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光学相干断层成像(OCT)是基于低相干光干涉仪,可对物体进行断层成像的技术。OCT 系统的无损检测和图像高速采集特征使其适于对历史文物进行成像检测,并提供文物表面下的结构信息。对OCT 技术原理进行了阐述,并采用OCT 系统对来自北宋的定窑瓷器进行无损检测及断层图像的采集。通过定窑瓷器的OCT 断层图像,可观察到定窑瓷器表层釉质和胎体层,层状结构以及不同结构的界面也清晰可见。通过对OCT 断层图像的分析,可获知瓷器表面的施釉情况及釉层特点,釉层和胎体的风化特征及其中气泡及晶体颗粒的分布、OCT 图像对瓷器的穿透深度等信息。同时可分析釉层和胎体表面工艺以及二次修补的信息。
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第 43 卷 第 2 期
2016 年 2 月
Vol. 43, No. 2
February, 2016
中 国 激 光
CHINESE JOURNAL OF LASERS
0208002-
光学相干断层成像技术在定窑瓷器检测中的应用
杨珊珊
1,2
米 磊
1
朱 锐
1,2*
刘海平
2
1
中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
2
中国科学院大学, 北京 100049
摘要 光学相干断层成像(OCT)是基于低相干光干涉仪,可对物体进行断层成像的技术。OCT 系统的无损检测和图
像高速采集 特 征 使 其 适于对历史文 物 进 行 成 像 检测,并提供文物 表 面 下 的 结构信息。对 OCT 技术原理进 行 了 阐
述,并采用 OCT 系统对来自北 宋的定窑瓷器进 行无损检测及断 层图像的采集。 通过定窑瓷器的 OCT 断层图像,可
观察 到定窑瓷 器表层釉 质和胎体层 ,层 状结构以 及不同结构的界面也清晰可见 。通过对 OCT 断层图 像的分析,可
获知瓷 器表面的施釉 情况及釉层特 点 ,釉层和 胎体的风化特 征 及其中气泡 及 晶体颗粒的 分 布、OCT 图像对瓷 器 的
穿透深度等信息。同时可分析釉层和胎体表面工艺以及二次修补的信息。
关键词 成像系统; 光学相干断层成像; 瓷器; 釉层; 胎体
中图分类号 O436 文献标识码 A
doi: 10.3788/CJL201643.0208002
Non-Invasive Investigation of the Microstructure of the Ding Kiln
Porcelain with Optical Coherence Tomography
Yang Shanshan
1,2
Mi Lei
1
Zhu Rui
1,2
Liu Haiping
2
1
State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics,Xi′an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese
Academy of Sciences, Xi′an, Shaanxi 710119, China
2
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract Optical coherence tomography (OCT) is a non-destructive subsurface tomography system based on low
coherence interferometry. Non-invasive nature and high speed of acquisition of OCT make it possible to image relic
and provide subsurface morphology visualization. Porcelain from Ding kiln of Northern Song dynasty is scanned
and imaged to visualize the subsurface morphology of the surface glaze and core. Layer structures and interfaces
can be visualized clearly from OCT images. The characteristics of the thickness of the glaze layer, bubbles and crystal
particles in glaze, the penetration depth of OCT in porcelain are analyzed.
Key words imaging systems; optical coherence tomography; porcelain; core; glaze
OCIS codes 110.4500; 110.2350; 110.1650; 110.6955
1 引 言
瓷器是 中国宝 贵的历史文物,具有重 要的艺 术价值、历史价 值和收 藏价值 。文物的检测需要科学的 评
估和分析方法,以便对其进行无损的检测研究及保护。 通过对 文物的 检测和 分析,进而 获取文 物所处年代
的社会生活方式和生产水平等信息
[1]
。为检测文物的结构、组成及其存在的问题,相关研究人员不断追求并
探索非接触、非侵入性的检测方法
[2]
。
文物保 护相关 研究单位采用多种方法获 取文物 的结构 、组 成等信 息,主要 包括经 验法和 科学法 。其中
收稿日期: 2015-07-27; 收到修改稿日期: 2015-10-20
基金项目: 国家重点科技支撑项目(2015BAI01B06)、陕西省科技统筹创新计划(2013KTCQ03-09)
作者简介: 杨珊珊(1991—),女,硕士研究生,主要从事光学相干层析成像系统方面的研究。E-mail: yangshanshan@opt.cn
导师简介: 米 磊(1979—),男,博士,副研究员,主要从事内窥式光学相干断层成像系统等方面的研究。
E-mail: millay@126.com
*通信联系人。E-mail: rzhu@vivo-light.com
1
中 国 激 光
0208002-
基于电 磁 学 的 科 学研究 方 法 能 够 为研究 人 员 提 供 可靠的 结 构 特 征 信 息。近 年 来 ,X 射 线 成 像
[3]
、近 红 外成
像
[4-5]
、共聚焦显微镜成像
[6-7]
和紫外荧光成像
[8-9]
等技术不断被尝试应用在文物的检测和分析中
[10]
。
X 射线成像具有无损检测及图 像直观 的优点 ,但 X 射线会使物 体的热 发光性 质发生 改变。X 射线成 像
只能提供二维图像,将文物的立体信息显示在一张平面图中,不利于对文物结构信息的识别
[11]
。红外成像和
红外电 视也用 于历史 文物和 艺术品 的检测 识别中 。纽约 州立大 学布法 罗大学 采用红 外成像技术对帆布油
画进 行 成像检 测 ,从图 像 中可得 到 表面 下 信息、作 品 创作 中 的涂改 以 及表 面 涂料层 的 缺陷 和 修补等 信 息。
在红外电视中,将三维信息显示在二维图像中,表面下的结构信息不能够得到充分显示
[12]
。共聚焦显微成像
的分辨率较高,但穿透深度较小
[13-14]
,这是由于共聚焦显微成像中的纵向分辨率和横向分辨率均取决于成像
系统的数值孔径。
光学相干 断层成像 (OCT)技 术是采用 近红外光 光源
[15]
检测物体 后向散射 信号进行 无损检测及成像的技
术。OCT 能够对检测目标的微观结构进行实时断层成像,提供二维或三维图像,且分辨率达微米量级,成像
深度范围达到 2~3 mm。近年来,OCT 已开始应用于历史文物和考古研究中,进行无损检测和成像,提供结构
组成的信息
[16]
。
2008 年,Yang 等
[17]
采用 OCT 对来自宋代 和元代的 瓷器进行扫描成像,并观察瓷器 表面下形 态结构。他
们对瓷器中存在的气泡、晶体颗粒进行分析,并根据相位分布对瓷器进行分类。2012 年,Liang 等
[18]
对古埃及
彩陶和玻璃珠复制品进行 OCT 成像检测分析以及电子 扫描显微镜的成像。他们发现 可通过 OCT 断层图像
中的表 面釉层 和釉层 与胎体 界面的 形态特 征来对 彩陶进 行分类 。Yang 等
[19- 20]
在 2012 年 利用 OCT 对中国宋
代瓷器进行成像检测,并对釉层厚度,气泡位置和大小,釉层和胎体界面特征进行分析。
本文利用 OCT 系统对北宋定窑瓷器进行扫描成像,并通过 OCT 图像分析定窑瓷器的特征。对定窑瓷器
釉层和胎 体的结构、厚度等信息 进行分析。根据 OCT 图像中釉 层特点,可推断瓷器制 作的施釉技术及其生
产年代。
2 光学相干断层成像系统
如图 1 所示,这里采用的 OCT 系统基于光纤和频域 OCT(FD-OCT)技术。其中,干涉仪是基于光纤的低相
干干涉仪,耦合器分光比为 30∶70(为了得到较强的参考臂)。低相干光源采用超辐射发光二极管(SLD),经过 2×
2 的耦合器后分别进入到参考臂和样品臂。进入参考臂的光经过平面镜反射后成为参考光信号,进入样品臂
的光束经聚焦透镜后到达样品,其后向散射光信号为样品光信号。参考光信号与样品光信号经过耦合器后发生
干涉,干涉信号到达光谱解调装置。在光谱解调装置中,干涉信号经过光栅色散后,由线阵 CCD(e2v,2048 pixel,
28 kHz)进行信号采集。物体不同深度的后向散射光信息包含在光谱信息中,处理后得到纵向深度信号 A-line。
利用 X 方向的扫描振镜(扫描频率为 25 kHz),进行横向扫描可得到一幅 OCT 图像 B-scan
[21]
。
实验中采用的是 高分辨 率频域 OCT 系统,利用光谱解调 装置采 集干涉信号。对高斯光 束而言 ,轴向 分
辨率
[22]
由相干长度决定
Δz =
2 ln 2
π
λ
2
Δλ
, (1)
式中
Δz
是自相干函数的 半峰全 宽,
Δλ
是光功率谱半峰 全宽,
λ
是光源的中心波 长。OCT 图 像的横向分辨
率取决于光束聚焦的衍射光斑极限。衍射光斑极限与数值孔径和光束发散角成反比
[NA = d/(2f )]
。横向分
辨率可表示为
Δx =
4λ
π
æ
è
ç
ö
ø
÷
f
d
, (2)
式中
f
是透镜焦距,
d
是物镜会聚后的光斑直径。横向分辨率
[23]
与轴向可视范围 b 和共焦参数
z
R
(b = 2z
R
)
相
关,等于瑞利范围的 2 倍:
b = 2z
R
=
π∙Δx
2
λ
. (3)
因此,提高横向分辨率会导致轴向可视范围的减小,与共焦显微镜面临着同样的问题。在 OCT 成像中,
2
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