CN114384043B - 柔性近红外陷波片及其制作工艺和应用于文物检测的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性近红外陷波片及其制作工艺和应用于文物检测方法及系统，所述柔性近红外陷波片，包括基底以及设置于基底上的复合膜，所述复合膜包括若干层膜，所述复合膜为折射率不同的材料按照交替多层膜结构构成；所述相邻膜的折射率不同；复合膜包括第一折射率膜、第二折射率膜；所述第一折射率膜为高折射率膜，所述第二折射率膜为低折射率膜。本发明提供的柔性近红外陷波片单独设计，可贴合多种文物表面，根据文物实际的光谱选择特征峰位，降低了光谱法监测文物的测量设备要求，加工过程可靠稳定。且使用过程中不会对文物本体产生有害影响，由于相对于可见光透明，所以不会对文物外观产生影响；本发明有利于更好地实现文物监测，更好地推进文物防盗防破坏工作的进行。
Description
技术领域
本发明涉及文物检测技术领域，特别是一种柔性近红外陷波片及其制作工艺和文物检测的方法及系统。
背景技术
近些年来，文物保护工作越来越受到国家和社会的关注，但当前我国文物保护情况十分严峻，很多文物特别像是古建筑、石窟寺、石刻、壁画、近代现代重要史迹等不可移动文物时常会遭到恶意破坏或部分失窃，并且极难修复或追回，通过光谱监控法监测文物本体的光谱实现文物的实时监控，但是该方法所用到的高光谱相机价格高昂，而对特定频段进行测量的多光谱相机则相较价格较低，因此研究一种能对文物进行特定频段标识并进行监控的器件十分重要。
同时，由于很多文物本体的光谱并不具有独特的光谱峰位，造成在使用多光谱监测文物时无法通过文物本体的特征峰来识别文物；此外，对于材质比较脆弱的文物例如木质文物，特种频谱材料还需要做到对文物本体无损害；文物复杂多变的外观要求器件在安装时具备足够的灵活性，对文物的外观无影响。现在传统的红外陷波片都是基于刚性基底，很难做到灵活安装。针对以上问题，本次应用于文物特种频谱标识的柔性近红外陷波片可以做到对特定峰位进行文物的标记，对文物无损害，能灵活安装，对文物的外观无影响，且该方法未见相关报道。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种柔性近红外陷波片及其制作工艺和文物检测方法及系统，该柔性近红外陷波片可以应用于文物检测，通过柔性近红外陷波片设置的频谱标识快速检测文物存在状态。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供的柔性近红外陷波片，包括基底以及设置于基底上的复合膜，所述复合膜包括若干层膜，所述复合膜为折射率不同的材料按照交替多层膜结构构成；所述相邻膜的折射率不同。
进一步，所述复合膜包括第一折射率膜、第二折射率膜；
所述第一折射率膜的折射率大于第二折射率膜的折射率；
所述第一折射率膜为高折射率膜，所述第二折射率膜为低折射率膜。
进一步，所述第一折射率膜为TiO2膜，所述第二折射率膜为SiO2膜；
所述TiO2膜的折射率为2.0-2.4；
所述SiO2膜的折射率为1.52-1.55；
所述TiO2膜的厚度为10nm-500nm；
所述SiO2膜的厚度为10nm-200nm。
本发明提供的柔性近红外陷波片的制作工艺，所述柔性近红外陷波片是通过磁控溅射设备镀制形成，包括以下步骤：
S1：确定基底、第一折射率材料和第二折射率材料及其加工参数；
S2：根据选定的第一折射率材料、第二折射率材以及预设陷波波段料确定膜层厚度和膜层层数；
S3：将第一折射率靶材和第二折射率靶材分别放入对应靶腔；
S4：将柔性基底用超声波清洗设备清洗托干后放上基底托盘；
S5：通过直流反应溅射第一折射率形成第一层薄膜；
S6：通过射频溅射第二折射率形成第二层薄膜；
S7：循环交替溅射直到满足确定的膜层厚度和膜层层数条件为止，最终形成柔性近红外陷波片。
进一步，所述确定膜层厚度和膜层层数按照以下步骤确定：
S21：将第一折射率材料和第二折射率材料组合成膜系结构；
S22：计算膜系结构的最佳插入位置；
S23：在膜系结构的最佳插入位置插入第一折射率材料薄层或第二折射率材料构成的薄层；
S24：插入薄层后评价函数将大幅度降低，返回步骤S22再次计算新膜系结构的最佳插入位置；
S25：重复循环步骤S22-24，直到得到满足预设光谱性能的膜系结构。
进一步，还包括以下步骤：
S26：判断膜系的各层膜的厚度是否满足膜层厚度约束条件，如果满足，则得到优化完成的膜系；
如果不满足，则确定需要合并的薄层，增加膜层厚度约束条件，进一步降低评价函数，直至各层膜的厚度已满足膜层厚度约束条件且膜系性能满足预设光谱性能。
本发明提供的柔性近红外陷波片的文物检测方法，包括以下步骤：
S1：将柔性近红外陷波片设置于待监控文物上预设位置；
S2：向待监控文物发射近红外光并获取从待监控文物发射回来的近红外光谱图像；
S3：处理近红外光谱图像并获取图像中在预设位置区域光谱特征图像；
S4：判断在预设位置区域光谱特征图像是否存在特征峰位；如果不存在，则说明文物处于非正常状态，并发出报警信号；
S5：如果存在，在说明文物处于正常状态，循环重复进行上述步骤S2-S4；
进一步，所述近红外光的波段为780nm～1700nm。
本发明提供的柔性近红外陷波片的文物检测系统，包括设置于待检测文物上的柔性近红外陷波片、相机、控制单元和数据处理单元；
所述控制单元分别与相机、数据处理单元连接；所述控制单元用于控制相机；所述相机用于获取待监控文物的光谱图像，并将光谱图像传输到数据处理单元中，所述数据处理单元用于分析光谱图像并识别图像中的光谱特征。
进一步，还包括报警单元，所述报警单元与控制单元连接，所述数据处理单元根据光谱数据计算光谱是否匹配并同时输出给控制单元，所述控制单元根据光谱匹配信号决定直接进入下一个监控周期或者输出控制信号给报警单元，所述报警单元接收到光谱不匹配的信号则会给出报警。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的柔性近红外陷波片及其制作工艺和应用于文物检测方法及系统，由于柔性近红外陷波片单独设计，贴合多种文物表面，可根据文物实际的光谱选择特征峰位，降低了光谱法监测文物的测量设备要求，加工过程可靠稳定。且使用过程中不会对文物本体产生有害影响，由于相对于可见光透明，所以不会对文物外观产生影响；本发明有利于更好地实现文物监测，更好地推进文物防盗防破坏工作的进行。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为应用于文物特种频谱标识的柔性近红外陷波片膜系示意图。
图2为应用于文物特种频谱标识的柔性近红外陷波片设计与加工流程图。
图3为TiO2实际折射率曲线。
图4为SiO2实际折射率曲线。
图5为960nm中心峰柔性近红外陷波片理论曲线。
图6为基于柔性近红外陷波片的文物检测系统示意图。
图7为监控系统数据处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的一种应用于文物特种频谱标识的柔性近红外陷波片，包括基底以及设置于基底上的复合膜，所述复合膜包括若干层膜，所述复合膜为折射率不同的材料按照交替多层膜结构构成；所述相邻膜的折射率不同；本实施例中各层所述膜的厚度为10nm 到500nm之间；经过试验证明在此厚度范围内将各层膜叠加在一起，可以快速得到陷波效果。
本实施例提供的基底由相对于可见光透明的材料制作；
本实施例提供的若干层膜由相对于可见光透明的材料制作；
所述复合膜包括第一折射率膜、第二折射率膜；
所述第一折射率膜的折射率不等于第二折射率膜的折射率；
所述第一折射率膜的折射率大于第二折射率膜的折射率；本实施例中的第一折射率膜为高折射率膜，所述第二折射率膜为低折射率膜；本实施例采用两种折射率的材料交替叠加构建复合膜，生成工艺比较简单，通过调节不同膜的厚度，调节过程比较单一，容易得到陷波效果；本实施例中的第一折射率膜为TiO2膜，所述第二折射率膜为SiO2膜；与常用高折射率红外镀膜材料ZnS、GaAs等材料相比，TiO2膜具有化学性质稳定、无毒和成本低的优点；与常用低折射率红外镀膜材料YbF3、PbF2相比，SiO2膜具有介电性能稳定、耐潮性好、无污染和成本低的优点；所述TiO2膜的折射率为2.0-2.4；所述SiO2膜的折射率为1.52-1.55；所述TiO2膜的厚度为10nm-500nm；所述SiO2膜的厚度为10nm-200nm。
本实施例提供的复合膜的第一层膜为设置于基底上的第一折射率膜，第二层为设置于第一层上的第二折射率膜，第三层膜为设置于第二层的第一折射率膜，第四层为设置于第三层上的第二折射率膜；如此循环相间，最终组成复合膜。本实施例提供的复合膜的层数可以根据陷波峰位进行确定。
本实施例陷波的波段可根据文物本体反射率高的波段进行选择，光经过陷波片照射到文物，文物反射入射光再经过陷波片被检测系统检测，陷波波段由于检测系统难以接收到正入射后反射回的光而呈现陷波状，陷波附近波段由于文物本体的高反而呈现高透，最终检测出陷波的光谱。由于相同材质的文物具有极其相似的光谱，所以可以通过在这些文物高反波段进行多个陷波峰位的选择来实现不同文物的标识。
本实施例的基底采用聚二甲基硅氧烷制成，该材料是一种透明度高、惰性、无毒、不易燃和疏水性的柔性材料。
实施例2
本实施例的高折射率材料选择TiO2材料，低折射率材料选择SiO2材料，构成HLs基本周期膜系，其中，H为高折射率材料，L为低折射率材料，采用膜系软件TFCalc自带的针法，即通过不断地插入薄层以此增加变量的维数来形成一个连续的寻优过程，来进行膜系的设计。设计完成后可以根据设计的膜系在Kurt J.Lesker公司出产的PVD 75中通过磁控溅射镀制，由于柔性基底不耐高温，这样可以解决热蒸发镀膜法存在的工作温度过高问题并且可以精准控制镀制极薄的膜层。
根据上述确定的材料，柔性近红外陷波片整体设计与加工流程如下：
1)确定TiO2设计参数及加工参数。在PVD 75工作舱的直流靶腔中放入2英寸Ti靶材，基底托盘上放上柔性基底PDMS，将工作舱抽至真空后，将氩气与氧气按照流速5：1的比例通入工作舱，工作舱气压设为5，启动直流靶腔电源，功率设为130，舱温控制在25℃，速率稳定后开始镀膜，制备出多个厚度相同的单层TiO2样品；接着通过椭偏仪测量出TiO2样品的平均实际厚度与实际折射率，通过实际厚度与设备显示厚度的对比调整设备的tooling值来提高镀制膜层厚度的精度，将实际折射率作为优化设计过程中的折射率参数，减少折射率理论与实际值之间的误差带来的影响。
2)确定SiO2设计参数及加工参数。在PVD 75工作舱的射频靶腔中放入2英寸SiO2靶材，基底托盘上放上柔性基底PDMS，将工作舱抽至真空后，将氩气通入工作舱，工作舱气压设为 7，启动射频靶腔电源，功率设为80，舱温控制在25℃，速率稳定后开始镀膜，制备出多个厚度相同的单层SiO2样品；接着通过椭偏仪测量出SiO2样品的平均实际厚度与实际折射率，通过实际厚度与设备显示厚度的对比调整设备的tooling值来提高镀制膜层厚度的精度，将实际折射率来作为优化设计过程中的折射率参数，减少折射率理论与实际值之间的误差带来的影响。
3)完成膜系设计。根据可见光波段透明和在近红外波段需要的特征峰位在TFCalc中设定优化目标，导入实际折射率数据，利用针法进行优化设计，最终完成膜系的设计。
4)根据最终膜系镀制柔性近红外陷波片成品。
将Ti靶材与SiO2靶材分别放入对应靶腔，将柔性基底PDMS(聚二甲基硅氧烷)用超声波清洗设备清洗托干后放上基底托盘；
打开进气管路，通入工作气体Ar与反应气体O2，比例控制为5：1，工作舱气压设为5，打开直流靶腔的电源，功率设置为130，进行靶材的启辉，启辉成功后，打开靶腔盖板与托盘盖板，开始溅射第一层TiO2薄膜；
第一层溅射完成后，关闭靶腔盖板与托盘盖板，关闭进气管路与靶腔电源；
再次打开进气管路，通入工作气体Ar，工作舱气压设为7，打开射频靶腔的电源，功率设置为80，进行靶材的启辉，启辉成功后，打开靶腔盖板与托盘盖板，开始溅射第二层SiO2薄膜；
第二层溅射完成后，关闭靶腔盖板与托盘盖板，关闭进气管路与靶腔电源；
交替进行溅射直至完成最终的成品；
整个过程中除了通入工作气体与反应气体外，工作舱保持真空，温度维持在25℃。
本实施例提供的柔性近红外陷波片可以在近红外波段对文物进行特定频段的标识，贴在文物上对文物本体无损害，也不会对文物产生有害影响；这样既满足保护文物的要求，又可以解决由于文物本体可能不存在特征峰位而无法直接检测的问题，同时，由于复合膜结构可以灵活安装在文物表面，解决了在刚性基底上安装标签不灵活的问题。
本实施例提供的复合膜确定在可见光波段透明和在近红外波段(780nm～1700nm)有特征峰位的特点，可以起到既能避免损害文物，同时又能监测文物。
实施例3
本实施例提供的柔性近红外陷波片，以可见光波段透明，近红外的中心峰位在960nm，半峰全宽为100nm为例。
1)确定TiO2设计参数及加工参数。根据加工流程加工出50nm的TiO2单层样品，通过椭偏仪测量出实际厚度为51.79nm，考虑误差在允许范围之内，tooling值不调整定为106，TiO2实际折射率如图3所示。图3为TiO2实际折射率曲线。
2)确定SiO2设计参数及加工参数。根据加工流程加工出50nm的SiO2单层样品，通过椭偏仪测量出实际厚度为138.58nm，tooling值校正为294，SiO2实际折射率如图4所示，图4为SiO2实际折射率曲线。
3)完成膜系设计。在TFCalc导入实际折射率数据后通过Needle法进行优化设计，这种方法通过不断地插入薄层，即增加变量的维数来形成一个连续的寻优过程，其基本原理是对给任意给定的膜系计算P函数，算出最佳插入位置，然后在这一位置插入一极薄的膜层，插入以后将导致评价函数大幅降低，再次计算新膜系结构的P函数，算出最佳插入位置并插入薄层。持续进行这一过程,可使膜系层数不断增多，直至得到满足目标光谱性能的膜系结构为止。
本实施例提供的膜系结构的最佳插入位置是通过计算P函数来实现的，计算P函数是指：当计算评价函数时，为了使评价函数得到最大的下降，需要计算评价函数的梯度，通过引入 P函数，可计算出最佳插入位置，此时评价函数梯度可取到极值，进而使得评价函数得到最大的下降。
本实施例中提供的p函数计算是现有技术，其具体计算过程这里不再赘述。
但这时膜系的层数可能较多，且含有较多的薄层，需要合并的薄层，如果膜系中有薄层低于10nm，重新修改膜层厚度约束条件，比如增加膜层厚度约束条件，此时可通过调用其他优化方法，如梯度法、变尺度法等，进一步降低评价函数，直至各层膜的厚度已满足膜层厚度约束条件(≥10nm)且膜系性能满足目标光谱性能。
优化出的最终理论膜系如表1，理论曲线如图5所示，图5为960nm中心峰柔性近红外陷波片理论曲线。表中展示的理论膜系共22层，可见光波段的透过率可以通过增加膜层来进一步提高，陷波波段的半峰全宽可以通过增加膜层进一步减小。
表1 960nm中心峰柔性近红外陷波片理论膜系
5)根据最终膜系镀制柔性近红外陷波片成品。根据加工方法交替溅射TiO2与SiO2膜层，保持舱温与真空条件，直至最终镀制出成品再取出样品即可测试使用。
实施例4
如图6所示，图6为基于柔性近红外陷波片的文物检测系统示意图，本实施例提供的柔性近红外陷波片可以应用于文物检测，通过柔性近红外陷波片设置的特种频谱标识，可以快速检测判断文物的存在状态，通过柔性近红外陷波片构建具有特征频谱标识的文件检测系统，该系统包括设置于待检测文物上的柔性近红外陷波片、相机和计算机后台；
如图7所示，图7为监测系统实现监控的处理流程，所述相机与计算机后台连接，用于获取待监控文物包含柔性近红外陷波片的光谱图像，并将图像传输到计算后台中；所述计算机后台包括数据处理单元、控制单元与报警单元，数据处理单元接收到相机返回的光谱图像，选定柔性近红外陷波片的区域光谱，并根据预先测定的光谱来进行光谱的匹配，将匹配结果返回给控制单元，控制单元根据匹配结果做出判断，匹配则进入下一个监控周期，继续获取光谱数据，不匹配则输出控制信号给报警单元，报警单元接收到光谱不匹配的信号则会给出报警。根据实际防控的需要可以设定相机获取光谱数据的时间间隔(需大于单次光谱数据处理流程耗时)，以此时间间隔为监控周期重复上述过程实现文物的监控。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (8)
1.一种基于柔性近红外陷波片的文物检测方法，其特征在于：所述柔性近红外陷波片包括基底以及设置于基底上的复合膜，所述复合膜包括若干层膜，所述复合膜中相邻层膜的折射率不同，所述各层膜交替叠加构成多层膜结构；所述复合膜包括第一折射率膜、第二折射率膜；所述第一折射率膜的折射率大于第二折射率膜的折射率；所述第一折射率膜为高折射率膜，所述第二折射率膜为低折射率膜；包括以下步骤：
S1：将柔性近红外陷波片设置于待监控文物上预设位置；
S2：向待监控文物发射近红外光并获取从待监控文物发射回来的近红外光谱图像；
S3：处理近红外光谱图像并获取图像中在预设位置区域光谱特征图像；
S4：判断在预设位置区域光谱特征图像是否存在文物高反波段的陷波峰位；如果不存在，则说明文物处于非正常状态，并发出报警信号；
S5：如果存在，则说明文物处于正常状态，循环重复进行上述步骤S2-S4。
2.如权利要求1所述的基于柔性近红外陷波片的文物检测方法，其特征在于：所述近红外光的波段为780nm~1700nm。
3.如权利要求1所述的基于柔性近红外陷波片的文物检测方法，其特征在于：所述第一折射率膜为TiO2膜，所述第二折射率膜为SiO2膜；
所述TiO2膜的折射率为2.0-2.4；
所述SiO2膜的折射率为1.52-1.55；
所述TiO2膜的厚度为10nm-500nm；
所述SiO2膜的厚度为10nm-200nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于柔性近红外陷波片的文物检测方法，其特征在于：所述柔性近红外陷波片是通过磁控溅射设备镀制形成，包括以下步骤：
S1：确定基底、第一折射率材料和第二折射率材料及其加工参数；
S2：根据选定的第一折射率材料、第二折射率材料以及预设陷波波段确定膜层厚度和膜层层数；
S3：将第一折射率材料和第二折射率靶材分别放入对应靶腔；
S4：将柔性基底用超声波清洗设备清洗托干后放上基底托盘；
S5：通过直流反应溅射第一折射率材料形成第一层薄膜；
S6：通过射频溅射第二折射率材料形成第二层薄膜；
S7：循环交替溅射直到满足确定的膜层厚度和膜层层数条件为止，最终形成柔性近红外陷波片。
5.如权利要求4所述的基于柔性近红外陷波片的文物检测方法，其特征在于：所述确定膜层厚度和膜层层数按照以下步骤确定：
S21：将第一折射率材料和第二折射率材料组合成膜系结构；
S22：计算膜系结构的最佳插入位置；
S23：在膜系结构的最佳插入位置插入第一折射率材料薄层或第二折射率材料构成的薄层；
S24：插入薄层后评价函数将大幅度降低，返回步骤S22再次计算新膜系结构的最佳插入位置；
S25：重复循环步骤S22-24，直到得到满足预设光谱性能的膜系结构。
6.如权利要求5所述的基于柔性近红外陷波片的文物检测方法，其特征在于：还包括以下步骤：
S26：判断膜系的各层膜的厚度是否满足膜层厚度约束条件，如果满足，则得到优化完成的膜系；
如果不满足，则确定需要合并的薄层，增加膜层厚度约束条件，进一步降低评价函数，直至各层膜的厚度已满足膜层厚度约束条件且膜系性能满足预设光谱性能。
7.利用权利要求1-6任一项所述的基于柔性近红外陷波片的文物检测方法来实现的检测系统，其特征在于：包括设置于待监控文物上的柔性近红外陷波片、相机、控制单元和数据处理单元；
所述控制单元分别与相机、数据处理单元连接；所述控制单元用于控制相机；所述相机用于获取待监控文物的光谱图像，并将光谱图像传输到数据处理单元中，所述数据处理单元用于分析光谱图像并识别图像中的光谱特征。
8.如权利要求7所述的基于柔性近红外陷波片的文物检测方法来实现的检测系统，其特征在于：还包括报警单元，所述报警单元与控制单元连接，所述数据处理单元根据光谱数据计算光谱是否匹配并同时输出给控制单元，所述控制单元根据光谱匹配信号决定直接进入下一个监控周期或者输出控制信号给报警单元，所述报警单元接收到光谱不匹配的信号则会给出报警。
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