Optyczna Koherencyjna Tomografia

Dysponent: Uniwersytet Mikołaja Kopernika

Kontakt: prof. dr hab. Piotr Targowski koperta

Opis metody

Koherencyjna (a. koherentna) tomografia optyczna z zastosowaniem interferometrii światła częściowo spójnego (ang. Optical Coherence Tomography – OCT) to nieinwazyjna, nieniszcząca i bezdotykowa metoda badania struktury obiektów składających się z przejrzystych lub półprzejrzystych warstw, częściowo przeźroczystych dla promieniowania świetlnego z zakresu bliskiej podczerwieni, pozwalająca otrzymać obrazy ich przekrojów stratygraficznych.

Metoda wykorzystuje zjawisko interferencji światła, którego wąski promień pada na badany obiekt i wnika weń na głębokość determinowaną właściwościami absorpcyjnymi materiału. Badanie polega na rejestracji i analizie sygnału powstałego z nakładania się światła rozproszonego na heterogenicznych warstwach struktury badanego obiektu z wiązką odniesienia odbitą od zwierciadła referencyjnego. W ten sposób uzyskuje się i rozróżnia informacje pochodzące z różnych głębokości badanego materiału. Analiza sygnału uzyskanego w OCT dostarcza informacji o rozkładzie centrów rozpraszających wzdłuż kierunku wiązki promienia (Z). Otrzymaną pojedynczą linię nazywa się, analogicznie jak w ultrasonografii, A-skanem. Dwuwymiarowy obraz przekroju (B-skan) powstaje poprzez złożenie kolejnych pomiarów wykonanych wzdłuż wiązki przesuwanej prostopadle do kierunku padania światła (w kierunku X). Przesuwając promień sondujący dodatkowo w kierunku Y otrzymuje się trójwymiarowy obraz badanej struktury (dane z objętości).

Zastosowanie

W dziedzinie badania obiektów zabytkowych metoda znajduje zastosowanie przede wszystkim do badania:

  • warstwy werniksu i/lub półprzeźroczystych laserunków obrazów sztalugowych na różnych podłożach pozwalając wyznaczyć na przykład:
    • grubość i (o ile nie są zbyt cienkie – patrz rozdzielczość osiowa) liczbę warstw werniksu lub laserunków
    • zidentyfikować punktowania i przemalowania (również niewidoczne w luminescencji UV)
  • grubości i stanu zachowania glazury na obiektach ceramicznych
  • stopnia zaawansowania procesów korozji szkła witrażowego – o ile szkło nie jest pokryte warstwami nieprzezroczystymi dla światła. W tym przypadku można jednak podjąć próbę podania od strony drugiej powierzchni: poprzez warstwę szkła.
  • jakości wykonania i stanu zachowania szkła zabytkowego dublowanego druga warstwą szkła
  • stanu zachowania obiektów z jadeitu i podobnych materiałów
  • stanu zachowania obiektów z bursztynu w zakresie szczegółów budowy przedmiotów wielowarstwowych, występowania pęknięć i rozwarstwień

Na tomogramach OCT skala fałszywych kolorów koduje natężenie światła rozproszonego na różnych głębokościach w obiekcie. Kolejno kolory: biały, czerwony, żółty, zielony i niebieski ilustrują rozkład natężenia światła od największego do najmniejszego; obszary nie rozpraszające widoczne są jako czarne. Płynny zanik koloru świadczy o wielokrotnym rozproszeniu i absorpcji w warstwie (co wynika z właściwości optycznych badanego materiału). Im większa jest różnica rozpraszania i współczynnika załamania światła w poszczególnych warstwach, tym granice między nimi są lepiej widoczne. Wyraźna jasna linia oddzielająca powierzchnię badanego obiektu od powietrza jest wynikiem dużej różnicy współczynnika załamania światła sąsiadujących ośrodków (powietrze-warstwy w obiekcie). Z kolei warstwa werniksu jest widoczna zazwyczaj jako ciemny pasek, ponieważ czyste spoiwo (podobnie jak szkło) w swojej objętości nie rozprasza światła ani go nie pochłania, lecz tylko przepuszcza w głąb, dzięki czemu możliwa jest obserwacja warstw spodnich. Leżące pod werniksem warstwy malarskie, zależnie od składu wykazują różną zdolność rozpraszania światła i pewnej jego absorpcji. Jeżeli absorpcja lub rozproszenie jest zbyt silne, na tomogramie nie będzie widoczna dolna granica warstwy (a jedynie linia lub płynny zanik koloru).

Instrument

Badania prowadzone będą za pomocą przenośnego prototypu instrumentu OCT skonstruowanego w Zakładzie Biofizyki i Fizyki Medycznej IF UMK.

Parametry układu OCT:

  • centralna długość fali: 845 nm, szerokość spektralna: ok. 200 n.
  • rozdzielczość osiowa (w głąb) w materiale: Δz = ok. 2.2 μm
  • rozdzielczość poprzeczna: Δx ~12 μm
  • czułość: 101 dB
  • naświetlenie obiektu: 1,3 mW – lokalne, wiązka jest skanowana po obiekcie. Typowa fluenecja podczas pomiaru wynosi 7 mJ/cm2 , a dostarczona energia dla pojedynczego B-skanu o długości 12 mm wynosi 25 μJ (w podczerwonym zakresie widma).
  • odległość pomiędzy obiektem i najbardziej wysuniętym elementem tomografu: 43 mm
  • pole pojedynczego pomiaru: nie więcej niż 17 x 17 mm2
  • czas pomiaru B-skanu: ok 0,1 s, dla danych objętościowych: ok. 12 s.
  • W szczególnych przypadkach możliwe jest prowadzenie badania z rozdzielczością poprzeczną Δx ~ 6 μm, jednak przy maksymalnym polu pomiaru 5 x 5 mm2 i odległości od obiektu 7,5 mm.

Warunki badania

Mozliwe są dwie konfiguracje instrumentu do badań:

  • Obiekt umieszczny jest na stabilych sztalugach lub postumencie. Wysokość miejsca badania nad podłogą musi mieścić się w przedziale od 32 cm do 180 cm.  Bezpośrednio przed obiektem wymagana jest wolna przestrzeń posadzki min. 2 m. Posadzka musi być stabilna, np. płyty granitowe, beton. Należy unikać posadzki parkietowej, szczególnie na legarach drewnianych.
  • W przypadku udostępnienia obiektu za stole, miejsce badane będzie położone około 90 od krawędzi stołu.

Wymagania ogólne: w miejscu badania musi być dostępne źródło zasilania w postaci pojedynczego, typowego gniazda 230 V z uziomem. Zasadniczo zakłada się, że badania będą prowadzone w pomieszczeniach zamkniętych. W wyjątkowych wypadkach, przy spełnieniu wszystkich powyższych wymagań, dopuszcza się badania w przestrzeni otwartej, jednak wymaga to dodatkowych, szczegółowych uzgodnień.

 

Format wyników pomiarów

Dysponent obiektu otrzymuje wszystkie wyniki pomiarów w postaci plików jpg wraz z ich podstawową interpretacją. W przypadku przygotowywania wyników do publikacji zostaną opracowane dodatkowe ilustracje, przygotowane zgodnie z wymogami edytora. Oprogramowanie do edycji obrazów (np. IrfanView, Corel, PhotoShop) dysponent obiektu pozyskuje we własnym zakresie.

OCT1

Rys. 1. Przykładowy wynik badania OCT

Przykładowe wyniki badań OCT tym instrumentem można znaleźć w publikacjach:

  1. Spis wszystkich publikacji poświęconych wykorzystaniu OCT do badania obiektów zabytkowych (zazwyczaj z linkami do tekstów) można znaleźć na stronie: oct4art.eu.
  2. Targowski, M. Iwanicka “Optical Coherence Tomography: its role in the non-invasive structural examination and conservation of cultural heritage objects—a review” Applied Physics A 106(2), 265-277, (2012), DOI: 10.1007/s00339-011-6687-3,
  3. Targowski, M. Iwanicka, M. Sylwestrzak, E.A. Kaszewska, C. Frosinini “OCT structural examination of Madonna dei Fusi by Leonardo da Vinci“ Proc. SPIE 8790 87900N, (2013), DOI: 10.1117/12.2021607
  4. Targowski, M. Iwanicka, B.J. Rouba, C. Frosinini, “OCT for Examination of Artwork” in: W. Drexler, G. Fugjimoto (Eds.) Optical Coherence Tomography. Technology and Applications, Springer, Cham Heidelberg New York Dordrecht London, 2015, pp. 2473-2495.
  5. M. Iwanicka, G. Lanterna, C.G. Lalli, F. Innocenti, M. Sylwestrzak, P. Targowski, „On the application of Optical Coherence Tomography as a complimentary tool in an analysis of the 13th century Byzantine Bessarion Reliquary” Microchemical Journal 125, pp. 75-84, (2016), DOI: 10.1016/j.microc.2015.11.014
  6. P. Targowski, M. Kowalska, M. Sylwestrzak, M. Iwanicka, „OCT for examination of cultural heritage objects”, in: M. Wang (Ed.) Optical Coherence Tomography and Its Non-medical Applications, IntechOpen, doi: dx.doi.org/10.5772/intechopen.88215, (2020)