基于雙光子激發熒光的文物無損三維成像及成分鑒定方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于非線性光學技術與科技考古技術范疇，具體涉及一種雙光子激發熒光的文物三維成像及成分鑒定方法。
【背景技術】
[0002]我國是歷史悠久的文明古國，有著豐富多彩、彌足珍貴的文化遺產，地上地下保存著極為豐富的文物。這些歷史遺存不僅蘊含著中華民族特有的精神價值，而且是不可再生的珍貴資源和民族智慧的結晶。近年來，隨著經濟全球化趨勢和現代化進程的加快，我國的文化遺產及其生存環境受到嚴重威脅，加強文化遺產的研究與保護刻不容緩。如何利用現代科學分析方法和技術手段，無損鑒定文物的礦料組成和分布已成為文化遺產保護和修復的重大課題。
[0003]目前常用的分析文物礦料組成分析方法有:激光拉曼顯微光譜法、光導纖維反射光譜法、激光誘導擊穿光譜法、X射線熒光光譜法、粉末偏光顯微法等(魏璐，王麗琴，周鐵，容波，夏寅，無損光譜技術在彩繪陶質文物分析中的應用進展，光譜學與光譜分析，32(2):481—485)，這些方法都是有損檢測方法，即都需要取樣，對文物造成一定的損壞，這對于文物這種不可再生資源而言是不可挽回的損失。此外，這些方法都不能對文物進行斷層成像，所以無法通過這些方法得到文物內部的形貌和礦料組成成分的分布情況。目前用于文物斷層成像的方法是光學相干層析成像(嚴鑫，董俊卿，李青會，郭木森，胡永，基于OCT技術對古代瓷釉斷面結構特征的初步研究，中國激光，41 (9):0908001)，這個方法是一種無損、非接觸的成像技術，可以獲得文物內部的層析結構。然而，這個方法不能鑒別物質，無法獲得礦料組成成分的信息。
【發明內容】
[0004]針對上述現有技術在文物斷層成像及礦料鑒定中的缺陷，本發明的目的在于，提供一種基于雙光子激發熒光的文物斷層成像及礦料鑒定的方法，該方法能夠分析文物內部的礦料組成，同時能對文物的目標區域進行三維成像，具有非接觸、無損的特點。
[0005]為了實現上述任務，本發明采用以下技術方案:
[0006]一種基于雙光子激發熒光的文物無損三維成像及成分鑒定方法，包括以下步驟:
[0007]步驟一，將一束飛秒激光通過激光掃描器反射，由可變焦的顯微物鏡聚焦于待測文物的目標位置；
[0008]步驟二，將待測文物表面反射出的雙光子激發熒光進行濾光，并使其進入探測成像裝置；
[0009]步驟三，利用激光掃描器逐點掃描待測文物的目標位置，在探測和成像裝置中獲得一個二維圖像；
[0010]步驟四，變換顯微物鏡的焦距，然后重復步驟三，以獲得不同深度處的待測文物表面的二維圖像；
[0011]步驟五，將步驟三和步驟四獲得的二維圖像重構，獲得待測文物的三維圖像；
[0012]步驟六，根據待測文物表面反射出的雙光子激發熒光的波長范圍鑒定待測文物中礦料的組成成分，根據熒光圖像確定礦料中不同組成成分的分布情況。
[0013]進一步地，所述的飛秒激光的波長可調諧，范圍是690?1040nm，脈寬小于I OOfs，平均功率大于2.5W。
[0014]進一步地，所述的飛秒激光由一個飛秒激光器發出，在飛秒激光器與所述的激光掃描器之間依次間隔設置有半波片、偏振分光立方體以及四分之一波片；
[0015]所述的步驟一中，飛秒激光器輸出的飛秒激光通過二分之一波片，旋轉二分之一波片以改變飛秒激光的偏振方向，使飛秒激光通過所述的偏振分光立方體后分為兩束，一束為反射光，另一束為線偏振透射光，其中線偏振透射光經過所述的四分之一波片后進入所述的激光掃描器。
[0016]進一步地，所述的飛秒激光器的一側設置有光譜儀，光譜儀前端設置有全反鏡，所述的飛秒激光通過偏振分光立方體后，反射光經由全反鏡進入光譜儀，以檢測飛秒激光器的工作狀態。
[0017]進一步地，所述的激光掃描器與待測文物之間設置有二向色鏡，飛秒激光經過偏振分光立方體后，其線偏振透射光在經過四分之一波片時，調節四分之一波片將線偏振透射光變為圓偏振光，然后進入激光掃描器，繼而經過激光掃描器反射，通過二向色鏡進入所述的顯微物鏡。
[0018]進一步地，所述的探測成像裝置為計算機，計算機與所述的顯微物鏡、激光掃描器連接;步驟一中，通過計算機調節顯微物鏡的焦距，使激光束聚焦于待測文物上目標位置的某處，并記錄該處的深度;步驟三中，通過計算機調節激光掃描器，在水平面方向上逐點掃描激光聚焦位置，并記錄激光作用的水平位置，最終得到二維圖像。
[0019]進一步地，所述的二向色鏡的一側依次間隔設置有發射濾光片、帶通濾光片和光電倍增管;待測文物表面反射出的雙光子激發熒光經過二向色鏡的反射，通過發射濾光片、帶通濾光片選擇礦料的某一種物質成分的熒光的波長范圍，進一步進入光電倍增管進行探測，并由計算機進行記錄。
[0020]本發明的方法應用非線性光學技術來鑒定文物的礦料組成和分布，與現有文物成分分析和層析成像方法相比，本發明具有以下優點:
[0021 ] 1.能夠同時實現文物成分分析和三維成像；
[0022]2.能夠實現分侵入、非接觸、無損檢測；
[0023]3.成像深度深，可獲得文物內部的成分和分布信息。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明方法中用到的裝置的結構示意圖；
[0025]圖中標號代表:I一飛秒激光器，2一光譜儀，3一半波片，4一偏振分光立方體，5一四分之一波片，6—激光掃描器，7—計算機，8—全反鏡，9一發射濾光片，10一帶通濾光片，11一光電倍增管，12—二向色鏡，13—顯微物鏡，14一待測文物。
【具體實施方式】
[0026]遵從上述技術方案，如圖1所示，本發明給出了一種基于雙光子激發熒光的文物無損三維成像及成分鑒定方法，該方法包括如下步驟:
[0027]步驟一，將一束飛秒激光通過激光掃描器反射，由可變焦的顯微物鏡聚焦于待測文物的目標位置；
[0028]更加具體地，飛秒激光由一個飛秒激光器發出，在飛秒激光器與所述的激光掃描器之間依次間隔設置有半波片、偏振分光立方體以及四分之一波片；
[0029]在步驟一中，飛秒激光器輸出的飛秒激光通過二分之一波片，旋轉二分之一波片以改變飛秒激光的偏振方向，使飛秒激光通過所述的偏振分光立方體后分為兩束，一束為反射光，另一束為線偏振透射光，其中線偏振透射光經過所述的四分之一波片后進入所述的激光掃描器。
[0030]在飛秒激光器的一側設置有光譜儀，光譜儀前端設置有全反鏡，所述的飛秒激光通過偏振分光立方體后，反射光經由全反鏡進入光譜儀，以檢測飛秒激光器的工作狀態。
[0031]在激光掃描器與待測文物之間設置有二向色鏡，飛秒激光經過偏振分光立方體后，其線偏振透射光在經過四分之一波片時，調節四分之一波片將線偏振透射光變為圓偏振光，然后進入激光掃描器。
[0032]步驟二，將待測文