RO125259B1 - DISPOZITIV OPTOELECTRONIC Șl PROCEDEU PENTRU ANALIZA CALITATIVĂ A SUPRAFEȚELOR OBIECTELOR DE ARTĂ CU TEHNICA LIF - Google Patents

Description

Invenția se referă la un procedeu și la un dispozitiv pentru analiza calitativă a suprafețelor obiectelor de artă, constând în analiza spectrală a emisiei de fluorescență, rezultată din relaxarea moleculelor excitate cu ajutorul unei radiații laser generată de un laser YAG:Nd la lungimea de undă de 266 nm.

Sunt cunoscute procedee de caracterizare calitativă prin analize chimice distructive, pentru care se prelevează probe care sunt procesate în laborator, și procedee de depistare a contaminării microbiologice prin prelevare de probe și urmărirea în laboratoare specializate, ambele categorii de procedee necesitând timp.

O tehnică de investigare care folosește laserul pentru inducția fenomenelor de fluorescență este spectroscopia fluorescenței induse cu ajutorul laserului (LIF sau LIFS Laser Induced Fluorescence [Spectroscopy]). Spectrele astfel obținute fiind specifice fiecărui material, conduc la caracterizarea compoziției suprafețelor. Spectroscopia fluorescenței indusă cu ajutorul laserului este o tehnică non-distructivă. Emisiile de la suprafața obiectului iradiat cu laser sunt achiziționate și interpretate cu echipament și software specializat.

Un document care se referă la folosirea tehnicilor LIBS și LIF pentru analiza poluanților din apa din sol este brevetul US 5379103 A (Ziegler Arie, 1995). Aparatul cuprinde un laser de tip Nd:YAG cu posibilități de dublare sau triplare a frecvenței de emisie, cu o valoare a energiei eliberate de 0,3 J în 10 ns, cu o frecvență a impulsurilor de 10 s. Semnalul cules din proba excitată cu fasciculul laser trece printr-o fibră optică și este prelucrat cu niște lentile, pentru a fi analizat de un spectrometru. Aparatul mai conține un detector al energiei fluorescente.

Metoda de lucru constă în emiterea impulsurilor laser cu focalizarea energiei pe proba de analizat, generând electroni pe stări excitate și măsurând caracteristicile spectrale ale energiei emise de către probă, pentru identificarea substanțelor din aceasta (metale, substanțe organice).

Tehnicile LIF sau LIBS se folosesc selectiv prin modificarea focalizării spotului laser. Pentru tehnica LIF are loc reglarea unei lentile astfel încât să se obțină difuzarea spotului și apariția fluorescenței particulelor excitate. Pentru tehnica LIBS, o altă lentilă focalizează spotul laser asupra probei, cu formarea de plasmă cu temperatură înaltă, din care se decelează caracteristicile liniilor spectrale apropiate ale substanțelor din plasmă.

Metodele se identifică prin liniile spectrale, folosind tehnica LIBS, iar substanțele organice sunt identificate prin caracteristicile energiei de fluorescență, determinate cu tehnica LIF.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția este îmbunătățirea dispozitivelor și procedeelor pentru analiza suprafețelor obiectelor de artă. Soluția tehnică constă în realizarea unui dispozitiv de scanare care se bazează pe un procedeu de caracterizare și diagnosticare a suprafețelor, ce utilizează efectul fluorescenței induse prin iradiere laser controlată. Procedeul constă în analiza punct cu punct a întregii suprafețe. Procedeul este non-contact, non-invaziv, cu înaltă rezoluție. O analiză complexă asupra unei suprafețe se poate face analizând nu doar puncte alese arbitrar, ci o întreagă suprafață. Acest lucru este posibil utilizând un sistem coaxial automatizat, care permite sincronizarea proceselor de poziționare și detecție.

Se prezintă în continuare elementele componente ale dispozitivului pentru analiza suprafețelor obiectelor de artă, conform cu fig. 1 și 2, care reprezintă:

- fig. 1, ansamblul dispozitivului optoelectric;

- fig. 2, diagramă temporală.

- Sursa de iradiere [L] este un laser cu mediu activ solid, care operează în modul Q-Switched pasiv, pompat de o diodă care emite la 266 nm, cu frecvența maximă de 3 KHz, cu o energie de 1,25 pJ per puls, având un diametru al fascicolului de 200 ±100 pm;

RO 125259 Β1

- Detectorul [SP] este un spectrometru sensibil în domeniul vizibil, cu o eficiență 1 cuantică de până la 90%, care detectează radiație pe o bandă între 200 și 1100 nm; acesta are posibilitatea de a fi triggerat extern, cu ajutorul unui sistem electronic (break-out box) 3 [TRIG] care primește o comandă generată în LabVEEW, retransmisă la spectrometru odată cu comanda pentru schimbarea de poziție a motoarelor. Spectrometrul primește informația 5 de la colectorul optic L2 printr-o fibră optică FO.

- Lentila de colimare [L1] este poziționată la ieșirea radiației din capul laser, pentru 7 focalizarea fasciculului în vederea măririi rezoluției de scanare;

- Oglinda perforată [01] este folosită pentru propagarea fasciculul laser către oglinda 9 [02];

- Oglinda de poziționare [02] este montată pe ansamblul M; 11

- Oglinda de redirecționare [03] transmite radiația de fluorescentă în cadrul dispozitivului către colectorul optic L2; 13

- Filtrul optic [F] este un filtru optic care elimină maximele de difracție de ordin doi și trei și blochează energia de excitație; 15

- Colectorul optic [L2] este un sistem convergent cu posibilitate de focalizare în aer liber; 17

- Ansamblul de rotire al oglinzii [M] este alcătuit din două servo-motoare care asigură rotirea cu aceeași precizie pe două axe perpendiculare. Precizia de rotație în ambele planuri 19 este de 0,0005° și o viteză maximă de 80°/s.

- Controlerul [CTRL] reprezintă componenta electronică de comunicare a motoarelor 21 de rotație cu PC-ul, care se face prin portul serial, fiind controlate de o aplicație software (realizată sub platforma LabView). 23

Modul de funcționare este prezentat în continuare. Sursa de iradiere L emite un fascicul laser care trece prin lentila de colimare L1 și este focalizat la nivelul suprafeței 25 obiectului analizat, trecând prin orificiul oglinzii perforate 01 și redirecționat de oglinda 02, parte a ansamblului de baleiere M. 27

O parte a emisiei de fluorescentă generată în urma iradierii laser punct cu punct a suprafeței este reflectată de oglinzile 02, 01, 03, traversează filtrul optic F, colectorul optic 29 L2 și este proiectată pe suprafața de intrare în fibra optică FO, cuplată la spectrometrul SP.

Dispozitivul este funcțional atât în analize de laborator, cât și pe teren. Cu alte 31 cuvinte, este un ansamblu solid și în același timp portabil, care nu necesită microclimat controlat și nu produce reziduuri chimice. 33

Comunicarea PC-ului cu dispozitivele hardware (spectrometru, motoare etc.) se realizează prin porturile USB, Serial și Paralel, prin intermediul unoraplicații special dedicate. 35 Software-ul de achiziție al spectrometrul ui permite triggerarea externă a acestuia (spectrometrului). Tot prin acest software, operatorul poate alege doar anumite benzi de 37 lungimi de undă de interes pentru achiziție, lucru care scurtează timpul de lucru și sporește eficiența interpretărilor. 39

Software-ul care coordonează procesul de repoziționare și detectare, este realizat în LabVIEW. Acesta oferă posibilitatea setării tuturor parametrilor de scanare (stabilire punct 41 de start, suprafața de scanare, dimensiune pași orizontali și verticali, distanța față de obiect, timp de așteptare pentru fiecare pas). Motoarele sunt comandate prin portul serial al PC-ului, 43 prin intermediul controlerului CTRL. Același software asigură generarea impulsului de triggerare, transmis prin portul paralel către box-ul de triggerare. 45

RO 125259 Β1

Triggerarea spectrometrului este necesară sincronizării între timpul de achiziție și schimbarea de poziție pentru fiecare pas. La fiecare schimbare de poziție a motoarelor - și implicit a spotului laser pe suprafața obiectului de artă - este transmis concomitent un semnal, prin portul paralel, către dispozitivul de triggerare al spectrometrului, eveniment interpretat de software-ul de achiziție ca și moment în care poate începe înregistrarea de date venite de la spectrometru, pe durata de timp setată pentru acumulare.

Timpul de acumulare T_ac este timpul în care se realizează iradierea și achiziționarea semnalului pentru un punct de pe suprafața investigată.

Timpul necesar investigării întregii suprafețe de interes va fi un multiplu al timpului unui ciclu. Timpul unui ciclu T_c este alcătuit din: timp de triggerare T_t, timp de acumulare T_ac, timp de repoziționare T_p.

Pentru a sincroniza repoziționarea fasciculului laser cu detectarea radiației fluorescente indusă, în cadrul software-ului de scanare timpul pentru triggerare T„ însumat cu timpul de achiziționare T_ac și timpul de repoziționare al motoarelor T_p trebuie să fie mai mare, cel mult egal cu timpul unui ciclu T_c, conform cu fig. 2.

Datele obținute în urma scanării sunt organizate în fișiere separate, fiecare din ele reprezentând, pe câte o coloană, intesitățile medii ale unei benzi spectrale (sau background), pentru fiecare pas parcurs. Acestea sunt interpretate ulterior cu o altă aplicație.

Claims (2)

1. Revendicări 1

   1. Dispozitiv optoelectronic pentru analiza calitativă a suprafețelor obiectelor de artă 3 prin scanare cu tehnica LIF, caracterizat prin aceea că este alcătuit dintr-un laser cu mediu activ solid YAG:Nd care funcționează pulsat la o frecvența de 3 KHz cu energie de 1,25 pJ 5 per puls și emite la lungimea de undă 266 nm, două servo-motoare (M) cu o precizie de rotație de 0,0005°, care ating o viteză maximă de 80°/s, un filtru optic (F) care elimină 7 maximele de difracție de ordin doi și trei, și blochează energia de excitație, un colector optic (L2), o fibră optică (FO), un spectrometru cu bandă spectrală între 200 și 1100 nm, cu 9 eficiență de peste 90%, și timp de acumulare între 8 ms și 10 min și dispozitive optice de tip lentile (L1, L2) și oglinzi (01, 02, 03). 11
2. 2. Procedeu de analiză calitativă a suprafețelor obiectelor de artă prin scanare cu tehnica LIF, folosind dispozitivul conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, într-o 13 primă etapă se realizează o prestabilire a ariei de scanat, a pasului de scanare atât pe direcție orizontală, cât și verticală, într-o o a doua etapă are loc iradierea controlată punct cu 15 punct a ariei de investigat pe suprafața obiectului și colectarea concomitentă a fluorescentei emise, iarîn a treia etapă are loc interpretarea semnalului de fluorescentă emis de suprafața 17 iradiată.