ITRM20100606A1 - PORTABLE LASER RADAR FOR REMOTE SURFACE DIAGNOSTICS. - Google Patents
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Description
"RADAR LASER PORTATILE PER LA DIAGNOSTICA REMOTA DI SUPERFICI" "PORTABLE LASER RADAR FOR REMOTE SURFACE DIAGNOSTICS"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione si riferisce ad un radar laser per la diagnostica remota. In particolare ad un apparato per l†̃analisi della composizione di superfici. Un laser irraggia la superficie, inducendo l’emissione di fluorescenza che à ̈ raccolta e misurata da un ricevitore. Lo spettro di fluorescenza, cioà ̈ il grafico dell’intensità luminosa in funzione della lunghezza d’onda, fornisce informazioni sulla composizione della superficie. The present invention refers to a laser radar for remote diagnostics. In particular to an apparatus for the analysis of the composition of surfaces. A laser irradiates the surface, inducing the emission of fluorescence which is collected and measured by a receiver. The fluorescence spectrum, ie the graph of light intensity as a function of wavelength, provides information on the composition of the surface.
La fluorescenza indotta da laser o LIF (“laser induced fluorescence†) à ̈ una tecnica matura e di vasto utilizzo, soprattutto nelle scienze della vita e nel monitoraggio ambientale. In particolare, il radar laser basato su LIF, o lidar fluorosensore, à ̈ stato largamente usato nella misura remota della biomassa fitoplantonica. Negli ultimi anni, la tecnica LIF à ̈ stata applicata con successo ai beni culturali. Laser induced fluorescence or LIF (â € œlaser induced fluorescenceâ €) is a mature and widely used technique, especially in life sciences and environmental monitoring. In particular, LIF-based laser radar, or fluorosensor lidar, has been widely used in the remote measurement of phytoplantonic biomass. In recent years, the LIF technique has been successfully applied to cultural heritage.
Nella presente descrizione, si farà in particolare riferimento ad applicazioni nell’ambito dell’analisi di beni culturali, per motivazioni di restauro e/o di conservazione. In the present description, particular reference will be made to applications in the context of the analysis of cultural heritage, for reasons of restoration and / or conservation.
E’ tuttavia da intendersi che il trovato qui descritto può trovare parimenti applicazione in numerosi altri settori, in pratica ovunque ci sia l’esigenza o il vantaggio di indagare la composizione di una superficie. However, it should be understood that the invention described here can also find application in numerous other sectors, in practice wherever there is the need or the advantage of investigating the composition of a surface.
Il principio di funzionamento della tecnica LIF applicata a un affresco à ̈ mostrata in figura 1. Il fascio emesso dal laser ultravioletto (UV) eccita il pigmento che emette luce visibile (VIS) in bande specifiche, a seconda delle molecole che lo costituiscono. In generale, vista la scarsa penetrazione nella materia della radiazione UV, l’intonaco non partecipa al processo. The operating principle of the LIF technique applied to a fresco is shown in figure 1. The beam emitted by the ultraviolet (UV) laser excites the pigment that emits visible light (VIS) in specific bands, depending on the molecules that make it up. In general, given the poor penetration of UV radiation into the material, the plaster does not participate in the process.
Il fatto che molecole diverse corrispondano a bande differenti nello spettro di fluorescenza, à ̈ spiegato dal diagramma di Jablonski (vedasi figura 2): quando un fotone UV colpisce una molecola, questa passa dal livello fondamentale al livello eccitato. Quindi, dopo un tempo di decadimento dell’ordine del ns/µs, passa a un livello intermedio, senza emettere radiazione. Infine, emette luce visibile (fluorescenza) e ritorna al livello fondamentale. Il tempo di decadimento e il salto energetico tra livello intermedio e livello fondamentale (e quindi la lunghezza d’onda della fluorescenza) sono caratteristici della molecola. The fact that different molecules correspond to different bands in the fluorescence spectrum is explained by the Jablonski diagram (see figure 2): when a UV photon hits a molecule, it goes from the fundamental level to the excited level. Then, after a decay time of the order of ns / µs, it passes to an intermediate level, without emitting radiation. Finally, it emits visible light (fluorescence) and returns to the fundamental level. The decay time and the energetic jump between the intermediate level and the fundamental level (and therefore the wavelength of the fluorescence) are characteristic of the molecule.
Un sistema che sia in grado di misurare tempo di emissione e lunghezza d’onda della fluorescenza fornirà informazioni sulla composizione della superficie irraggiata dal laser. A system capable of measuring the emission time and wavelength of the fluorescence will provide information on the composition of the surface irradiated by the laser.
In figura 3 può essere osservato un esempio di discriminazione di due materiali – a volte simili a occhio nudo – tramite il tempo di decadimento: i marmi puliti (quadrati bianchi) e sporchi (quadrati neri) e i tufi (triangoli) hanno tempi di decadimento inferiori e superiori, rispettivamente, a 20 ns. Figure 3 shows an example of discrimination of two materials - sometimes similar to the naked eye - by means of decay time: clean (white squares) and dirty (black squares) and tuffs (triangles) have decay times lower and higher, respectively, than 20 ns.
Anche se il tempo di decadimento à ̈ un parametro utile, gran parte dell’informazione sul materiale che costituisce l’opera d’arte à ̈ contenuta nello spettro di fluorescenza che permette di osservare caratteristiche delle opere d’arte invisibili a occhio nudo, come: Although the decay time is a useful parameter, much of the information about the material that constitutes the work of art is contained in the fluorescence spectrum that allows us to observe characteristics of the works of art that are invisible to naked eye, such as:
• composizione dei pigmenti, â € ¢ composition of the pigments,
• attacco biologico, â € ¢ biological attack,
• tecnica di restauro. â € ¢ restoration technique.
In figura 4 può essere osservato un esempio di discriminazione di due pigmenti bianchi – indistinguibili a occhio nudo – tramite lo spettro di fluorescenza: il bianco di titanio e il bianco di zinco eccitati a 355 nm hanno il picco di emissione a circa 460 e 390 nm, rispettivamente. In figure 4 an example of discrimination of two white pigments - indistinguishable to the naked eye - can be observed through the fluorescence spectrum: titanium white and zinc white excited at 355 nm have the emission peak at approximately 460 and 390 nm, respectively.
Un esempio di attacco biologico à ̈ illustrato in figura 5. Due porzioni di un campione di tufo, una integra e l’altra deteriorata da un lichene, sono state irraggiate a 355 nm. La porzione deteriorata esibisce il caratteristico picco di fluorescenza della clorofilla a 680 nm. Con questo metodo possono essere rivelati biodeteriogeni prima che siano visibili a occhio nudo. An example of a biological attack is illustrated in figure 5. Two portions of a tuff sample, one intact and the other damaged by a lichen, were irradiated at 355 nm. The deteriorated portion exhibits the characteristic chlorophyll fluorescence peak at 680 nm. Biodeteriogens can be revealed with this method before they are visible to the naked eye.
Nelle figure 6A e 6B à ̈ mostrato un esempio di diagnostica della tecnica di restauro. In particolare la figura 6A à ̈ una ripresa convenzionale di un affresco, mentre la figura 6B à ̈ un’immagine a falsi colori della fluorescenza (rosso, verde e blu corrispondono a tre bande di emissione scelte opportunamente). Benché le immagini siano riportate in bianco e nero, in figura 6B si evidenzia (come una macchia evidentemente più chiara) l’applicazione sulla doratura di paraloid, una resina acrilica usata per consolidare gli affreschi. Figures 6A and 6B show a diagnostic example of the restorative technique. In particular, figure 6A is a conventional shot of a fresco, while figure 6B is a false color image of the fluorescence (red, green and blue correspond to three suitably chosen emission bands). Although the images are shown in black and white, figure 6B shows (as a clearly lighter spot) the application on the gilding of paraloid, an acrylic resin used to consolidate the frescoes.
Tutte le diagnostiche qui presentate, non soltanto quella della tecnica di restauro, possono essere effettuate per ogni punto della superficie sotto indagine. All the diagnostics presented here, not only that of the restorative technique, can be performed for any point of the surface under investigation.
Lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di risolvere i numerosi problemi lasciati ancora aperti dalla tecnica nota e ciò à ̈ ottenuto attraverso un apparato per l†̃analisi della composizione di superfici come definito nella rivendicazione n. 13, ed un relativo procedimento per l†̃analisi della composizione di superfici come definito nella rivendicazione n.18. The object of the present invention is to solve the numerous problems still left open by the known art and this is achieved through an apparatus for the analysis of the composition of surfaces as defined in claim n. 13, and a relative procedure for the analysis of the composition of surfaces as defined in claim 18.
Ulteriore oggetto della presente invenzione à ̈ un trasmettitore atto ad essere utilizzato in un apparato per l†̃analisi della composizione di superfici come definito nella rivendicazione n. 1, ed un rispettivo ricevitore atto ad essere utilizzato in un apparato per l†̃analisi della composizione di superfici come definito nella rivendicazione n.7. Ulteriori caratteristiche del dispositivo dell’invenzione in oggetto sono definite nelle corrispondenti rivendicazioni dipendenti. A further object of the present invention is a transmitter adapted to be used in an apparatus for analyzing the composition of surfaces as defined in claim n. 1, and a respective receiver adapted to be used in an apparatus for the analysis of the composition of surfaces as defined in claim 7. Further characteristics of the device of the present invention are defined in the corresponding dependent claims.
La presente invenzione, superando i problemi della tecnica nota, comporta numerosi ed evidenti vantaggi. The present invention, overcoming the problems of the known art, entails numerous and evident advantages.
Le prestazioni dei componenti selezionati consentono di raggiungere una risoluzione fine in lunghezza d’onda, per cui il sistema può essere definito iperspettrale, con conseguente maggior ricchezza e precisione dei dati acquisiti. The performances of the selected components allow to reach a fine resolution in wavelength, for which the system can be defined hyperspectral, with consequent greater richness and precision of the acquired data.
Inoltre, la caratteristica di poter eseguire una scansione per linee parallele anziché per punti, permette di investigare superfici grandi in tempi brevi rispetto agli strumenti convenzionali che effettuano una scansione laser a punti. Furthermore, the characteristic of being able to scan by parallel lines instead of by points, allows to investigate large surfaces in a short time compared to conventional instruments that perform a laser scanning at points.
Il sistema può essere montato su un comune treppiede fotografico e può essere agevolmente spostato da una persona e quindi può essere definito a pieno titolo portatile. The system can be mounted on a common photographic tripod and can be easily moved by a person and therefore can be defined fully portable.
Altri vantaggi, assieme alle caratteristiche ed alle modalità di impiego della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di sue forme di realizzazione preferite, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo, facendo riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui: Other advantages, together with the characteristics and methods of use of the present invention, will become evident from the following detailed description of its preferred embodiments, presented by way of non-limiting example, with reference to the figures of the attached drawings, in which:
- la figura 1 illustra il principio di funzionamento della tecnica LIF applicata ad un affresco; - figure 1 illustrates the operating principle of the LIF technique applied to a fresco;
- la figura 2 Ã ̈ un diagramma di Jablonski - figure 2 is a Jablonski diagram
- la figura 3 à ̈ un grafico che mostra il decadimento dell’emissione in diversi materiali; - figure 3 is a graph showing the decay of the emission in different materials;
- la figura 4 Ã ̈ un grafico che mostra lo spettro di fluorescenza di due differenti pigmenti bianchi; - figure 4 is a graph showing the fluorescence spectrum of two different white pigments;
- la figura 5 à ̈ un grafico che mostra lo spettro di fluorescenza di due campioni di tufo, uno integro e l’altro deteriorato da un lichene; - figure 5 is a graph showing the fluorescence spectrum of two tuff samples, one intact and the other damaged by a lichen;
- le figure 6A e 6B mostrano uno stesso soggetto fotografato secondo modalità convenzionali ed a falsi colori; - Figures 6A and 6B show the same subject photographed according to conventional and false color methods;
- le figure da 7A a 7D sono schemi a blocchi esemplificativi delle componenti di un apparato secondo la presente invenzione e dell’apparato stesso; - Figures 7A to 7D are exemplary block diagrams of the components of an apparatus according to the present invention and of the apparatus itself;
- la figura 8 Ã ̈ una vista di un apparato secondo la presente invenzione; - figure 8 is a view of an apparatus according to the present invention;
- la figura 9 Ã ̈ una schermata di interfaccia del programma di controllo e acquisizione; - figure 9 is an interface screen of the control and acquisition program;
- le figure 10A e 10B mostrano un affresco analizzato tramite l’invenzione ed una sua ricostruzione RGB; - figures 10A and 10B show a fresco analyzed through the invention and its RGB reconstruction;
- le figure 11A e 11B mostrano un esempio di applicazione dell’analisi a rapporto di bande della scansione di fluorescenza e della media spettrale; - Figures 11A and 11B show an example of application of the band ratio analysis of the fluorescence scan and of the spectral average;
- le figure 12A e 12B mostrano un esempio di applicazione dell’analisi PCA (“Principal Component Analysis†) della scansione di fluorescenza ed una sua ricostruzione RGB; e - Figures 12A and 12B show an example of application of the PCA analysis (â € œPrincipal Component Analysisâ €) of the fluorescence scan and its RGB reconstruction; And
- le figure 13A e 13B mostrano un esempio di applicazione della mappa di similarità SAM (“Spectral Angle Mapper†) ed un’analisi a rapporto di bande della scansione di fluorescenza. - Figures 13A and 13B show an example of application of the SAM similarity map (â € œSpectral Angle Mapperâ €) and a band ratio analysis of the fluorescence scan.
La presente invenzione sarà nel seguito descritta nel dettaglio facendo riferimento alle figure suindicate. The present invention will be described in detail below with reference to the figures indicated above.
Facendo innanzitutto riferimento alla figura 7D, questa mostra un apparato 1 secondo la presente invenzione, in cui sono evidenziate le sue componenti principali. In particolare, un apparato 1 per l†̃analisi della composizione di una superficie secondo la presente invenzione comprende un trasmettitore 2, un ricevitore 3 ed una unità di acquisizione ed elaborazione 4 che acquisisce dati dal ricevitore e li elabora per fornire informazioni circa la composizione della superficie indagata. Referring first of all to figure 7D, this shows an apparatus 1 according to the present invention, in which its main components are highlighted. In particular, an apparatus 1 for analyzing the composition of a surface according to the present invention comprises a transmitter 2, a receiver 3 and an acquisition and processing unit 4 which acquires data from the receiver and processes them to provide information about the composition of the surface investigated.
Le figure 7A e 7B si riferiscono al solo trasmettitore 2. Figures 7A and 7B refer to transmitter 2 only.
Il trasmettitore 2, secondo la presente invenzione comprende un emettitore laser 21 atto ad emettere un fascio di luce laser a sezione circolare CIRC; ed un gruppo ottico 22 atto a trasformare la sezione circolare CIRC del fascio di luce laser emesso in una sezione ellittica ELL, in maniera tale che una proiezione PL di questa sezione ellittica sulla superficie da indagare risulti sostanzialmente lineare, assimilabile ad una linea. Preferibilmente, l’emettitore laser à ̈ un laser Nd:YAG impulsato, che può emettere in quarta oppure in terza armonica, cioé a circa 266 nm oppure a circa 355 nm. The transmitter 2, according to the present invention, comprises a laser emitter 21 adapted to emit a beam of laser light with a circular section CIRC; and an optical unit 22 adapted to transform the circular section CIRC of the beam of laser light emitted into an elliptical section ELL, in such a way that a projection PL of this elliptical section on the surface to be investigated is substantially linear, similar to a line. Preferably, the laser emitter is a pulsed Nd: YAG laser, which can emit in fourth or third harmonic, ie at about 266 nm or at about 355 nm.
Il gruppo ottico 22 del trasmettitore 2, comprende inoltre uno o più specchi dielettrici 23 atti a deflettere il fascio emesso, in maniera tale da poter comunque contenere le dimensioni del trasmettitore stesso. In particolare, à ̈ preferibile prevedere tre specchi dielettrici 23. The optical group 22 of the transmitter 2 also comprises one or more dielectric mirrors 23 suitable for deflecting the emitted beam, in such a way as to be able in any case to contain the dimensions of the transmitter itself. In particular, it is preferable to provide three dielectric mirrors 23.
Inoltre, il gruppo ottico del trasmettitore 2, comprende una lente cilindrica 24, posta lungo il percorso del fascio laser emesso, atta a trasformarne la sezione da circolare in ellittica. Furthermore, the optical unit of the transmitter 2 comprises a cylindrical lens 24, placed along the path of the emitted laser beam, suitable for transforming the section to be circular into an elliptical one.
Il fascio laser emesso, irradia la superficie da indagare che, eccitata, emette a sua volta una radiazione letta attraverso il ricevitore 3, schematicamente illustrato nella figura 7C. The emitted laser beam radiates the surface to be investigated which, when excited, in turn emits a radiation read through the receiver 3, schematically illustrated in Figure 7C.
Secondo la presente invenzione, il ricevitore 3 comprende quindi un obiettivo 31 atto a raccogliere la radiazione emessa dalla superficie irradiata. Grazie alla conformazione sostanzialmente lineare del fascio laser che colpisce la superficie, l’obiettivo forma, sul suo piano focale, una corrispondente linea immagine LI. Preferibilmente, viene montato un obiettivo di tipo fotografico, trasparente nell’UV. Il ricevitore 3 à ̈ inoltre dotato di uno spettrografo 32 che, vantaggiosamente, presenta una fenditura d’ingresso 33 corrispondente alla linea immagine LI formatasi. Quindi, la fenditura 33 disperde in lunghezza d’onda la radiazione emessa dalla superficie e “catturata†dall’obiettivo 31, lungo una direzione ortogonale alla linea immagine stessa, formando un corrispondente spettro. According to the present invention, the receiver 3 therefore comprises an objective 31 adapted to collect the radiation emitted by the irradiated surface. Thanks to the substantially linear conformation of the laser beam striking the surface, the objective forms a corresponding image line LI on its focal plane. Preferably, a photographic type lens is mounted, transparent in the UV. The receiver 3 is also equipped with a spectrograph 32 which advantageously has an inlet slit 33 corresponding to the image line L1 formed. Therefore, the slit 33 disperses in wavelength the radiation emitted by the surface and "captured" by the objective 31, along a direction orthogonal to the image line itself, forming a corresponding spectrum.
Inoltre, il ricevitore 3 comprende un sensore 34 presentante un elemento sensibile 35 posizionato in maniera tale da poter rivelare la radiazione diffusa dallo spettrografo. L’ elemento sensibile 35 à ̈ preferibilmente una superficie sensibile di una camera CCD intensificata e veloce, che rivela la radiazione proveniente dalla superficie indagata con elevate risoluzioni spaziale, temporale e in lunghezza d’onda. Furthermore, the receiver 3 comprises a sensor 34 having a sensitive element 35 positioned in such a way as to be able to detect the radiation scattered by the spectrograph. The sensitive element 35 is preferably a sensitive surface of an intensified and fast CCD camera, which detects the radiation coming from the investigated surface with high spatial, temporal and wavelength resolutions.
Vantaggiosamente, si può prevedere una superficie sensibile di forma quadrangolare. Advantageously, a quadrangular shaped sensitive surface can be provided.
Inoltre, allo scopo di eliminare dallo spettro le riflessioni elastiche della luce laser, il ricevitore può vantaggiosamente comprendere un filtro passa-basso posto a monte del sensore. Furthermore, in order to eliminate the elastic reflections of the laser light from the spectrum, the receiver can advantageously comprise a low-pass filter placed upstream of the sensor.
A titolo esemplificativo, la seguente Tabella 1 riporta un elenco di componenti utilizzabili per la realizzazione del gruppo ottico del trasmettitore, secondo la presente invenzione. By way of example, the following Table 1 reports a list of components that can be used for the realization of the optical group of the transmitter, according to the present invention.
Tabella 1 Table 1
Elemento Descrizione Caratteristiche Produttore Modello Laser λ: 266 o 355 nm, energia Item Description Characteristics Manufacturer Model Laser Î »: 266 or 355 nm, energy
21 Thomson Nd:YAG dell’impulso: 1.5 mJ, frequenza di 21 Thomson Nd: YAG of the pulse: 1.5 mJ, frequency of
ripetizione: 20 Hz DIVA II ∅: 25.4 mm, AOI: 45°, R>99.5% CVI Melles Griot 23 Specchio (λ: 266 nm) repetition: 20 Hz DIVA II ∅: 25.4 mm, AOI: 45 °, R> 99.5% CVI Melles Griot 23 Mirror (Î »: 266 nm)
dielettrico Y4-1025-45-UNP ∅: 25.4 mm, AOI: 45°, R>99.5% Y3-1025-45-UNP (λ: 355 nm) dielectric Y4-1025-45-UNP ∅: 25.4 mm, AOI: 45 °, R> 99.5% Y3-1025-45-UNP (Î »: 355 nm)
24 Lente labs cilindrica H: 10 mm, L: 15 mm, F: –12.7 mm Thor LK4155 31 Obiettivo 24 Cylindrical labs lens H: 10 mm, L: 15 mm, F: â € “12.7 mm Thor LK4155 31 Objective
fotografico F: 78 mm, #: 3.8 photo F: 78 mm, #: 3.8
32 Spettrografo Range: 190 – 800 nm, dispersione: Jobin Yvon Horiba compatto 50 nm/mm CP 140-202 34 Camera CCD Pixel attivi: 1024×1024, area attiva: 32 Spectrograph Range: 190 â € “800 nm, dispersion: Jobin Yvon Horiba compact 50 nm / mm CP 140-202 34 Camera CCD Active pixels: 1024à — 1024, active area:
13.3×13.3 mm<2>Andor iStar 734 CVI Melles Griot - Filtro T=50% @ 290 nm (λ: 266 nm) LWP-0-R-266-T-passabasso T=50% @ 357 nm (λ: 355 nm) 308-PW-2025-UV XLL-355.0-12.5M In tabella, i simboli hanno il seguente significato. 13.3à — 13.3 mm <2> Andor iStar 734 CVI Melles Griot - Filter T = 50% @ 290 nm (Î »: 266 nm) LWP-0-R-266-T-low pass T = 50% @ 357 nm (Î »: 355 nm) 308-PW-2025-UV XLL-355.0-12.5M In the table, the symbols have the following meaning.
λ: lunghezza d’onda; Î »: wavelength;
∅: diametro; ∅: diameter;
AOI: angolo d’incidenza; AOI: angle of attack;
R: riflettenza; R: reflectance;
H: altezza; H: height;
L: lunghezza; L: length;
F: lunghezza focale; F: focal length;
#: rapporto focale; #: focal ratio;
T: trasmittanza. T: transmittance.
In base a quanto descritto, la lente cilindrica del trasmettitore permette di illuminare non un “punto†(una piccola area circolare), ma una “linea†(un’area ellittica molto allungata) sulla superficie indagata, come illustrato in figura 7. L’immagine della linea che si forma sul piano focale dell’obiettivo corrisponde alla fenditura dello spettrografo. Siccome lo spettrografo non distorce l’immagine, la luce proveniente da ogni punto della fenditura sarà dispersa in funzione della lunghezza d’onda lungo una retta perpendicolare all’immagine della fenditura, in modo che montando la superficie sensibile della camera CCD intensificata (un quadrato) all’uscita dello spettrografo, si ottiene uno spettro di fluorescenza di ogni punto della linea sulla superficie indagata. Utilizzando una camera CCD con un sensore dotato di pixel di piccola dimensione, si può raggiungere un’elevata risoluzione spaziale lungo la linea e in lunghezza d’onda per ogni suo punto. Grazie a quest’ultima caratteristica, il sistema può essere definito iperspettrale. Based on what has been described, the cylindrical lens of the transmitter allows to illuminate not a `` point '' (a small circular area), but a `` line '' (a very elongated elliptical area) on the investigated surface, as illustrated in the figure 7. The image of the line that forms on the focal plane of the objective corresponds to the slit of the spectrograph. Since the spectrograph does not distort the image, the light coming from each point of the slit will be scattered as a function of the wavelength along a line perpendicular to the slit image, so that by mounting the sensitive surface of the intensified CCD camera (one square) at the output of the spectrograph, a fluorescence spectrum of each point of the line on the investigated surface is obtained. Using a CCD camera with a sensor equipped with small pixels, it is possible to achieve a high spatial resolution along the line and in wavelength for each of its points. Thanks to this last characteristic, the system can be defined hyperspectral.
Inoltre, grazie alla possibilità di attivare la camera per tempi dell’ordine del ns e con ritardi variabili rispetto all’emissione dell’impulso laser, à ̈ possibile osservare con elevata risoluzione temporale l’andamento della fluorescenza e, quindi, il relativo tempo di decadimento. Furthermore, thanks to the possibility of activating the chamber for times of the order of our own and with variable delays with respect to the emission of the laser pulse, it is possible to observe the trend of fluorescence with high temporal resolution and, therefore, its decay time.
Vantaggiosamente, l’intensità della radiazione emessa dai punti della superficie colpita dal fascio laser (retrodiffusione, fluorescenza e diffusione Raman) à ̈ misurata in funzione della lunghezza d’onda con elevate risoluzioni spaziale e in lunghezza d’onda (rivelazione iperspettrale). Alternativamente, l’intensità della radiazione emessa dai punti della superficie colpita dal fascio laser (retrodiffusione, fluorescenza e diffusione Raman) à ̈ misurata in funzione del tempo con elevate risoluzioni spaziale e temporale (osservazione del tempo di decadimento). Advantageously, the intensity of the radiation emitted by the points of the surface hit by the laser beam (backscatter, fluorescence and Raman scattering) is measured as a function of the wavelength with high spatial resolution and wavelength (hyperspectral detection ). Alternatively, the intensity of the radiation emitted by the points of the surface hit by the laser beam (backscatter, fluorescence and Raman scattering) is measured as a function of time with high spatial and temporal resolutions (observation of the decay time).
E’ tuttavia da intendersi che l’apparato secondo la presente invenzione consente di combinare le suddette misure e quindi la loro esecuzione simultanea. However, it is to be understood that the apparatus according to the present invention allows the aforementioned measurements to be combined and therefore their simultaneous execution.
Dapprima, una linea della superficie sotto indagine à ̈ irraggiata con il fascio laser, per un tempo prestabilito. Preferibilmente, l’impulso laser può avere una durata nell’ordine del ps oppure del fs, fino a qualche ns. Quindi, la radiazione proveniente dalla superficie per retrodiffusione, fluorescenza e diffusione Raman à ̈ raccolta dall’obiettivo e focalizzata sulla fenditura dello spettrografo. Nello spettrografo la luce à ̈ dispersa sulla superficie della CCD che misura la radiazione simultaneamente in funzione del tempo (con risoluzione dell’ordine del ns) e della lunghezza d’onda (con risoluzione dell’ordine di qualche nm). Finalmente, il segnale digitale proveniente dalla CCD à ̈ à ̈laborato dal computer che può fornire immagini in tempo reale dell’opera d’arte adottando uno dei metodi di analisi descritti in precedenza. First, a line of the surface under investigation is irradiated with the laser beam, for a predetermined time. Preferably, the laser pulse can have a duration in the order of ps or fs, up to some ns. Thus, the radiation coming from the surface by backscattering, fluorescence and Raman scattering is collected by the objective and focused on the slit of the spectrograph. In the spectrograph the light is dispersed on the surface of the CCD which measures the radiation simultaneously as a function of time (with resolution of the order of ns) and of wavelength (with resolution of the order of a few nm). Finally, the digital signal from the CCD is processed by the computer which can provide real-time images of the work of art by adopting one of the analysis methods described above.
Allo scopo di poter eseguire l’analisi, l’apparato secondo l’invenzione à ̈ vantaggiosamente dotato di un meccanismo di movimentazione del trasmettitore. In order to be able to carry out the analysis, the apparatus according to the invention is advantageously equipped with a mechanism for moving the transmitter.
Un tale meccanismo di movimentazione à ̈ preferibilmente motorizzato e controllabile, in maniera tale da consentire una scansione automatizzata per linee parallele della superficie da analizzare. Such a movement mechanism is preferably motorized and controllable, in such a way as to allow an automated scanning by parallel lines of the surface to be analyzed.
A tale scopo può quindi essere prevista un’unità di controllo programmabile, atta a controllare la movimentazione del trasmettitore e/o l’attivazione del ricevitore. For this purpose, a programmable control unit can be provided, able to control the movement of the transmitter and / or the activation of the receiver.
Un’unità di interfaccia utente permette l’immissione di parametri di controllo e/o la visualizzazione di risultati dell’elaborazione. A user interface unit allows the input of control parameters and / or the display of processing results.
La gestione dell’apparato e di ogni scansione à ̈ quindi eseguita tramite un elaboratore elettronico, ad esempio un personal computer. Tramite l’unità di interfaccia software potranno essere immessi alcuni parametri sperimentali (angoli iniziale e finale di scansione, passo angolare, numero di impulsi laser da mediare, tempi di attivazione e di ritardo della camera e guadagno del sensore). Un esempio di una schermata del programma di interfaccia, controllo e acquisizione à ̈ mostrata in figura 9. The management of the device and of each scan is therefore performed by means of an electronic computer, such as a personal computer. Through the software interface unit some experimental parameters can be entered (initial and final scanning angles, angular step, number of laser pulses to be averaged, activation and delay times of the chamber and sensor gain). An example of an interface, control and acquisition program screen is shown in figure 9.
Vantaggiosamente, l’apparato secondo la presente invenzione può essere montato su un tavolo ottico, preferibilmente di forma circolare (come mostrato in figura 8), capace di ruotare grazie a un motore passo passo fissato su un treppiede fotografico: in questo modo à ̈ possibile eseguire l’irraggiamento laser della superficie indagata su linee parallele, in modo da coprire un’area. Il tempo minimo di acquisizione di una linea à ̈ 0.1 s. Ciò, come già detto, permette una sensibile riduzione dei tempi di lavoro. Ad esempio, si supponga di voler acquisire un’immagine di 1024×1024 pixel e che per ogni misura occorrano 0.1s. Un sistema con scansione a linee (come quello dell’invenzione) impiegherà 102.4 s, cioà ̈ meno di 2 minuti, uno con scansione a punti (di tecnica nota) 104857.6 s, cioà ̈ più di 29 ore. Advantageously, the apparatus according to the present invention can be mounted on an optical table, preferably circular in shape (as shown in figure 8), capable of rotating thanks to a stepper motor fixed on a photographic tripod: in this way it is possible to rotate It is possible to perform laser irradiation of the investigated surface on parallel lines, in order to cover an area. The minimum acquisition time of a line is 0.1 s. This, as already said, allows a significant reduction in working times. For example, suppose you want to acquire an image of 1024à — 1024 pixels and that for each measurement it takes 0.1s. A line scanning system (such as the one of the invention) will take 102.4 s, ie less than 2 minutes, a point scanning system (known art) 104857.6 s, ie more than 29 hours.
L’apparato secondo la presente invenzione può essere predisposto in maniera tale che le caratteristiche geometriche della scansione effettuata siano le seguenti: The apparatus according to the present invention can be arranged in such a way that the geometric characteristics of the scan performed are the following:
• risoluzione orizzontale: 0.1 mrad, â € ¢ horizontal resolution: 0.1 mrad,
• risoluzione verticale: 0.1 mrad, â € ¢ vertical resolution: 0.1 mrad,
• campo di vista orizzontale: 5.7°, â € ¢ horizontal field of view: 5.7 °,
• campo di vista verticale: illimitato. â € ¢ vertical field of view: unlimited.
A titolo esemplificativo, sarà illustrato il funzionamento dell’invenzione descrivendo una sessione di misura. By way of example, the operation of the invention will be illustrated by describing a measurement session.
Durante le acquisizioni, l’apparato era posto a 3.2 m da un affresco (figura 10A). La superficie dell’immagine sotto esame era larga 128 pixel e alta 300 pixel, corrispondente a una risoluzione spaziale di approssimativamente 3 mm. 250 canali spettrali da 250 a 800 nm sono stati registrati per ogni pixel. During the acquisitions, the apparatus was placed at 3.2 m from a fresco (figure 10A). The surface of the image under examination was 128 pixels wide and 300 pixels high, corresponding to a spatial resolution of approximately 3 mm. 250 spectral channels from 250 to 800 nm were recorded for each pixel.
Sebbene un accurato esame della scansione di riflettanza mostrasse già alcuni dettagli invisibili a occhio nudo, alcune peculiarità dell’immagine possono essere ricavate solo con una analisi dettagliata degli spettri del singolo pixel. Although a careful examination of the reflectance scan already showed some details invisible to the naked eye, some peculiarities of the image can only be obtained with a detailed analysis of the spectra of the single pixel.
Per raggiungere questo scopo, sono stati usati due approcci: il primo fa uso della media spettrale in aree selezionate, caratterizzate da un colore apparentemente uniforme; il secondo consiste nell’analisi delle componenti principali o PCA. Da una parte, con la prima tecnica, à ̈ possibile documentare l’uso dei pigmenti, dall’altra, la PCA – sebbene fornisca componenti spettrali senza un diretto significato fisicochimico – può identificare le bande di emissione non riconosciute con il primo approccio. Finalmente, una volta che le più importanti caratteristiche spettrali siano state identificate con la media spettrale o con la PCA, mappe di similarità SAM possono essere usate per circoscrivere le aree intaccate da processi fisicochimici legati a tali caratteristiche. To achieve this goal, two approaches have been used: the first makes use of the spectral average in selected areas, characterized by an apparently uniform color; the second consists in the analysis of the principal components or PCA. On the one hand, with the first technique, it is possible to document the use of pigments, on the other hand, PCA - although it provides spectral components without a direct physicochemical significance - it can identify unrecognized emission bands with the first approach. Finally, once the most important spectral characteristics have been identified with the spectral mean or with the PCA, SAM similarity maps can be used to circumscribe the areas affected by physico-chemical processes related to these characteristics.
Le figure 10A e 10B mostrano un esempio di applicazione della media spettrale. Alcune aree dell’affresco mostrano una forte emissione a 310 nm. Questa emissione UV può essere ricondotta a una lacca o a un consolidante. In realtà , la presenza di questa emissione, resa più evidente da un’analisi a rapporto di bande (normalizzando la banda a 310 nm con quella a 450 nm) à ̈ distribuita su tutta la superficie, confermando che questa caratteristica spettrale à ̈ molto probabilmente legata a un film esteso piuttosto che a un ritocco puntuale. Figures 10A and 10B show an example of spectral averaging application. Some areas of the fresco show a strong emission at 310 nm. This UV emission can be traced back to a lacquer or a consolidant. In reality, the presence of this emission, made more evident by a band ratio analysis (normalizing the band at 310 nm with that at 450 nm) is distributed over the entire surface, confirming that this spectral characteristic is very probably linked to an extended film rather than a punctual retouching.
Le figure 12A e 12B mostrano le componenti principali della scansione di fluorescenza. La retrodiffusione elastica a 266 nm à ̈ chiaramente visibile (le strutture a 532 e 798 nm corrispondono al secondo e al terzo ordine di diffrazione, rispettivamente). La più importante caratteristica spettrale à ̈ una forte emissione a 360 nm (il picco a 720 nm à ̈ il secondo ordine di diffrazione). Allo stato attuale delle ricerche, non à ̈ tuttavia possibile identificare con certezza la composizione chimica legata a questa emissione. Figures 12A and 12B show the main components of the fluorescence scan. The elastic backscatter at 266 nm is clearly visible (the structures at 532 and 798 nm correspond to the second and third order of diffraction, respectively). The most important spectral characteristic is a strong emission at 360 nm (the peak at 720 nm is the second order of diffraction). At the present state of research, however, it is not possible to identify with certainty the chemical composition linked to this emission.
Comunque, comparando la figura 10B e la figura 12B, si può concludere che l’emissione a 360 nm à ̈ causata dalle aree ritoccate. Concludendo, anche se, da una parte, non à ̈ stata per il momento raggiunta una precisa identificazione chimica del composto che emette a 360 nm, dall’altra, ne à ̈ stata ottenuta una localizzazione estremamente accurata. However, comparing figure 10B and figure 12B, it can be concluded that the 360 nm emission is caused by the retouched areas. In conclusion, even if, on the one hand, a precise chemical identification of the compound that emits at 360 nm has not been achieved, on the other hand, an extremely accurate localization has been obtained.
Infine, la SAM à ̈ stata applicata per ricavare una mappa di similarità che identifichi le aree emittenti fortemente a 360 nm (vedasi figura 13A). Comparando i risultati della SAM con la corrispondente ricostruzione RGB (figura 12B) e l’analisi a rapporto di bande (figura 13B), si può riscontrare un accordo generale fra le differenti tecniche, sebbene la SAM sembri più specifica e leggermente meno sensibile. Finally, the SAM was applied to obtain a similarity map that identifies the strongly emitting areas at 360 nm (see figure 13A). Comparing the SAM results with the corresponding RGB reconstruction (figure 12B) and the band ratio analysis (figure 13B), a general agreement can be found between the different techniques, although the SAM seems more specific and slightly less sensitive.
La presente invenzione à ̈ stata fin qui descritta con riferimento a sue forme di realizzazione preferite. È da intendersi che possono esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, tutte rientranti nell’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate. The present invention has been described heretofore with reference to its preferred embodiments. It is to be understood that other embodiments may exist which pertain to the same inventive nucleus, all falling within the scope of the protection of the claims set forth below.
Claims (20)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ITRM2010A000606A IT1402972B1 (en) | 2010-11-17 | 2010-11-17 | PORTABLE LASER RADAR FOR REMOTE SURFACE DIAGNOSTICS. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ITRM2010A000606A IT1402972B1 (en) | 2010-11-17 | 2010-11-17 | PORTABLE LASER RADAR FOR REMOTE SURFACE DIAGNOSTICS. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ITRM20100606A1 true ITRM20100606A1 (en) | 2012-05-18 |
| IT1402972B1 IT1402972B1 (en) | 2013-09-27 |
Family
ID=43743001
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ITRM2010A000606A IT1402972B1 (en) | 2010-11-17 | 2010-11-17 | PORTABLE LASER RADAR FOR REMOTE SURFACE DIAGNOSTICS. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| IT (1) | IT1402972B1 (en) |
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2010
- 2010-11-17 IT ITRM2010A000606A patent/IT1402972B1/en active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| IT1402972B1 (en) | 2013-09-27 |
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