彩绘文物颜料层微结构的光学相干层析成像技术研究

Nondestructive testing of the pigment layer microstucture of colored painting relics is a effective method and a important link to research the precious cultural heritage. Optical coherence tomography (OCT) technology is an attractive cultural heritage research method due to its unique advantages. This project is aimed at researching some essential and pivotal problems exist in the application of detecting Chinese colored painting relics' microstucture, include the light propagation law in pigment, noise suppression, axial resolution and investigation depth. This project will research the optical properties of pigments via Monte Carlo simulation; test the optical coefficients and absorption spectra of pigments; research the damage mechanism of photothermal effect and photooxidation for pigments, light damage evaluation and damage threshold; design and build fiber spectrum domain OCT system; improve the light source power and spectral width by parallel connection of multiple light sources; process the image signal by unilateral denoising and diffusion algorithm filtering methods. Solving these problems can stablish a solid scientific basis for the application of OCT technology in the cultural relics detection field, and provide an effective new method for Chinese cultural heritage researching and protection.

彩绘文物颜料层内部微结构的无损检测是研究彩绘文物的有效手段和保护文物必不可少的重要环节。光学层析成像技术具有探测物体内部微结构信息的能力，是一种非常适合用于彩绘文物研究和保护的无损检测技术。本项目围绕彩绘颜料的光学特性和光损伤、轴向分辨率和探测深度不足、层析信息提取、噪声消除等问题进行深入研究。拟采用蒙特卡洛模拟算法研究光在颜料中的传播规律，实验测试颜料的吸收和反射光谱，分析颜料的光学特性；采用光热传导和光氧化模型，研究光辐照彩绘颜料的损伤机制，用加速老化法评价光损伤并计算损伤阈值；设计和搭建光纤型谱域OCT系统，采用多光源并接法提高光源功率和带宽，以提高轴向分辨率和探测深度；采用相干增强各向异性扩散算法和小波分析法等处理图像信号，通过快速傅里叶变换重构层析图像。实现OCT技术在彩绘文物颜料层微结构检测中的应用，为我国彩绘文物的研究和保护提供一种全新的无损检测技术手段。

我国拥有宝贵的彩绘文物，由于年代久远和保存环境不佳等原因，彩绘颜料层会出现酥粉和起痂等病害，颜料层内部微结构的无损检测是科学地研究和保护彩绘文物必不可少的重要环节，为此，本项目开展彩绘文物颜料层的光学相干层析成像技术（OCT）研究。.研究了彩绘矿物质颜料的散射特性和反射光谱，获得了OCT对矿物颜料成像的最佳光谱“窗口”在2μm附近；研究了朱砂、三绿两种矿物染料的光损伤及其机制，获得了彩绘颜料的光致褪色光损伤主要是紫外与可见区域光辐照光能累积效应，其机制是电子跃迁导致离子电荷转移所致，OCT技术对彩绘颜料的损伤极其微弱。.分别搭建了中心波长1310nm的全光纤谱域OCT系统和菲索干涉结构的微型OCT系统，手控测量模拟壁画获得了层析像。改装了中心波长930nm的OCT系统的水平测试平台，使该系统可用于壁画现场的扫描测试，其轴向分辨率为7μm。.利用改装的OCT系统对馆藏汉唐彩绘壁画文物、陶俑、瓷器和玉器等进行了OCT成像检测，获得了大量的有价值的测量结果。利用OCT图像对部分文物的病变和修复痕迹进行了分析和鉴别。完成了对部分OCT图像数据的处理和分析。.将测量的OCT图像与诺丁汉特伦特大学课题组在敦煌莫高窟藏传佛教密宗壁画所测数据进行了对比，发现了非病变、非修复的彩绘颜料壁画一般不显示层结构的共性问题，并对这一问题进行了分析讨论与研究，给出了初步的解释。.该项目的OCT成像技术在西安文物保护考古研究院的汉代古墓出土的陶俑彩绘、瓷器的无损检测中得到了应用。.在本项目研究过程中发现了作为彩绘颜料层的载体的地仗层和支撑结构的保护和无损检测的重要性，以及OCT技术难以对几毫米到几十毫米之间厚度的地仗层和支撑结构成像的问题，开展了空气耦合超声波光纤传感与层析成像技术的研究，取得了预期的研究结果，这项研究可以看作是本项目研究的延伸和深入，为彩绘文物保护提供了一种新的无损检测技术和方法。.培养博士生3名，硕士生5名，发表SCI论文 14篇，申请专利2项。