CC BY
19АЛ ГАВРИЛОВ, В.А. ИСАЕВ, Н.П. КОРНЫШЕВ
камеры ик-диапазона зао «элси» (великий новгород) и предложения по их использованию в исследовании музейных объектов
Использование инфракрасного (ИК) диапазона излучения для исследования музейных объектов связано с тем, что с изменением длины волны падающего излучения изменяются оптические характеристики вещества в зависимости от его химического состава. С увеличением поглощения вещество становится более темным, с увеличением пропускания увеличивается прозрачность, а с увеличением отражения вещество выглядит более светлым.
В работе музейных исследовательских лабораторий получил широкое распространение так называемый метод инфракрасной рефлектографии, основанный на применении телевизионных систем, обеспечивающих визуализацию изображений объектов при их облучении прямым, наклонным или проходящим инфракрасным светом [13].
Спектр ИК-излучения принято делить на ближний (до 2 мкм), средний (до 7-8 мкм) и дальний (от 8 мкм) диапазоны. В настоящее время наиболее широко и успешно используется часть (до 1 мкм) ближнего ИК-диапазона спектра. Это связано с диапазоном спектральной чувствительности стандартных твердотельных фотоприемников, выполненных по технологии ПЗС и КМОП и обладающих чувствительностью на 1 мкм примерно 10 % от максимума. На илл. 1 приведены типичные характеристики спектральной чувствительности для большинства современных инфракрасных приборов наблюдения в ближней ИК-области спектра.
Исследование в ближнем инфракрасном диапазоне излучения дает весьма полезные сведения о произведениях иконописи. Так, например, сквозь плотный слой олифы в инфракрасном диапазоне излучения хорошо выявляются скрытые изображения и надписи. В инфракрасном диапазоне белила выглядят белыми — самыми светлыми. В такой же степени светлеют почти все желтые и оранжевые. Синие, зеленые и коричневые становятся темными или светлеют в зависимости от химического состава. Многие виды загрязнений прозрачны для инфракрасного излучения. Таким образом могут быть выявлены или лучше различимы скрытые надписи, рисунки и изображения, если они поглощают инфракрасное излучение. Надписи, нанесенные графитным карандашом, также становятся более читаемыми. Хорошо выявляются уголь, копоть и сажа и выглядят черными. Черными же выглядят даже самые тонкие штрихи, нанесенные тушью [11].
На илл. 2 и з приведены изображения фрагментов икон, полученные в ИК-свете. Целый ряд объектов, используемых для составления документов, прозрачен для ИК-лучей, обладающих значительной проникающей способностью по сравнению с видимыми лучами. Отражение и поглощение инфракрасных лучей различными объектами не находится в какой-либо закономерной связи с отражением и поглощением ими видимых лучей [12].
При ИК-визуализации относительно небольших участков документа в качестве источников света используют ИК-светодиоды с различной длиной волны излучения. Для визуализации фрагментов формата А4 и более в качестве источников инфракрасного излучения применяют галогенные лампы. В этом
случае, чтобы выделить интересующий участок инфракрасных лучей перед телевизионной камерой, устанавливают светофильтры марок КС-18, КС-19 и ИКС [1, 2, 7].
В качестве примера на илл. 4 приведены результаты инфракрасной визуализации, позволяющие обеспечить прочтение текста исторического документа [8, 9, 10].
ИК-визуализация с успехом применяется при исследовании произведений живописи [13, 14] (илл. 5), а также исторических фотографий (илл. 6).
ИК-визуализация может с успехом применяться при исследовании берестяных грамот с целью обнаружения и прочтения нанесенных на них надписей (илл. 7).
Несмотря на то, что в ближнем ИК-диапазоне имеется возможность визуализации целого ряда особенностей музейных объектов, практический интерес может представлять использование в таких исследованиях ИК-камер с более длинноволновым диапазоном спектральной чувствительности. Так, например, поскольку с увеличением длины волны излучения контраст деталей изображения, выявляемых на произведениях живописи под слоем краски, значительно возрастает, расширение диапазона спектральной чувствительности в более далекую инфракрасную область является весьма ценным. Особенно это существенно в случаях, когда на картинах требуется выявить подготовительный авторский рисунок, композиционные изменения в подмалевке, маскируемые лежащим сверху сильнопоглощаю-щим слоем краски [13].
При исследовании исторических бумаг и рукописно-книжных памятников практический интерес представляют обнаружение и идентификация веществ, входящих в состав бумаги-основы и красителей, что позволяет уточнять датировку и место происхождения объекта. Для этих целей в настоящее время используются методы ИК-спектрофотометрии. Так, например, в [4, 5] приводятся данных о спектрах поглощения и отражения ряда таких веществ (илл. 8, 9). Эти данные позволяют сделать вывод о том, что применение камер, обладающих спектральной чувствительностью в ближнем (от 1 до 2 мкм), среднем (от 3 до 5 мкм), а также в более длинноволновом (до 10 мкм) ИК-диапазонах, может эффективно дополнять методы ИК-спектрофотометрии за счет возможности визуализации особенностей пространственного распределения веществ, входящих в состав бумаги-основы и красителей.
Ниже приводятся основные технические характеристики ИК-камер, выпускаемых ЗАО «Элси» (Великий Новгород) на базе отечественных комплектующих изделий и обеспечивающих чувствительность в указанных областях ИК-спектра.
КАМЕРА БЛИЖНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА 0,91,7 мкм «андромеда»
На илл. 10 представлен внешний вид камеры «Андромеда». Фотоприемником в камере «Андромеда» является охлаждаемая матрица формата 32ох25б или б4ох512 пикселей, имеющих
Илл. 1. Типичные спектральные характеристики приборов наблюдения в ближней ИК-области спектра
Илл. 2. Фрагменты иконы: в видимом свете (слева), в ИК-свете 810 нм (справа)
Илл. 3. Выявление надписи (слева) и скрытого изображения (справа) на иконе
Илл. 4. Запись железо-галловыми чернилами, закрашенная самим писцом (вверху), прочтение закрашенной записи в ближней ИК-области — комбинация снимков (внизу)
Илл. 5. Визуализация рисунка, находящегося под слоем краски
Илл. 6. Историческая фотография (слева) и ее левый нижний угол со штампом ателье в ИК-свете (справа) [15, с. 78]
Илл. 7. Фрагмент берестяной грамоты в видимом (слева) и в ИК-свете (справа)
Илл. 8. ИК-спектр штемпельной бумаги [5, с. 31]
Илл. 9. ИК-спектр поглощения грунтовочного слоя акварели (слева) и свинцовых
белил (справа) [4, с. 89]
Илл. 10. Внешний вид камеры «Андромеда» Илл. 11. Внешний вид камеры ТПВ-300
Илл. 12. Внешний вид камеры дальнего ИК-диапазона
размер, соответственно, 30x30 или 25x25 мкм. Диапазон спектральной чувствительности матрицы составляет 0,9-1,7 мкм. Выходной сигнал соответствует интерфейсу обмена информации Fibre Channel 1 Гб/с, 14 бит на пиксель. Частота кадров 40 Гц (без охлаждения), 100 Гц (с охлаждением). Масса без объектива — не более 150 г. Габаритные размеры: 63,5x53x46 мм.
КАМЕРА СРЕДНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА 3-5 МКМ ТПВ-300
На илл. 11 представлен внешний вид камеры ТПВ-300. Фотоприемником в камере ТПВ-300 является охлаждаемая матрица формата б40х512 пикселей, имеющих размер 15х15 мкм. Диапазон спектральной чувствительности матрицы составляет 3-5 мкм. Выходной сигнал — аналоговый и цифровой. Частота кадров при экспозиции 7 мс составляет 60 Гц, при экспозиции 1 мс - 100 Гц. Камера имеет объектив с изменяемым фокусным расстоянием 15-300 мм. Время выхода на рабочий режим при комнатной температуре — 8 мин. Предусмотрены дополнительные функции: коррекция геометрического шума, автоконтрастирование, эквализация гистограммы яркости, автоэкспозиция, внешняя синхронизация.
КАМЕРА ДАЛЬНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА 8-12 МКМ
Камера разработана ЗАО «Элси» совместно с Институтом физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (Новосибирск) [3, 6]. Внешний вид камеры представлен на илл. 12.
Фотоприемником в камере является охлаждаемая матрица формата 320х256 пикселей, имеющих размер 30х30 мкм. Диапазон спектральной чувствительности матрицы составляет 8-12 мкм. Выходной сигнал соответствует интерфейсу обмена информации Fibre Channel 1 Гб/с, 14 бит на пиксель. Частота кадров 50 Гц. Среднее значение разности температур, эквивалентной шуму (NETD), не более 30 мК.
Камера имеет объектив с фокусным расстоянием 35 мм. Время выхода на рабочий режим при комнатной температуре — 7 мин. Предусмотрены дополнительные функции по улучшению изображения. Габаритные размеры: 300х100х100 мм. Масса — не более 1,5 кг.
выводы
1. В настоящее время при исследовании музейных объектов наиболее широко и успешно используется ближний
ИК-диапазон спектра.
2. Применение камер, обладающих спектральной чувствительностью в среднем и дальнем ИК-диапазонах, может эффективно дополнять методы ИК-спектрофотометрии за счет возможности визуализации особенностей пространственного распределения поглощения и отражения ИК-света музейным объектом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреева Е.В., Бутусов В.В., Иванов И.Г., Корнышев Н.П. и др. Модернизация телевизионной спектральной системы для экспресс-анализа документов // Системы и средства связи телевидения и радиовещания. 2010. Вып. 1-2. С. 115-118.
2. Андреева Е.В., Бутусов В.В., Корнышев Н.П., Кузьмин В.П. и др. Телевизионные аппаратно-программные комплексы для криминалистических исследований // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 2008. № 2. С. 50-57.
3. Брунее Д.В., Васильев В.В., Вишняков А.В., Вяткин С.Н. и др. Тепловизионная камера на базе КРТ фотоприемника формата 320x256 элементов для спектрального диапазона 8-12 мкм // Труды 23-й международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 28-30 мая 2014 г.). М., 2014. С. 130-132.
4. Григорьева И.А., Колосова М.И., Хаерин С.В., Чугуноеа К.С. Особенности применения спектральных методов при исследовании музейных объектов // Фотография. Изображение. Документ: науч. сб. Вып. 4(4). СПб.: РОСФОТО, 2013. С. 88-95.
5. Деркачева О.Ю. Анализ ИК-спектров отражения исторических бумаг // Фотография. Изображение. Документ: науч. сб. Вып. 4(4). СПб.: РОСФОТО, 2013. С. 25-31.
6. Дирочка А.И., Корнеева М.Д., Филачев А.М. Направления развития современной фотоэлектроники (обзор по материалам 23-й международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения) // Успехи прикладной физики. 2014. Т. 2. № 4. С. 353-366.
7. Корнышев Н.П. Телевизионная визуализация: учеб. пособие. Вел. Новгород: НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2010. 164 с.
8. Корнышев Н.П., Лифар А.В., Ляховицкий Е.А., Родионов И.С. и др. Телевидение в исследовании исторических бумаг // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 2014. Вып. 1. С. 30-37.
9. Корнышев Н.П., Лифар А.В., Ляховицкий Е.А., Родионов И.С. и др. Телевизионные и оптико-электронные методы исследования исторических бумаг // Системы и средства связи телевидения и радиовещания. 2013. Вып. 1-2. С. 153-158.
10. Корнышев Н.П., Ляховицкий Е.А., Родионов И.С. Оптико-электронные и телевизионные методы и средства в исследовании рукописно-книжных памятников // Фотография. Изображение. Документ: науч. сб. Вып. 4(4). СПб.: РОСФОТО, 2013. С. 65-72.
11. Реставрация икон: метод. рекомендации / под ред. М.В. Наумовой. М.: ВХНРЦ им. И.Э. Грабаря, 1993. vii, 226 с.
12. Технико-криминалистическая экспертиза документов: учебник / под ред. В.Е. Ляпичева, Н.Н. Шведовой. Волгоград: ВА МВД России, 2005. 268 с.
13. Технология, исследование и хранение произведений станковой и настенной живописи: уч. пособие / под. ред. Ю.И. Гренберга. М.: Изобразит. искусство, 1987. 392 с.
14. Трошина Т.М. Реставрация памятников живописи: уч.-метод. пособие. Екатеринбург: УрГУ, 2004. 78 с.
15. Шеин Г.М. Два альбома «Путевых воспоминаний» 1876 г. из собрания «РОСФОТО»: экспертное исследование // Фотография. Изображение. Документ: науч. сб. Вып. 1(1). СПб.: РОСФОТО, 2010. С. 76-80.
