Τομογραφία οπτικής συνοχής (συμφωνίας)

 Μία καινοτόμος τεχνική για τη μελέτη και συντήρηση της πολιτιστικής κληρονομιάς

Αλέξανδρος Διαμαντούδης^*

 και  Ιωάννης Καραπαναγιώτης^**

 ^*Διδάσκων της Ανώτατης Εκκλησιαστικής Ακαδημίας Θεσσαλονίκης, Πρόγραμμα Διαχείρισης Εκκλησιαστικών Κειμηλίων, alexdiamantoudis@gmail.com

^** Επίκουρος καθηγητής της Ανώτατης Εκκλησιαστικής Ακαδημίας Θεσσαλονίκης, Πρόγραμμα Διαχείρισης Εκκλησιαστικών Κειμηλίων, y.karapanagiotis@aeath.gr

 1. Εισαγωγή

Η Τομογραφία Οπτικής Συνοχής όπως είναι γνωστή, ή Τομογραφία Οπτικής Συμφωνίας όπως πιθανόν θα μπορούσε να ερμηνευθεί ακριβέστερα ο αντίστοιχος ξενόγλωσσος όρος (Optical Coherence Tomography), είναι μία τεχνική η οποία αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε αρχικά ως διαγνωστική μέθοδος στην ιατρική για την απεικόνιση βιολογικών ιστών. Την τελευταία δεκαετία το πεδίο εφαρμογής της επεκτάθηκε στη μελέτη αντικειμένων πολιτισμού – κυρίως ζωγραφικών έργων. Λαμβάνοντας υπόψη τα συγκριτικά πλεονεκτήματά της έναντι άλλων τεχνικών, τα οποία περιγράφονται στη συνέχεια του άρθρου, η Τομογραφία Οπτικής Συμφωνίας (Τ.Ο.Σ.) αποτελεί σήμερα ένα ισχυρό και πολλά υποσχόμενο εργαλείο στα χέρια επιστημόνων/συντηρητών. Σκοπός του άρθρου είναι η ανάδειξη της Τ.Ο.Σ. ως τεχνική μελέτης της πολιτιστικής κληρονομιάς. Μετά το παρόν εισαγωγικό Κεφάλαιο 1, ακολουθεί μία σύντομη περιγραφή της αρχής λειτουργίας της μεθόδου (Κεφάλαιο 2), ενώ έμφαση δίνεται στο Κεφάλαιο 3 όπου παρουσιάζονται κάποιες προκαταρκτικές σχετικές εφαρμογές της τεχνικής για τη μελέτη και συντήρηση εικόνων που πραγματοποιήθηκαν στα εργαστήριά μας. Παράλληλα στο ίδιο Κεφάλαιο 3 επιτελείται μία σύντομη ανασκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας. Το άρθρο ολοκληρώνεται με το Κεφάλαιο 4 όπου συνοψίζονται τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα και εφαρμογές της Τ.Ο.Σ. σε αντικείμενα πολιτισμού.

Η συντήρηση αντικειμένων της πολιτιστικής κληρονομιάς είναι στόχος που μπορεί να επιτευχθεί επιτυχώς με τη βοήθεια της επιστήμης, με τον τρόπο που αυτή εκφράζεται στις μέρες μας μέσω της αλματώδους ανάπτυξης της τεχνολογίας. Έτσι, ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των υλικών και η λεπτομερής καταγραφή της κατάστασης ενός αντικειμένου, μέσω συνήθως οπτικών μεθόδων, έχουν πλέον καθιερωθεί σαν τα απαραίτητα πρωταρχικά ή ενδιάμεσα στάδια στη συντήρηση ενός έργου τέχνης.

Είναι γνωστό ότι οι φυσικοχημικές μέθοδοι μελέτης της ύλης διαχωρίζονται σε μη-δειγματοληπτικές και μικρο-δειγματοληπτικές. Η εφαρμογή των τελευταίων προϋποθέτει προφανώς την εξαγωγή δειγμάτων από το υπό εξέταση αντικείμενο. Αυτό αποτελεί ένα σημαντικό μειονέκτημα στην περίπτωση που η εκάστοτε μέθοδος εφαρμόζεται σε αντικείμενο από το οποίο η εξαγωγή  δειγμάτων είναι εξαιρετικά ανεπιθύμητη, όπως είναι για παράδειγμα η περίπτωση των ζωγραφικών έργων. Ως εκ τούτου η ανάπτυξη μη-δειγματοληπτικών μεθόδων αποτελεί μία προτεραιότητα στη σύγχρονη επιστήμη της συντήρησης (Liang et al., 2005).

Η Τ.Ο.Σ. κατατάσσεται στην κατηγορία των μη-δειγματοληπτικών μεθόδων. Εφαρμόζεται δε σε ασφαλή απόσταση από το αντικείμενο, χωρίς αυτό να έρχεται σε  επαφή με το όργανο της Τ.Ο.Σ. που απεικονίζει ρεαλιστικά τα πρώτα διαδοχικά στρώματα ενός αντικειμένου τόσο ποιοτικά, όσο και ποσοτικά (για παράδειγμα, προσφέρει πληροφορίες για το πάχος του βερνικιού ενός ζωγραφικού έργου). Αντίστοιχες, παραδοσιακές τεχνικές που προσφέρουν σχετικά παρόμοιες πληροφορίες είναι η υπέρυθρη ανακλαστογραφία και η ακτινογραφία ακτίνων Χ, οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρύτατα από τους συντηρητές για τη μελέτη υποκείμενων στρωμάτων ζωγραφικών έργων, αόρατων με γυμνό μάτι. Η Τ.Ο.Σ. πλεονεκτεί έναντι αυτών καθώς προσφέρει τη δυνατότητα τρισδιάστατης απεικόνισης των στρωμάτων (Liang et al., 2005) στοιχείο που είναι εξαιρετικά σημαντικό. Για παράδειγμα οι παραδοσιακές τεχνικές (υπέρυθρη ανακλαστογραφία και ακτινογραφία ακτίνων Χ) αδυνατούν να προσφέρουν πληροφορίες αναφορικά με το πάχος του βερνικιού ενός ζωγραφικού έργου. Για να επιτευχθεί αυτή η μέτρηση απαιτείται η εξαγωγή δείγματος και η μέτρηση του πάχους του βερνικιού με μικροσκοπία. Αντίθετα με την Τ.Ο.Σ. η μέτρηση του πάχους του βερνικιού μπορεί να πραγματοποιηθεί απευθείας από τα δεδομένα που δίνει η μη-δειγματοληπτική τεχνική. Άλλες οπτικές, μη-δειγματοληπτικές τεχνικές όπως η μακροφωτογραφία και η μικροσκοπία προσφέρουν πληροφορίες που όμως περιορίζονται κατά κανόνα στη δομή της επιφάνειας ενός αντικειμένου και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη των ενδότερων στρωμάτων. Η τεχνική εκείνη που μπορεί να συγκριθεί με την Τ.Ο.Σ. σε σχέση με το είδος των αποτελεσμάτων που προσφέρει είναι αυτή των υπερήχων, αν και η χρήση αυτής σε αντικείμενα πολιτισμού είναι αρκετά περιορισμένη.

Σε συνδυασμό με την εξέλιξη των μικροεπεξεργαστών και των ηλεκτρονικών συστημάτων, η Τ.Ο.Σ. χαρακτηρίζεται από εξαιρετική ταχύτητα στη λήψη των εικόνων – δεδομένων καθώς και από ασφαλή και εύκολη εφαρμογή από το μέσο χρήστη (Targowski et al., 2006).

2. Αρχή λειτουργίας και είδη Τομογραφίας Οπτικής Συμφωνίας

Η λειτουργία της Τ.Ο.Σ. βασίζεται σε φαινόμενα συμβολής ακτίνων φωτός. Τέτοια φαινόμενα είναι δυνατόν να παρατηρηθούν σε μια τυπική συμβολομετρική διάταξη (σχήμα 1). Η ακτίνα υπέρυθρης ακτινοβολίας που παράγεται από την πηγή (Π), κατευθύνεται προς το διαχωριστή δέσμης (Δ.Δ.). Εκεί διαιρείται σε δύο “συγχρονισμένες”  και ίδιας έντασης ακτίνες. Η μια από αυτές κατευθύνεται σε ένα κάτοπτρο (Κ), όπου ανακλάται και επιστρέφει. Η δεύτερη δέσμη κατευθύνεται προς το υπό εξέταση αντικείμενο (Α). Εκεί υφίσταται ανάκλαση τόσο στην επιφάνεια του αντικειμένου αλλά, αναλόγως της διαφάνειάς του (ως προς την προσπίπτουσα υπέρυθρη ακτινοβολία), και στο εσωτερικό του. Οι δύο ακτίνες κατά την επιστροφή τους αλληλεπιδρούν και η πληροφορία συλλέγεται από τον φωτοανιχνευτή (Φ/Α).

Σχήμα 1: Τυπική διάταξη συμβολομετρίας. Η απεικόνιση του σχήματος περιορίζεται στο να αισθητοποιήσει τις φυσικές αρχές που διέπουν τα φαινόμενα και αποτελεί μια απλουστευμένη περιγραφή των πειραματικών διατάξεων που χρησιμοποιούνται στην πράξη.

Στην περίπτωση όπου οι οπτικές διαδρομές L₁ και L₂ έχουν μια συγκεκριμένη σχέση μεταξύ τους, ως προς το μήκος κύματος της ακτινοβολίας, στο σήμα που λαμβάνει ο Φ/Α εμφανίζονται κροσσοί συμβολής. Όταν, σε συνδυασμό με τα προηγούμενα, η θέση του κατόπτρου (Κ) μεταβάλλεται ελεγχόμενα (δηλ. μεταβάλλεται η απόσταση L₂) προκαλείται ραγδαία αυξομείωση στη φωτοαντίθεση μεταξύ φωτεινών και σκοτεινών κροσσών. Συγχρόνως, θεωρώντας ότι το εξεταζόμενο αντικείμενο (Α) αποτελείται από περισσότερες της μιας ανακλώσες επιφάνειες και σκεδάζουσες δομές, η σε βάθος σάρωση με τη βοήθεια του κινούμενου κατόπτρου (Κ) επιτρέπει τη λήψη ενός συνόλου σημάτων στον Φ/Α. Το σύνολο αυτό αντιστοιχεί στη σε βάθος (axial) συνεισφορά των διαφόρων στρωματικών επιπέδων κάτω από αυτό της επιφάνειας του αντικειμένου και ονομάζεται A-scan. Η επανάληψη της ίδιας διαδικασίας σε γειτονικές θέσεις/σημεία της επιφάνειας οδηγεί στη λήψη διαδοχικών A-scans. Το σύνολο των A-scans εμφανίζεται σαν μια δισδιάστατη (2-D) εικόνα στην οθόνη του Η/Υ, αποτελώντας στην ουσία το τομογράφημα και ονομάζεται B-scan (Targowski et al., 2006).

Τα τελευταία χρόνια και με το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας συνεχώς να αυξάνεται, έχουν αναπτυχθεί διάφορες παραλλαγές της Τ.Ο.Σ. Στη συνέχεια ακολουθεί μια περιληπτική περιγραφή για καθεμιά χωριστά, με παράλληλη αναφορά στα συγκριτικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που αυτές εμφανίζουν (Targowski et al., 2006).

Η πρώτη διάταξη Τ.Ο.Σ. έγινε γνωστή με το όνομα Time-domain OCT (TdOCT ) και χαρακτηρίζεται από την παλινδρομική κίνηση του κατόπτρου αναφοράς (Κ) στα όρια του επιθυμητού βάθους απεικόνισης και κατά τη διεύθυνση της προσπίπτουσας ακτίνας, κάτι που συγχρόνως επιτρέπει και την ελαχιστοποίηση του θορύβου στο τελικό σήμα που λαμβάνει ο ανιχνευτής (Φ/Α). Βασικά πλεονεκτήματα είναι η απλότητα στη σχεδίαση και λειτουργία της διάταξης, καθώς και το θεωρητικά απεριόριστο βάθος στην απεικόνιση. Στην πράξη όμως, και παρά την αδιάλειπτη εξέλιξη της τεχνολογίας, η ανάγκη για συνεχή κίνηση του κατόπτρου επηρεάζει αρνητικά την ταχύτητα λήψης των δεδομένων.

Σχεδόν μια διετία αργότερα αναπτύχθηκε το θεωρητικό υπόβαθρο για την εφαρμογή μιας παραλλαγής που ονομάστηκε Spectral domain OCT (SdOCT ). Στην περίπτωση αυτή η πηγή (Π) εκπέμπει φως σε μια ευρεία περιοχή συχνοτήτων και ο μονοχρωματικός φωτοανιχνευτής (Φ/Α) αντικαθίσταται από ένα ανιχνευτή συστοιχίας φωτοδιόδων. Συγχρόνως, το κάτοπτρο (Κ) παραμένει ακίνητο. Η απεικόνιση βασίζεται στη διαμόρφωση της συχνότητας – θέσης εμφάνισης των κροσσών συμβολής στον ανιχνευτή, κάτι που εξαρτάται άμεσα από τις επιφάνειες ανάκλασης και σκέδασης του αντικειμένου και μάλιστα με πολύ συγκεκριμένο τρόπο: επιφάνειες που βρίσκονται σε μεγαλύτερο βάθος προκαλούν εντονότερη διαμόρφωση της συχνότητας. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με τη δυνατότητα ταχύτατης λήψης και επεξεργασίας των δεδομένων μέσω Η/Υ, επιτρέπει την άμεση απεικόνιση της εσωτερικής δομής του αντικειμένου σε συγκεκριμένη θέση και στις δύο διαστάσεις (2-D). Συνακόλουθα, και εξαιτίας της στατικότητας του κατόπτρου (Κ), η τρισδιάστατη (3-D) απεικόνιση της συνολικής εσωτερικής δομής καθίσταται δυνατή σε ελάχιστο χρονικό διάστημα.

Μια πιο εξελιγμένη εκδοχή έκανε αισθητή την παρουσία της τα τελευταία χρόνια. Καθιερώθηκε με την ονομασία Swept Source OCT (SSOCT ). Εδώ η πηγή (swept source laser) παράγει μονοχρωματικό φως, σαρώνοντας μια αυστηρά περιορισμένη περιοχή μηκών κύματος (π.χ. ± 100nm ) γύρω από ένα κεντρικό μήκος κύματος (central wavelength) με ταχύτατο ρυθμό (~ 16kHz). Έτσι, επιτυγχάνονται εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες απεικόνισης, ανάλογες με αυτές της SdOCT. Ταυτόχρονα, εξαιτίας της περιορισμένης περιοχής μηκών κύματος στην SSOCT, είναι δυνατή η απεικόνιση σε μεγαλύτερα βάθη και μάλιστα με αυξημένη διακριτική ικανότητα.

Οι διατάξεις Τ.Ο.Σ. χαρακτηρίζονται από ένα σύνολο παραμέτρων ιδιαίτερα σημαντικών κατά την εφαρμογή τους στην απεικόνιση έργων τέχνης. Τέτοιες είναι: (α) η αξονική και πλευρική διακριτική ικανότητα (axial and transverse resolution), (β) το μέγιστο βάθος απεικόνισης (maximum imaging depth), (γ) το κεντρικό μήκος κύματος και η ένταση της πηγής (central wavelength and intensity of the probing light), (δ) η ευαισθησία (sensitivity) και (ε) η ταχύτητα λήψης δεδομένων (data acquisition time). Με βάση τις παραπάνω παραμέτρους, ο πίνακας 1 παρουσιάζει συνοπτικά τις παραλλαγές των διατάξεων Τ.Ο.Σ. που αναφέρθηκαν πιο πάνω με συγκριτικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα (Targowski and Iwanicka, 2012).

Οι αντίστοιχες τεχνικές προδιαγραφές του συστήματος SSOCT που υπάρχει στα εργαστήρια του Προγράμματος Διαχείρισης Εκκλησιαστικών Κειμηλίων της Ανώτατης Εκκλησιαστικής Ακαδημίας Θεσσαλονίκης παρουσιάζονται στον πίνακα 2 (Thorlabs GmbH, 2011).

Πίνακας 1: Τεχνικές Τομογραφίας Οπτικής Συμφωνίας ( OCT )

	Td-OCT	Sd-OCT	SS-OCT
Πλεονεκτήματα	απεριόριστο βάθος απεικόνισης	υψηλή ταχύτητα λήψης δεδομένων	υπερυψηλή ταχύτητα λήψης δεδομένων
	απλότητα στη σχεδίαση και λειτουργία	τρισδιάστατη ( 3-D ) απεικόνιση	τρισδιάστατη ( 3-D ) απεικόνιση
		υψηλή ευαισθησία	υψηλή ευαισθησία
			ρυθμιζόμενη διακριτική ικανότητα
			ρυθμιζόμενο βάθος απεικόνισης
Μειονεκτήματα	χαμηλή ταχύτητα λήψης δεδομένων	περιορισμένο βάθος απεικόνισης	διαθέσιμες πηγές με μ.κ. >1000nm
		κατοπτρικές αντανακλάσεις

Πίνακας 2: Κάποιες τεχνικές προδιαγραφές του συστήματος Thorlabs – OCS1300SS της Ανώτατης Εκκλησιαστικής Ακαδημίας Θεσσαλονίκης

Central Wavelength (nm)	1325	Maximum Imaging Depth  (mm)	3
Spectral Bandwidth (nm)	100	Transverse Resolution  (μm)	25
Average Output Power (mW)	10	Axial Resolution / water (μm)	9
Axial Scan Rate (kHz)	16	Imaging Speed (fps)	20
Coherence Length (mm)	6	Data Acquisition Time   (s)	~30

3. Παραδείγματα Εφαρμογών της Τομογραφίας Οπτικής Συμφωνίας

Όπως αναφέρθηκε στο εισαγωγικό Κεφάλαιο 1 η Τ.Ο.Σ., με τα καινοτόμα χαρακτηριστικά που τη συνοδεύουν, συναντά εφαρμογή σε ένα συνεχώς διευρυνόμενο επιστημονικό πεδίο, που περιλαμβάνει τη μελέτη και συντήρηση της πολιτιστικής κληρονομιάς. Με άξονα την κατά το δυνατόν αποτελεσματικότερη αξιοποίηση των πλεονεκτημάτων της Τ.Ο.Σ., την τελευταία δεκαετία έχουν δημοσιευθεί ιδιαίτερα αξιόλογες εργασίες, που αποκαλύπτουν τις δυνατότητες της τεχνικής στη μελέτη και συντήρηση  αντικειμένων πολιτισμού. Κάποιες από αυτές συνοψίζονται στη συνέχεια.

Έμφαση έχει δοθεί στη μελέτη των βερνικιών (Targowski et al., 2006). Για παράδειγμα, η Τ.Ο.Σ. έχει χρησιμοποιηθεί σχετικά εύκολα για τη μέτρηση του πάχους των βερνικιών, χωρίς βέβαια την ανάγκη εξαγωγής δείγματος. Στη μελέτη έχουν συμπεριληφθεί τόσο φυσικά όσο και τεχνητά βερνίκια που χρησιμοποιούνται στη συντήρηση (Targowski et al., 2006). Επίσης, έχει αποδειχθεί ότι η τεχνική μπορεί να εφαρμοστεί προκειμένου να γίνει διάκριση υπολειμμάτων του φυσικού βερνικιού από το υπερκείμενο τεχνητό βερνίκι που εφαρμόζεται κατά τη συντήρηση.

 Η πλέον ίσως συνήθης διαδικασία στη συντήρηση ενός ζωγραφικού έργου (πχ. εικόνα) είναι η αφαίρεση/καθαρισμού του παλαιού, γηρασμένου βερνικιού. Η Τ.Ο.Σ. μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέσο ελέγχου/παρακολούθησης της διαδικασίας καθαρισμού είτε αυτή γίνεται μηχανικά ή χημικά, δηλαδή με χρήση διαλυτών (Liang et al., 2008), είτε με λέιζερ (Góra et al., 2006b).

 Άλλη μια ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα εφαρμογή της τεχνικής Τ.Ο.Σ. είναι η αποκάλυψη και μελέτη προσχεδίων (underdrawings ) σε πίνακες ή εικόνες (Liang et al., 2005 & Adler et al., 2007). Η μελέτη των υποκείμενων σχεδίων σε ζωγραφικά έργα είναι ιδιαίτερα σημαντική καθώς προσφέρει σημαντικές πληροφορίες αναφορικά με την τεχνική του καλλιτέχνη ενώ πολλές φορές αποκαλύπτει σημαντικές πτυχές της εξέλιξης ενός έργου τέχνης.

Εκτός όμως από τα ζωγραφικά έργα, η Τ.Ο.Σ. έχει εφαρμοστεί με επιτυχία και σε άλλα αντικείμενα της πολιτιστικής κληρονομιάς. Για παράδειγμα έχει αναφερθεί η χρήση της τεχνικής για τη μελέτη της δομής και των ατελειών υαλωμάτων που καλύπτουν πορσελάνινα αντικείμενα (Yang et al., 2004; Targowski et al., 2004), καθώς και για τη μελέτη βαμμένων γυάλινων αντικειμένων (Liang et al., 2008). Η αξία της Τ.Ο.Σ. σε αυτή την περίπτωση έγκειται στο γεγονός ότι η δειγματοληψία σε αυτά τα αντικείμενα είναι επί της αρχής απαγορευτική. Επίσης, τα υλικά των αντικειμένων αυτών είναι διαφανή γεγονός που τα καθιστά ιδανικά για τη μελέτη τους με οπτικές μεθόδους.

Τέλος, αξίζει να σημειωθεί η εφαρμογή της Τ.Ο.Σ. στη μελέτη χειρογράφων, καθώς η μελάνη (iron gall ink) είναι διαφανής στην υπέρυθρη ακτινοβολία. Στη μεθοδολογία μελέτης των μελανιών καθώς επίσης και των διαβρώσεων που μπορεί να προκαλέσουν στο υπόστρωμα (πχ. περγαμηνή) που εφαρμόζονται, μπορεί να συμπεριληφθεί η Τ.Ο.Σ., οι τρισδιάστατες απεικονίσεις της οποίας προσφέρουν αποκαλυπτικές πληροφορίες (Góra et al., 2006a).

Σύμφωνα με τα παραπάνω η Τ.Ο.Σ. είναι  μία μη-δειγματοληπτική τεχνική, που δίνει τη δυνατότητα απεικόνισης της εσωτερικής δομής διαφανών -ως προς την υπέρυθρη ακτινοβολία- στρωμάτων, γεγονός που την καθιστά ιδιαίτερα ελκυστική για τη μελέτη ζωγραφικών έργων τέχνης. Απλά παραδείγματα εφαρμογής της μεθόδου για τη μελέτη και συντήρηση εικόνων που πραγματοποιήθηκαν από την ερευνητική μας ομάδα, παρατίθενται στη συνέχεια.

Στο σχήμα 2 παρουσιάζονται στιγμιότυπα της διαδικασίας λήψης δεδομένων με τη διάταξη (σχήμα 2α), όπου αποκαλύπτονται τα σημαντικά πλεονεκτήματα της μεθόδου που είναι μεταξύ των άλλων η ευκολία «στόχευσης» σε διαφορετικές περιοχές ενδιαφέροντος του αντικειμένου (σχήμα 2β) καθώς επίσης και η τρισδιάστατη στρωματογραφική ανάλυση που επιτυγχάνεται μη-δειγματοληπτικά (σχήμα 2γ).

Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται μία εικόνα η οποία μελετήθηκε στο πλαίσιο των εργασιών συντήρησης, που βρίσκονται σε εξέλιξη. Όπως φαίνεται στο σχήμα, το κάτω αριστερό μέρος της εικόνας έχει υποστεί καθαρισμό. Στο σχήμα επισημαίνονται τρεις περιοχές όπου επικεντρώθηκε το ενδιαφέρον μας. Σε αυτές περιλαμβάνεται και περιοχή όπου ο καθαρισμός βρίσκεται σε εξέλιξη (κάτω αριστερή περιοχή της εικόνας).

 Σχήμα 2: Στιγμιότυπα διαδικασίας λήψης δεδομένων με τη διάταξη Τ.Ο.Σ. στα εργαστήρια της Ανώτατης Εκκλησιαστικής Ακαδημίας Θεσσαλονίκης.

Σχήμα 3: «Αγ. Ευθύμιος και Αγ. Μαρίνα» (23,5×31,5cm). Επισημαίνονται τρεις περιοχές, που μελετώνται στη συνέχεια με Τ.Ο.Σ. (σχήμα 4).

Στο σχήμα 4, η αριστερή στήλη περιλαμβάνει φωτογραφίες των λεπτομερειών της εικόνας, που επισημαίνονται στο σχήμα 3. Η δεξιά στήλη του σχήματος 4 παρουσιάζει τα αντίστοιχα τομογραφήματα που ελήφθησαν με Τ.Ο.Σ. Σε κάθε φωτογραφία, της αριστερής στήλης, οι διακεκομμένες κόκκινες γραμμές υποδεικνύουν την ακριβή διεύθυνση λήψης των δεδομένων.

Σχήμα 4: Αριστερά: Λεπτομέρειες της εικόνας «Αγ. Ευθύμιος και Αγ. Μαρίνα». Σε κάθε φωτογραφία της αριστερής στήλης επισημαίνεται η διεύθυνση λήψης δεδομένων. Δεξιά: αποτελέσματα (τομογραφήματα) της Τ.Ο.Σ.

Τα τομογραγήματα που συλλέγονται με την Τ.Ο.Σ. παρουσιάζονται με χρήση ψευδοχρωμάτων (false colours) προκειμένου να είναι ευδιάκριτες οι πληροφορίες που παρέχουν  (Targowski and Iwanicka, 2012). Περιοχές που περιέχουν υλικά που δε δίνουν σήμα (πχ. υλικά απόλυτα διαφανή, υλικά που απορροφούν έντονα την προσπίπτουσα ακτινοβολία ή περιοχές που βρίσκονται πέρα από το εύρος διείσδυσης) παραμένουν σκοτεινές, ενώ αυτές, που ασθενώς ανακλούν ή σκεδάζουν την προσπίπτουσα ακτινοβολία, παρουσιάζονται με ψυχρά χρώματα (από μπλε έως πράσινο). Περιοχές που ανακλούν ή σκεδάζουν ισχυρά την προσπίπτουσα ακτινοβολία, παρουσιάζονται με θερμά χρώματα (από κίτρινο έως κόκκινο). Καθώς το φως (υπέρυθρη ακτινοβολία) προσπίπτει με καθοδική φορά προς το αντικείμενο, η πρώτη ισχυρή γραμμή ανάκλασης είναι το όριο (διεπιφάνεια) μεταξύ αέρα και βερνικιού (Kwiatkowska et al., 2008 & Targowski et al., 2006). Κάτω από αυτή εμφανίζεται ένα λεπτό, ιδιαίτερα διαφανές στρώμα (απεικονίζεται με μαύρο χρώμα), που αντιστοιχεί στο βερνίκι. Στη συνέχεια, και ανάλογα με τη διαφάνεια που παρουσιάζουν στην υπέρυθρη ακτινοβολία, απεικονίζονται τα διάφορα χρωματικά στρώματα. Σε κάθε περίπτωση και προκειμένου ο χρήστης να οδηγηθεί σε ασφαλέστερα συμπεράσματα, έχει τη δυνατότητα με τη βοήθεια λογισμικών απεικόνισης (imaging), να επεξεργαστεί και να μεταβάλλει τα επιμέρους χρώματα, τη φωτεινότητα και τη φωτοαντίθεσή τους.

Τα παραπάνω δεδομένα είναι εμφανή και στην περίπτωση των αποτελεσμάτων του σχήματος 4. Και τα τρία τομογραφήματα μαρτυρούν την παρουσία ενός λεπτού διαφανούς στρώματος στην επιφάνεια των εξεταζόμενων περιοχών, που αντιστοιχεί στο βερνίκι. Η εμφανής διαφορά στην απεικόνιση των ευθύγραμμων τμημάτων (γ.i) και (γ.ii) οφείλεται προφανώς στο γεγονός ότι από την επιφάνεια του πρώτου έχει πραγματοποιηθεί προηγουμένως αφαίρεση του βερνικιού (καθαρισμός). Στο σχήμα 4β η ρωγμή στην επιφάνεια του προσώπου της Αγ. Μαρίνας, πέρα από την ασυνέχεια που προκαλεί στο στρώμα του βερνικιού, φαίνεται να εκτείνεται σε ορισμένο βάθος στο εσωτερικό. Η οριζόντια, αλλά και η εις βάθος διάχυση αυτής της ατέλειας αποκαλύπτεται ευκρινέστερα στην τρισδιάστατη απεικόνιση της σχετικής περιοχής που φαίνεται στο σχήμα 5.

Σχήμα 5: Τρισδιάστατη (3-D)  απεικόνιση περιοχής από το πρόσωπο της Αγ. Μαρίνας (σχήμα 4β).

Είναι γνωστό ότι οι χρωστικές ουσίες διαφοροποιούνται ως προς τη συμπεριφορά τους στην υπέρυθρη ακτινοβολία. Έτσι ορισμένες εμφανίζονται περισσότερο ή λιγότερο διαφανείς από άλλες. Κατά συνέπεια η απεικόνιση των χρωματικών στρωμάτων με την Τ.Ο.Σ. παρουσιάζει διαβαθμίσεις. Για παράδειγμα στο τομοφράφημα του σχήματος 4α φαίνεται ότι  στην κόρη του ματιού του Αγ. Ευθυμίου (α.i) χρησιμοποιήθηκε χρωστική, αδιαφανής στο υπέρυθρο. Έτσι εξηγείται και η ευρεία σκιά που παρατηρείται απευθείας κάτω από το στρώμα του βερνικιού στο αντίστοιχο τομογράφημα (α.i). Η δεύτερη σκιά (α.ii), που εμφανίζεται λιγότερο έντονη και ακριβώς κάτω από το ανώτερο χρωματικό στρώμα, αντιστοιχεί κατά πάσα πιθανότητα σε προσχέδιο του αγιογράφου στην περιοχή του ματιού (τμήμα του βλεφάρου).

Τα παραπάνω συμπεράσματά ενισχύονται από τα διαδοχικά τομογραφήματα που παρουσιάζονται στο σχήμα 6 και ελήφθησαν με σάρωση περιοχής από το αριστερό μάτι του Αγ. Ευθυμίου (σχήμα 4α). H αριστερή στήλη περιλαμβάνει κατόψεις που ξεκινούν από το στρώμα του βερνικιού (σχήμα 6α) και εκτείνονται σε βάθος. Παρουσιάζονται δηλαδή διαδοχικές λήψεις καθώς εισχωρούμε εις βάθος με τελευταία αυτή του σχήματος 6ε. Η γαλάζια καμπύλη (i), αντιστοιχεί στην έντονα ανακλώσα επιφάνεια του βερνικιού, ενώ οι σκοτεινές περιοχές εκατέρωθεν αφορούν τον αέρα (δεξιά – ii) και το εσωτερικό του στρώματος του βερνικιού (αριστερά – iii ). Αυτό συμβαίνει επειδή όλη η περιοχή (6 x3 mm) σάρωσης δεν είναι ακριβώς κάθετη προς τη διεύθυνση της υπεριώδους ακτινοβολίας που προσπίπτει, αλλά το αντικείμενο εμφανίζει μία κλίση σε σχέση με την ιδανική οριζόντια θέση στην οποία πρέπει να βρίσκεται. Σύμφωνα με τα προηγούμενα, η κόρη του ματιού (iv) παραμένει εξαρχής σκοτεινή καθώς φέρει χρωστική που απορροφά ισχυρά στο υπέρυθρο– πιθανόν μαύρο του άνθρακα. Παρατηρείται επίσης πως καθώς οδηγούμαστε από την επιφάνεια προς το εσωτερικό της εικόνας (από το σχήμα 6α προς το σχήμα 6ε) στο τμήμα του βλεφάρου (v) αποκαλύπτεται σταδιακά το προσχέδιο του καλλιτέχνη.

Στη δεξιά στήλη του σχήματος 6 φαίνονται διαδοχικά αντίστοιχα τομογραφήματα. Η κόκκινη διακεκομμένη γραμμή υποδεικνύει τη σταθερότητα της θέσης του κέντρου της κόρης του ματιού, της οποίας η απεικόνιση, κατά τα άλλα, αλλάζει μέγεθος εξαιτίας του κυκλικού της σχήματος. Η κίτρινη διακεκομμένη γραμμή ακολουθεί εκείνο το τμήμα του βλεφάρου, που απεικονίζεται στο τομογράφημα.

Σχήμα 6: Απεικόνιση περιοχής από το αριστερό μάτι του Αγ. Ευθυμίου (σχήμα 4α). Αριστερά φαίνονται οι κατόψεις που ελήφθησαν διαδοχικά ξεκινώντας από την επιφάνεια του βερνικιού (α) και εστιάζοντας σε όλο και μεγαλύτερα βάθη. Δεξιά παρουσιάζονται οι τομές που ελήφθησαν διαδοχικά κατά μήκος μιας διεύθυνσης που περιλαμβάνει την κόρη και το βλέφαρο του ματιού που δηλώνονται ως (iv) και (v) αντίστοιχα.

4. Σύνοψη

Όπως παρουσιάστηκε στα παραπάνω η Τομογραφία Οπτικής Συμφωνίας (Τ.Ο.Σ.) μπορεί να προσφέρει χρήσιμες πληροφορίες αναφορικά με την κατάσταση ενός αντικειμένου, ιδιαίτερα για τα ζωγραφικά έργα τα οποία είναι πολυστρωματικά αντικείμενα. Όπως ακριβώς και στην ιατρική, που αποτελεί το φυσικό χώρο στον οποίο αναπτύχθηκε η τεχνική, έτσι και στη συντήρηση αντικειμένων πολιτισμού, η Τ.Ο.Σ. μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα διαγνωστικό όργανο με το οποίο μπορεί να γίνει καταγραφή των παθήσεων και αλλοιώσεων του αντικειμένου. Επίσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση και αξιολόγηση της διαδικασίας καθαρισμού ζωγραφικών έργων. Οι πληροφορίες που προσφέρει μπορούν ενίοτε να ποσοτικοποιηθούν, δίνοντας για παράδειγμα τιμές για το πάχος του βερνικιού. Τέλος, αξίζουν να σημειωθούν πιο εξελιγμένοι τρόποι χρήσης της Τ.Ο.Σ. όπως είναι η ταυτοποίηση κάποιων ανόργανων χρωστικών, αξιοποιώντας το διαφορετικό τρόπο αλληλεπίδρασης αυτών με την υπέρυθρη ακτινοβολία (Targowski and Iwanicka, 2012).

Σημαντικά πλεονεκτήματα της τεχνικής που την καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστική στη μελέτη και συντήρηση της πολιτιστικής κληρονομιάς είναι ότι η εφαρμογή της είναι αρκετά απλή και δεν απαιτεί εξαγωγή δείγματος από το υπό μελέτη αντικείμενο. Προσφέρει δε εντυπωσιακές τρισδιάστατες εικόνες, στοιχείο που είναι αρκετές φορές ιδιαίτερα χρήσιμο στην καταγραφή και κατανόηση μηχανισμών αλλοιώσεων.

Βιβλιογραφία

Adler,D.C., Stenger, J., Gorczynska,I., Lie, H., Hensick, T., Spronk, R., Wolohojian, S., Khandekar, N., Jiang, J.Y., Barry, S., Cable, A.E., Huber, R., Fujimoto, J.G., 2007. Comparison of three-dimensional optical coherence tomography and high resolution photography for art conservation studies. Optics Express 15(24), 15972–15986.

Góra, M., Pircher, M., Gotzinger, E., Bajraszewski, T., Strlic, M., Kolar, J., Hitzenberger, C.K., Targowski, P., 2006a. Optical Coherence Tomography for examination of parchment degradation. Laser Chemistry, Article ID 93658.

Góra, M., Targowski, P., Rycyk, A., Marczak, J., 2006b. Varnish ablation control by Optical Coherence Tomography. Laser Chemistry, Article ID 10647.

Kwiatkowska, E., Sylwestrzak, M., Rouba, B.J., Tymińska-Widmer, L., Iwanicka, M., Targowski, P., 2008. Optical Coherence Tomography for non-destructive investigations of structure of easel paintings. Proc. SPIE 7139, 713916.

Liang, H., Gomez Cid, M., Cucu, R.G., Dobre, G.M., Podoleanu A.Gh., Pedro, J., Saunders, D., 2005. En-face optical coherence tomography – a novel application of non-invasive imaging to art conservation. Optics Express 13 (16) 6133–6144.

Liang, H., Peric, B., Hughes, M., Podoleanu, A.G., Spring, M., Roehrs, S., 2008. Optical coherence tomography in archaeological and conservation science – a new emerging field. Proc. SPIE 7139, 713915 . doi:10.1117/12.819499. 1stCanterburyWorkshop on Optical Coherence Tomography and Adaptive Optics.

Targowski, P., Rouba, B., Wojtkowski, M., Kowalczyk, A., 2004. The Application of Optical Coherence Tomography to Non-Destructive Examination of Museum Objects. Studies in Conservation 49, 107–114.

Targowski, P., Góra, M., Wojtkowski, M., 2006. Review Article – Optical Coherence Tomography for artwork diagnostics. Laser Chemistry, Article ID 35373.

Targowski, P., Iwanicka, M., 2012. Optical Coherence Tomography: its role in the non-invasive structural examination and conservation of cultural heritage objects – a review. Applied Physics A 106, 265–277.

Thorlabs GmbH. Thorlabs OCS1300SS User Guide. Rev H, June 3, 2011. www.thorlabs.de

Yang, M.-L., Lu, C.-W., Hsu, I.-J., Yang, C.C., 2004. The use of Optical Coherence Tomography for monitoring the subsurface morphologies of archaic jades. Archaeometry 46(2), 171-182.

 ΠΗΓΗ: http://www.pemptousia.gr/