym. Metoda ta umożliwia nieinwazyjny pomiar grubości tych warstw. B. J. Rouba, P. Karaszkiewicz, Optical coherence tomography for non-destructive investigations of structure of objects of art. 9th International Conference on NDT of Art, Jerusalem Israel, May 2008.

41 Możliwości i ograniczenia metody Badania pergaminów zapisanych żelazowogalusowym atramentem. Badania porcelany, fajansu. B. J. Rouba, P. Karaszkiewicz, Optical coherence tomography for non-destructive investigations of structure of objects of art. 9th International Conference on NDT of Art, Jerusalem Israel, May 2008.

42 Układ pomiarowy Źródło światła dioda superluminescencyjna l = 845 nm, Dl = 45 nm. Metoda widmowa. RM zwierciadło odniesienia. LS źródło światła. X-Y ruchome zwierciadło (skaner X- Y) DG siatka dyfrakcyjna.

43 Leonardo da Vinci, Madonna dei Fusi( ) Technika olejna, 50,2 cm x 26,4 cm. Obraz restaurowany co najmniej dwukrotnie przed 1809 r. Wcześniejsza historia nieznana. Oznaczono miejsca analiz OCT. P. Targowski et al. OCT structural examination of Madonna dei Fusi by Leonardo da Vinci. Proc. of SPIE Vol N (2013)

44 Leonardo da Vinci, Madonna dei Fusi( ) 200 µm Tomogram uzyskany z policzka Dzieciątka. Obszary silnie rozpraszające/odbijające na przekroju poprzecznym odzwierciedlone są jasnymi kolorami. Obszary przezroczyste i obszary do których nie dociera promieniowanie odzwierciedlone są przez kolor czarny. Po prawej ukazano obszar poddany analizie OCT. P. Targowski et al. OCT structural examination of Madonna dei Fusi by Leonardo da Vinci. Proc. of SPIE Vol N (2013)

45 Leonardo da Vinci, Madonna dei Fusi( ) 23 µm 46 µm 54 µm Cięcia na głębokości 23 mm, 46 µm i 54 µm. Na najpłytszym cięciu wudać warstwę przemalowania znajdującą się pomiędzy dwiema warstwami werniksu. Pozostałe dwa pochodzą z warstwy malarskiej. Uzyskane wyniki wskazują, że zakres przemalowań pomiędzy warstwami werniksu znacznie wykracza poza ubytki warstwy malarskiej. Czerwone linie wskazują na miejsca, z których uzyskano profile przedstawione na poprzednim i kolejnym slajdzie. P. Targowski et al. OCT structural examination of Madonna dei Fusi by Leonardo da Vinci. Proc. of SPIE Vol N (2013)

46 Leonardo da Vinci, Madonna dei Fusi( ) Kolejny przekrój poprzeczny. Warstwa pod przemalowaniem jest ciągła. Dlatego nie stanowi ona niewypełnionego ubytku farby. Jest to prawdopodobnie kit, który silnie rozprasza promieniowanie podczerwone. P. Targowski et al. OCT structural examination of Madonna dei Fusi by Leonardo da Vinci. Proc. of SPIE Vol N (2013)

47 Leonardo da Vinci, Madonna dei Fusi( ) 20 µm 37 µm 64 µm Detal krajobrazu. Cienka warstwa retuszu została umiesczona na grubej warstwie werniksu i pokryta kolejną warstwą werniksu. Warstwa malarska poniżej jest jednorodna, co wskazuje na brak ubytków warstwy oraz kitów. Cięcia z tego obszaru ukazują zakres występowania retuszy 20 µm pod powierzchnią obrazu. P. Targowski et al. OCT structural examination of Madonna dei Fusi by Leonardo da Vinci. Proc. of SPIE Vol N (2013)

48 Korozja szkła Kościół Mariacki w Krakowie Od wewnątrz 9 mm Od zewnątrz Materiały udostępnione dzięki uprzejmości prof. P. Targowskiego, badania wykonane w ramach projektu