Dysponent: Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni im. Jerzego Habera PAN
Kontakt: prof. dr hab. Łukasz Bratasz
Opis metody
Interferometria plamkowa wyznacza rozkład odkształceń na badanej powierzchni na podstawie analizy prążków interferencyjnych (interferogramów) powstałych poprzez interferencję dwóch wiązek światła laserowego. Metodę tę stosuje się do badania obiektów o matowej powierzchni, ponieważ wskutek rozproszenia koherentnego światła na takiej powierzchni powstają charakterystyczne plamki (tzw. spekle). Interesujące nas prążki interferencyjne powstają w wyniku nakładania się wiązki laserowej odbitej od powierzchni obiektu i części tej samej wiązki skierowanej bezpośrednio z lasera (tzw. referencja). Interferogramy będące wynikiem odejmowania w czasie rejestrowanych obrazów po ponownym ich złożeniu z obu wiązek na matrycy kamery CCD nie są widoczne gołym okiem i wymagają obróbki cyfrowej w celu wydobycia informacji. Stąd pełna nazwa metody to DSPI (Digital Speckle Pattern Interferometry).
Interferometria plamkowa w podstawowym wariancie oferuje pełnopolowy pomiar rozkładu odkształceń powierzchni i dlatego nasuwa skojarzenie z metodą cyfrowej korelacji obrazu (DIC) dającą analogiczny rodzaj informacji. Porównując te dwie metody należy podkreślić, że DSPI jest o wiele dokładniejsza. Osiągana dokładność wynosi kilka nanometrów i nie zależy od wielkości kadru, stąd różnica dokładności rośnie na korzyść DSPI wraz ze wzrostem mierzonego obszaru. DSPI jest również dużo mniej kosztowna obliczeniowo w stosunku do DIC i dlatego możliwa jest obserwacja wyników w czasie rzeczywistym. Ta dokładność i szybkość mają swoją cenę – do tego żeby metoda działała poprawnie potrzebne są bardzo stabilne warunki zwłaszcza jeśli chodzi o drgania w otoczeniu mierzonego obiektu.
Zastosowanie
Podstawowym zastosowaniem DSPI jest stworzenie mapy odspojeń warstwy malarskiej lub innej warstwy dekoracyjnej od podłoża, które odkształcają się inaczej pod wpływem zastosowanego bodźca (nieznaczne podgrzanie powierzchni, wzbudzenie drgania falą dźwiękową, czy dotyk) niż warstwa nieodspojona. Zazwyczaj mapa anomalnego odkształcenia pokrywa się z odspojonym obszarem, dlatego za pomocą DSPI można dokładnie wyznaczyć wielkość odspojenia, a powtarzając pomiar co pewien czas śledzić jego rozwój i określić zmianę tego obszaru. Jest to szczególnie przydatne w przypadku sprawdzania skuteczności zabiegu konserwatorskiego stabilizującego odspojenia, kiedy porównuje się pole odkształceń powierzchni sprzed i po konserwacji. W celu sprawdzenia trwałości konsolidacji można też porównać wielkość odspojenia zaraz po zakończeniu prac konserwatorskich i na przykład po upływie roku.
Instrument
Pomiary prowadzimy instrumentem własnej konstrukcji. Źródłem światła jest laser o mocy 300 mW i długości fali 532 nm, a obraz rejestrowany jest kamerą o rozdzielczości 6,6 MPix. Układ pomiarowy można stosować w kilku wariantach, ale w podstawowej wersji mierzone są odkształcenia prostopadłe do płaszczyzny obrazowej.
Oprócz tego możliwy jest pomiar w trybie „shearing interferometry”, gdzie obie wiązki „obiektowa” i „referencyjna” odbijają się od badanego obiektu. Taka konfiguracja powoduje znaczne zmniejszenie czułości układu na zakłócenia środowiskowe, jak drgania czy turbulencje powietrza, ale znacznie utrudnia analizę wyników (każdy obszar uszkodzony widać podwójnie). W praktyce nadaje się do badania odizolowanego odspojenia niewielkiej wielkości.
Warunki badania
Badania na obiektach zabytkowych można przeprowadzać poza laboratorium (Rys. 1). Ważne jest jednak zapewnienie stabilnych warunków w czasie pomiaru. Najlepiej żeby obiekt znajdował się jak najbliżej podłogi. Ponadto podłoga powinna być stabilna (betonowa jest dużo lepsza niż drewniany parkiet na legarach)
Najlepsze do badań są obiekty matowe i jasne, ale udało się również przeprowadzić badania na czarnej lace japońskiej (kosztem zmniejszenia pola widzenia).
Rys. 1. Badania stanu zachowania powierzchni tryptyku Sąd Ostateczny, Hans Memling, Muzeum Narodowe w Gdańsku.
Format wyników pomiarów
W przypadku diagnozowania powierzchni obiektów zabytkowych, wynikiem pomiaru jest inwentaryzacja odspojeń warstwy powierzchniowej. Dodatkowo wyniki zawierają informację o amplitudzie drgań badanego odspojenia po wzbudzeniu powierzchni dźwiękiem (Rys. 2).
Rys. 2. Badanie odspojenia na powierzchni przy pomocy „shearing interferometry” przy wzbudzeniu dźwiękowym, św. Anna, malowidło z katedry w Faras, Sudan, IX wiek, Muzeum Narodowe w Warszawie, a) obiekt, b) prążki interferencyjne (podwójny obraz wynika ze specyfiku układu pomiarowego) c) i d) amplituda pola odkształceń.
Bibliografia
Krzemien, L. i Lukomski, M., 2012. Algorithm for automated analysis of surface vibrations using time-averaged digital speckle pattern interferometry. Applied Optics, 51(4), pp. 5154-5160.
Krzemień, L., Łukomski, M., Kijowska, A. i Mierzejewska, B., 2014. Combining digital speckle pattern interferometry with shearography in a new instrument to characterize surface delamination in museum artefacts. Journal of Cultural Heritage, 16(4), pp. 544 – 550.
Krzemień, L. i inni, 2015. Dynamic response of earlywood and latewood within annual growth ring structure of Scots pine subjected to changing relative humidity. Holzforschung, 69(5), p. 555–561.
Lukomski, M. i Krzemien, L., 2013. Automated analysis of art object surfaces using time-averaged digital speckle pattern interferometry. Munich, p. 87900Y.