基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于非线性光学技术与科技考古技术范畴，具体涉及一种双光子激发荧光的文物三维成像及成分鉴定方法。
【背景技术】
[0002]我国是历史悠久的文明古国，有着丰富多彩、弥足珍贵的文化遗产，地上地下保存着极为丰富的文物。这些历史遗存不仅蕴含着中华民族特有的精神价值，而且是不可再生的珍贵资源和民族智慧的结晶。近年来，随着经济全球化趋势和现代化进程的加快，我国的文化遗产及其生存环境受到严重威胁，加强文化遗产的研究与保护刻不容缓。如何利用现代科学分析方法和技术手段，无损鉴定文物的矿料组成和分布已成为文化遗产保护和修复的重大课题。
[0003]目前常用的分析文物矿料组成分析方法有:激光拉曼显微光谱法、光导纤维反射光谱法、激光诱导击穿光谱法、X射线荧光光谱法、粉末偏光显微法等(魏璐，王丽琴，周铁，容波，夏寅，无损光谱技术在彩绘陶质文物分析中的应用进展，光谱学与光谱分析，32(2):481—485)，这些方法都是有损检测方法，即都需要取样，对文物造成一定的损坏，这对于文物这种不可再生资源而言是不可挽回的损失。此外，这些方法都不能对文物进行断层成像，所以无法通过这些方法得到文物内部的形貌和矿料组成成分的分布情况。目前用于文物断层成像的方法是光学相干层析成像(严鑫，董俊卿，李青会，郭木森，胡永，基于OCT技术对古代瓷釉断面结构特征的初步研究，中国激光，41 (9):0908001)，这个方法是一种无损、非接触的成像技术，可以获得文物内部的层析结构。然而，这个方法不能鉴别物质，无法获得矿料组成成分的信息。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术在文物断层成像及矿料鉴定中的缺陷，本发明的目的在于，提供一种基于双光子激发荧光的文物断层成像及矿料鉴定的方法，该方法能够分析文物内部的矿料组成，同时能对文物的目标区域进行三维成像，具有非接触、无损的特点。
[0005]为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案:
[0006]一种基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法，包括以下步骤:
[0007]步骤一，将一束飞秒激光通过激光扫描器反射，由可变焦的显微物镜聚焦于待测文物的目标位置；
[0008]步骤二，将待测文物表面反射出的双光子激发荧光进行滤光，并使其进入探测成像装置；
[0009]步骤三，利用激光扫描器逐点扫描待测文物的目标位置，在探测和成像装置中获得一个二维图像；
[0010]步骤四，变换显微物镜的焦距，然后重复步骤三，以获得不同深度处的待测文物表面的二维图像；
[0011]步骤五，将步骤三和步骤四获得的二维图像重构，获得待测文物的三维图像；
[0012]步骤六，根据待测文物表面反射出的双光子激发荧光的波长范围鉴定待测文物中矿料的组成成分，根据荧光图像确定矿料中不同组成成分的分布情况。
[0013]进一步地，所述的飞秒激光的波长可调谐，范围是690?1040nm，脉宽小于I OOfs，平均功率大于2.5W。
[0014]进一步地，所述的飞秒激光由一个飞秒激光器发出，在飞秒激光器与所述的激光扫描器之间依次间隔设置有半波片、偏振分光立方体以及四分之一波片；
[0015]所述的步骤一中，飞秒激光器输出的飞秒激光通过二分之一波片，旋转二分之一波片以改变飞秒激光的偏振方向，使飞秒激光通过所述的偏振分光立方体后分为两束，一束为反射光，另一束为线偏振透射光，其中线偏振透射光经过所述的四分之一波片后进入所述的激光扫描器。
[0016]进一步地，所述的飞秒激光器的一侧设置有光谱仪，光谱仪前端设置有全反镜，所述的飞秒激光通过偏振分光立方体后，反射光经由全反镜进入光谱仪，以检测飞秒激光器的工作状态。
[0017]进一步地，所述的激光扫描器与待测文物之间设置有二向色镜，飞秒激光经过偏振分光立方体后，其线偏振透射光在经过四分之一波片时，调节四分之一波片将线偏振透射光变为圆偏振光，然后进入激光扫描器，继而经过激光扫描器反射，通过二向色镜进入所述的显微物镜。
[0018]进一步地，所述的探测成像装置为计算机，计算机与所述的显微物镜、激光扫描器连接;步骤一中，通过计算机调节显微物镜的焦距，使激光束聚焦于待测文物上目标位置的某处，并记录该处的深度;步骤三中，通过计算机调节激光扫描器，在水平面方向上逐点扫描激光聚焦位置，并记录激光作用的水平位置，最终得到二维图像。
[0019]进一步地，所述的二向色镜的一侧依次间隔设置有发射滤光片、带通滤光片和光电倍增管;待测文物表面反射出的双光子激发荧光经过二向色镜的反射，通过发射滤光片、带通滤光片选择矿料的某一种物质成分的荧光的波长范围，进一步进入光电倍增管进行探测，并由计算机进行记录。
[0020]本发明的方法应用非线性光学技术来鉴定文物的矿料组成和分布，与现有文物成分分析和层析成像方法相比，本发明具有以下优点:
[0021 ] 1.能够同时实现文物成分分析和三维成像；
[0022]2.能够实现分侵入、非接触、无损检测；
[0023]3.成像深度深，可获得文物内部的成分和分布信息。
【附图说明】
[0024]图1为本发明方法中用到的装置的结构示意图；
[0025]图中标号代表:I一飞秒激光器，2一光谱仪，3一半波片，4一偏振分光立方体，5一四分之一波片，6—激光扫描器，7—计算机，8—全反镜，9一发射滤光片，10一带通滤光片，11一光电倍增管，12—二向色镜，13—显微物镜，14一待测文物。
【具体实施方式】
[0026]遵从上述技术方案，如图1所示，本发明给出了一种基于双光子激发荧光的文物无损三维成像及成分鉴定方法，该方法包括如下步骤:
[0027]步骤一，将一束飞秒激光通过激光扫描器反射，由可变焦的显微物镜聚焦于待测文物的目标位置；
[0028]更加具体地，飞秒激光由一个飞秒激光器发出，在飞秒激光器与所述的激光扫描器之间依次间隔设置有半波片、偏振分光立方体以及四分之一波片；
[0029]在步骤一中，飞秒激光器输出的飞秒激光通过二分之一波片，旋转二分之一波片以改变飞秒激光的偏振方向，使飞秒激光通过所述的偏振分光立方体后分为两束，一束为反射光，另一束为线偏振透射光，其中线偏振透射光经过所述的四分之一波片后进入所述的激光扫描器。
[0030]在飞秒激光器的一侧设置有光谱仪，光谱仪前端设置有全反镜，所述的飞秒激光通过偏振分光立方体后，反射光经由全反镜进入光谱仪，以检测飞秒激光器的工作状态。
[0031]在激光扫描器与待测文物之间设置有二向色镜，飞秒激光经过偏振分光立方体后，其线偏振透射光在经过四分之一波片时，调节四分之一波片将线偏振透射光变为圆偏振光，然后进入激光扫描器。
[0032]步骤二，将待测文