CN105548099A - 基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法 - Google Patents

基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法：步骤1，将一束飞秒激光通过激光扫描器反射，进一步由可变焦显微物镜聚焦于待测文物的目标位置；步骤2，探测反射的双光子激发荧光；步骤3，通过激光扫描器逐点扫描目标，获得双光子激发荧光的二维图像；步骤4，变换显微物镜的焦距，获得不同深度处的双光子激发荧光二维图像；步骤5，将不同深度出的获得的一系列双光子激发荧光二维图像重构，获得一个三维图像；步骤6，根据荧光的波长范围可以鉴定文物的成分，根据各成分的特征荧光图像可以确定矿料中不同成分的分布情况。本发明能够同时实现文物成分分析和三维成像；能够实现分侵入、非接触、无损检测。

Description

基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法
技术领域
本发明属于非线性光学技术与科技考古技术范畴，具体涉及一种双光子激发荧光的文物三维成像及成分鉴定方法。
背景技术
我国是历史悠久的文明古国，有着丰富多彩、弥足珍贵的文化遗产，地上地下保存着极为丰富的文物。这些历史遗存不仅蕴含着中华民族特有的精神价值，而且是不可再生的珍贵资源和民族智慧的结晶。近年来，随着经济全球化趋势和现代化进程的加快，我国的文化遗产及其生存环境受到严重威胁，加强文化遗产的研究与保护刻不容缓。如何利用现代科学分析方法和技术手段，无损鉴定文物的矿料组成和分布已成为文化遗产保护和修复的重大课题。
目前常用的分析文物矿料组成分析方法有：激光拉曼显微光谱法、光导纤维反射光谱法、激光诱导击穿光谱法、X射线荧光光谱法、粉末偏光显微法等(魏璐，王丽琴，周铁，容波，夏寅，无损光谱技术在彩绘陶质文物分析中的应用进展，光谱学与光谱分析，32(2)：481—485)，这些方法都是有损检测方法，即都需要取样，对文物造成一定的损坏，这对于文物这种不可再生资源而言是不可挽回的损失。此外，这些方法都不能对文物进行断层成像，所以无法通过这些方法得到文物内部的形貌和矿料组成成分的分布情况。目前用于文物断层成像的方法是光学相干层析成像(严鑫，董俊卿，李青会，郭木森，胡永，基于OCT技术对古代瓷釉断面结构特征的初步研究，中国激光，41(9)：0908001)，这个方法是一种无损、非接触的成像技术，可以获得文物内部的层析结构。然而，这个方法不能鉴别物质，无法获得矿料组成成分的信息。
发明内容
针对上述现有技术在文物断层成像及矿料鉴定中的缺陷，本发明的目的在于，提供一种基于双光子激发荧光的文物断层成像及矿料鉴定的方法，该方法能够分析文物内部的矿料组成，同时能对文物的目标区域进行三维成像，具有非接触、无损的特点。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法，包括以下步骤：
步骤一，将一束飞秒激光通过激光扫描器反射，由可变焦的显微物镜聚焦于待测文物的目标位置；
步骤二，将待测文物表面反射出的双光子激发荧光进行滤光，并使其进入探测成像装置；
步骤三，利用激光扫描器逐点扫描待测文物的目标位置，在探测和成像装置中获得一个二维图像；
步骤四，变换显微物镜的焦距，然后重复步骤三，以获得不同深度处的待测文物表面的二维图像；
步骤五，将步骤三和步骤四获得的二维图像重构，获得待测文物的三维图像；
步骤六，根据待测文物表面反射出的双光子激发荧光的波长范围鉴定待测文物中矿料的组成成分，根据荧光图像确定矿料中不同组成成分的分布情况。
进一步地，所述的飞秒激光的波长可调谐，范围是690～1040nm，脉宽小于100fs，平均功率大于2.5W。
进一步地，所述的飞秒激光由一个飞秒激光器发出，在飞秒激光器与所述的激光扫描器之间依次间隔设置有半波片、偏振分光立方体以及四分之一波片；
所述的步骤一中，飞秒激光器输出的飞秒激光通过二分之一波片，旋转二分之一波片以改变飞秒激光的偏振方向，使飞秒激光通过所述的偏振分光立方体后分为两束，一束为反射光，另一束为线偏振透射光，其中线偏振透射光经过所述的四分之一波片后进入所述的激光扫描器。
进一步地，所述的飞秒激光器的一侧设置有光谱仪，光谱仪前端设置有全反镜，所述的飞秒激光通过偏振分光立方体后，反射光经由全反镜进入光谱仪，以检测飞秒激光器的工作状态。
进一步地，所述的激光扫描器与待测文物之间设置有二向色镜，飞秒激光经过偏振分光立方体后，其线偏振透射光在经过四分之一波片时，调节四分之一波片将线偏振透射光变为圆偏振光，然后进入激光扫描器，继而经过激光扫描器反射，通过二向色镜进入所述的显微物镜。
进一步地，所述的探测成像装置为计算机，计算机与所述的显微物镜、激光扫描器连接；步骤一中，通过计算机调节显微物镜的焦距，使激光束聚焦于待测文物上目标位置的某处，并记录该处的深度；步骤三中，通过计算机调节激光扫描器，在水平面方向上逐点扫描激光聚焦位置，并记录激光作用的水平位置，最终得到二维图像。
进一步地，所述的二向色镜的一侧依次间隔设置有发射滤光片、带通滤光片和光电倍增管；待测文物表面反射出的双光子激发荧光经过二向色镜的反射，通过发射滤光片、带通滤光片选择矿料的某一种物质成分的荧光的波长范围，进一步进入光电倍增管进行探测，并由计算机进行记录。
本发明的方法应用非线性光学技术来鉴定文物的矿料组成和分布，与现有文物成分分析和层析成像方法相比，本发明具有以下优点：
1.能够同时实现文物成分分析和三维成像；
2.能够实现分侵入、非接触、无损检测；
3.成像深度深，可获得文物内部的成分和分布信息。
附图说明
图1为本发明方法中用到的装置的结构示意图；
图中标号代表：1—飞秒激光器，2—光谱仪，3—半波片，4—偏振分光立方体，5—四分之一波片，6—激光扫描器，7—计算机，8—全反镜，9—发射滤光片，10—带通滤光片，11—光电倍增管，12—二向色镜，13—显微物镜，14—待测文物。
具体实施方式
遵从上述技术方案，如图1所示，本发明给出了一种基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，将一束飞秒激光通过激光扫描器反射，由可变焦的显微物镜聚焦于待测文物的目标位置；
更加具体地，飞秒激光由一个飞秒激光器发出，在飞秒激光器与所述的激光扫描器之间依次间隔设置有半波片、偏振分光立方体以及四分之一波片；
在步骤一中，飞秒激光器输出的飞秒激光通过二分之一波片，旋转二分之一波片以改变飞秒激光的偏振方向，使飞秒激光通过所述的偏振分光立方体后分为两束，一束为反射光，另一束为线偏振透射光，其中线偏振透射光经过所述的四分之一波片后进入所述的激光扫描器。
在飞秒激光器的一侧设置有光谱仪，光谱仪前端设置有全反镜，所述的飞秒激光通过偏振分光立方体后，反射光经由全反镜进入光谱仪，以检测飞秒激光器的工作状态。
在激光扫描器与待测文物之间设置有二向色镜，飞秒激光经过偏振分光立方体后，其线偏振透射光在经过四分之一波片时，调节四分之一波片将线偏振透射光变为圆偏振光，然后进入激光扫描器。
步骤二，将待测文物表面反射出的双光子激发荧光进行滤光，并使其进入探测成像装置；
从四分之一波片中射出的激光经过激光扫描器反射，通过二向色镜进入所述的显微物镜，显微物镜将激光束聚焦于待测文物上的目标位置。本方法中用到的激光扫描器是指能够平面控制激光束的偏转的激光振镜；可变焦的显微物镜是指能够在纵向控制激光聚焦深度的装置。
在本方法中，探测成像装置为计算机，计算机与所述的显微物镜、激光扫描器连接；计算机中安装有控制软件，以控制显微物镜、激光扫描器的运作；同时装有图像处理软件和数据采集卡。
步骤三，利用激光扫描器逐点扫描待测文物的目标位置，在探测和成像装置中获得一个二维图像；
通过计算机调节显微物镜的焦距，使激光束聚焦于待测文物上目标位置的某处，并记录该处的深度；通过计算机调节激光扫描器，在水平面方向上逐点扫描激光聚焦位置，并记录激光作用的水平位置，最终得到二维图像。
二向色镜的一侧依次间隔设置有发射滤光片、带通滤光片和光电倍增管；待测文物表面反射出的双光子激发荧光经过二向色镜的反射，通过发射滤光片、带通滤光片选择矿料的某一种物质成分的荧光的波长范围，进一步进入光电倍增管进行探测，并由计算机进行记录。所述的二向色镜用于透射激光束，反射荧光。
步骤四，变换显微物镜的焦距，然后重复步骤三，以获得不同深度处的待测文物表面的二维图像；
步骤五，利用计算机上的数据处理软件将步骤三和步骤四获得的二维图像重构，获得待测文物的三维图像。
步骤六，根据待测文物表面反射出的双光子激发荧光的波长范围可以鉴定待测文物中矿料的组成成分，根据荧光图像可以确定矿料中不同组成成分的分布情况。
本发明的原理如下：
设用于激发待测文物样品的飞秒激光的频率为ν0，波长为λ0，则一个激发光光子的能量为hν0。在双光子激发荧光中，一个样品分子同时吸收两个光子，获得2hν0的能量而从基态跃迁到2hν0能量的激发态。处于激发态的分子经过很短的弛豫过程之后退激发回到基态，同时发射出一个荧光光子，即为双光子激发荧光光子。双光子激发荧光光子的频率小于2ν0，波长介于λ0/2和λ0之间。
由于双光子激光荧光是一种非线性光学过程，双光子吸收截面很小，只有在激光功率密度达到一定高度时才能够激发，所以双光子激光荧光只有在焦平面很小的区域内才会发生，空间分辨率高。正是基于此，可以通过三维扫描焦点的位置获得三维荧光图像。
由于荧光的波长范围因物质而异，可以根据特征波长处的是否有荧光确定文物矿料中是否包含此物质成分，同时可根据荧光的强弱判断其含量的多少，根据荧光图像可以分析物质成分的分布情况以及所处的层次。

Claims (7)

1.一种基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将一束飞秒激光通过激光扫描器反射，由可变焦的显微物镜聚焦于待测文物的目标位置；
步骤二，将待测文物表面反射出的双光子激发荧光进行滤光，并使其进入探测成像装置；
步骤三，利用激光扫描器逐点扫描待测文物的目标位置，在探测和成像装置中获得一个二维图像；
步骤四，变换显微物镜的焦距，然后重复步骤三，以获得不同深度处的待测文物表面的二维图像；
步骤五，将步骤三和步骤四获得的二维图像重构，获得待测文物的三维图像；
步骤六，根据待测文物表面反射出的双光子激发荧光的波长范围鉴定待测文物中矿料的组成成分，根据荧光图像确定矿料中不同组成成分的分布情况。
2.如权利要求1所述的所述的基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法，其特征在于，所述的飞秒激光的波长可调谐，范围是690～1040nm，脉宽小于100fs，平均功率大于2.5W。
3.如权利要求1所述的所述的基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法，其特征在于，所述的飞秒激光由一个飞秒激光器发出，在飞秒激光器与所述的激光扫描器之间依次间隔设置有半波片、偏振分光立方体以及四分之一波片；
所述的步骤一中，飞秒激光器输出的飞秒激光通过二分之一波片，旋转二分之一波片以改变飞秒激光的偏振方向，使飞秒激光通过所述的偏振分光立方体后分为两束，一束为反射光，另一束为线偏振透射光，其中线偏振透射光经过所述的四分之一波片后进入所述的激光扫描器。
4.如权利要求3所述的基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法，其特征在于，所述的飞秒激光器的一侧设置有光谱仪，光谱仪前端设置有全反镜，所述的飞秒激光通过偏振分光立方体后，反射光经由全反镜进入光谱仪，以检测飞秒激光器的工作状态。
5.如权利要求4所述的基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法，其特征在于，所述的激光扫描器与待测文物之间设置有二向色镜，飞秒激光经过偏振分光立方体后，其线偏振透射光在经过四分之一波片时，调节四分之一波片将线偏振透射光变为圆偏振光，然后进入激光扫描器，继而经过激光扫描器反射，通过二向色镜进入所述的显微物镜。
6.如权利要求1所述的基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法，其特征在于，所述的探测成像装置为计算机，计算机与所述的显微物镜、激光扫描器连接；步骤一中，通过计算机调节显微物镜的焦距，使激光束聚焦于待测文物上目标位置的某处，并记录该处的深度；步骤三中，通过计算机调节激光扫描器，在水平面方向上逐点扫描激光聚焦位置，并记录激光作用的水平位置，最终得到二维图像。
7.如权利要求5所述的基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法，其特征在于，所述的二向色镜的一侧依次间隔设置有发射滤光片、带通滤光片和光电倍增管；待测文物表面反射出的双光子激发荧光经过二向色镜的反射，通过发射滤光片、带通滤光片选择矿料的某一种物质成分的荧光的波长范围，进一步进入光电倍增管进行探测，并由计算机进行记录。
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