基于飞秒激光技术的古字画防破损和修复系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于飞秒激光技术的古字画防破损和修复系统和方法，包括：工作台、玻璃基板、CCD相机、飞秒光纤激光器、实时监控系统和控制中心，CCD相机、飞秒光纤激光器、实时监控系统均与控制中心信号连接，控制中心分别通过第一轴升和第二轴升控制玻璃基板和飞秒光纤激光器移动CCD相机结合飞秒光纤激光器获得古字画缺陷位置数据；实时监控系统用来获得古字画颜料层的形貌特征。本发明解决了传统古字修复工艺中修复精度不高、过程繁琐和易毁坏古字画等问题，可实现更精确的定位修补，提高清理效率，确保古字画的完整性；并可对古字画进行实时监控，预防其开裂等损坏。

权利要求

1.基于飞秒激光技术的古字画防破损和修复系统，其特征是，包括：用来放置古字画的工作台、玻璃基板、CCD相机、飞秒光纤激光器、实时监控系统和控制中心，CCD相机、飞秒光纤激光器、实时监控系统均与控制中心信号连接，控制中心分别通过第一轴升和第二轴升控制玻璃基板和飞秒光纤激光器移动；

玻璃基板位于工作台上方，其下表面设有格槽，飞秒光纤激光器探头位于玻璃基板上方；CCD相机结合飞秒光纤激光器获得古字画缺陷位置数据，所述的缺陷包括凹陷、凸起和开裂；实时监控系统用来获得古字画颜料层的形貌特征；

所述的实时监控系统包括红外摄像仪、质谱仪、X射线衍射仪和太赫兹光谱成像中的一种或多种。

2.如权利要求1所述的基于飞秒激光技术的古字画防破损和修复系统，其特征是：还包括用来将古字画固定于工作台上的固定件。

3.如权利要求1所述的基于飞秒激光技术的古字画防破损和修复系统，其特征是：玻璃基板下表面和置于工作台上古字画距离5mm～50mm，玻璃基板上表面距离飞秒光纤激光器探头5mm～10mm。

4.如权利要求1所述的基于飞秒激光技术的古字画防破损和修复系统，其特征是：所述的格槽为正方形格槽，面积为10mm×10mm至20mm×20mm。

5.基于飞秒激光技术的古字画防破损和修复方法，其特征是，包括步骤：将古字画固定于工作台上，实时监控系统扫描古字画颜料层；

结合CCD相机和飞秒光纤激光器测定古字画缺陷位置数据，所述的缺陷为凹陷或开裂；

将测定颜料置于玻璃基板格槽内，该格槽即待填充缺陷的对应格槽，测定颜料即与待填充缺陷处颜色相同的颜料，由实时监控系统获得；

控制系统根据缺陷位置数据，通过第一轴升和第二轴升控制玻璃基板和飞秒光纤激光器移动，使得待填充缺陷的对应格槽与待填充缺陷对准、飞秒光纤激光器探头与该对应格槽对准；

飞秒光纤激光器提供飞秒激光聚焦于玻璃基板上对应格槽，产生颜料滴滴入缺陷。

6.基于飞秒激光技术的古字画防破损和修复方法，其特征是，包括步骤：将古字画固定于工作台上，实时监控系统扫描古字画颜料层；

结合CCD相机和飞秒光纤激光器测定古字画缺陷位置数据，所述的缺陷为凸起；

控制系统根据缺陷位置数据，通过第二轴升控制飞秒光纤激光器移动，使得飞秒光纤激光器探头对准凸起；

飞秒光纤激光器提供飞秒激光聚焦于凸起，去除凸起。

说明书

基于飞秒激光技术的古字画防破损和修复系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及古字画的保护技术领域，具体涉及一种基于飞秒激光技术的古字画防破损和修复系统和方法。

背景技术

[0002] 古字画历久会出现不同程度无法预知的毁坏。目前古字画修复行业人才稀缺，修复主要包括：凝洗、揭裱、上命纸和全色，这几个环节相辅相成，任何一项出问题，都会影响到原作品的价值。传统修复对艺术品的损伤和肉眼难以修复的情况普遍，因此，亟需更有效更高精度的古字画修复方法。

[0003] 增材修补制造技术是一种运用粉末状材料通过选择性激光烧结或熔化逐层堆积出制造产品的增材制造方法。相对传统制造技术而言，它可以轻松地制造出传统技术难以生产的复杂、高难度的产品。但是，目前的增材制造表面往往显现出强度不高、吹粉及表面粗糙高等缺点，需要进行除渣等处理。当前的增材修补过程中仅有利用视觉监控来控制尺寸，没有微观结构及成分的实时监控功能，我们无从知道其微观结构，也就不能对其机械性能进行更好地控制。

[0004] 近些年，飞秒激光(10-15秒)由于热影响小，加工精度高，因而在精密加工领域备受关注。飞秒激光在每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内，避免了热扩散的存在，在根本上消除了类似于长脉冲加工过程中的熔融区，热影响区，冲击波等多种效应对周围材料造成的影响和热损伤，将加工过程所涉及的空间范围大大缩小，从而提高了准确程度，其光束直径可以聚焦到1μm以内，其精度可达100nm，最高可以达到0.1nm。

发明内容

[0005] 针对古字画修复工艺中存在的修复精度不高、过程繁琐和易毁坏古字画等缺陷，本发明提出了一种基于飞秒激光技术的古字画防破损和修复系统和方法。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

[0007] 一、基于飞秒激光技术的古字画防破损和修复系统，包括：

[0008] 用来放置古字画的工作台、玻璃基板、CCD相机、飞秒光纤激光器、实时监控系统和控制中心，CCD相机、飞秒光纤激光器、实时监控系统均与控制中心信号连接，控制中心分别通过第一轴升和第二轴升控制玻璃基板和飞秒光纤激光器移动；

[0009] 玻璃基板位于工作台上方，其下表面设有格槽，飞秒光纤激光器探头位于玻璃基板上方；CCD相机结合飞秒光纤激光器获得古字画缺陷位置数据，所述的缺陷包括凹陷、凸起和开裂；实时监控系统用来获得古字画颜料层的形貌特征。

[0010] 本发明系统还包括用来将古字画固定于工作台上的固定件。

[0011] 本发明系统中，玻璃基板下表面和置于工作台上古字画距离5mm～50mm，玻璃基板上表面距离飞秒光纤激光器探头5mm～10mm。

[0012] 上述格槽为正方形格槽，面积为10mm*10mm至20mm*20mm。

[0013] 上述实时监控系统包括红外摄像仪、质谱仪、X射线衍射仪和太赫兹光谱成像中的一种或多种，根据实际需求进行选择。

[0014] 二、一种基于飞秒激光技术的古字画防破损和修复方法，包括步骤：

[0015] 将古字画固定于工作台上，实时监控系统扫描古字画颜料层；

[0016] 结合CCD相机和飞秒光纤激光器测定古字画缺陷位置数据，所述的缺陷为凹陷或开裂；

[0017] 将测定颜料置于玻璃基板格槽内，该格槽即待填充缺陷的对应格槽，测定颜料即与待填充缺陷处颜色相同的颜料，由实时监控系统获得；

[0018] 控制系统根据缺陷位置数据，通过第一轴升和第二轴升控制玻璃基板和飞秒光纤激光器移动，使得待填充缺陷的对应格槽与待填充缺陷对准、飞秒光纤激光器探头与该对应格槽对准；

[0019] 飞秒光纤激光器提供飞秒激光聚焦于玻璃基板上对应格槽，产生颜料滴滴入缺陷。

[0020] 另一种基于飞秒激光技术的古字画防破损和修复方法，包括步骤：

[0021] 将古字画固定于工作台上，实时监控系统扫描古字画颜料层；

[0022] 结合CCD相机和飞秒光纤激光器测定古字画缺陷位置数据，所述的缺陷为凸起；

[0023] 控制系统根据缺陷位置数据，通过第二轴升控制飞秒光纤激光器移动，使得飞秒光纤激光器探头对准凸起；

[0024] 飞秒光纤激光器提供飞秒激光聚焦于凸起，去除凸起。产生颜料滴滴入缺陷。

[0025] 基于飞秒激光的材料去除机理包括以下三种：1)基于高温等离子体的融化；2)基于气化；3)库仑电荷爆炸机理；因此，飞秒激光可做增材制造也可做减材制造。特别对于古字画的修补，飞秒激光技术具有非凡的优越性，其可以把特定颜色的颜料按要求滴下来填补古字画缺陷，也可以去掉古字画不该有的部分，甚至可用于古字画的保养洁洗。

[0026] 本发明采用实时监控系统扫描古字画颜料层，以获得颜料层的表面形貌、颜料颜色、缺陷特征、缺陷尺寸；结合CCD相机和飞秒光纤激光器测定古字画缺陷，获得缺陷位置数据；然后使用飞秒光纤激光器提供的飞秒激光对缺陷进行精细加工调整。实时监控系统拥有多种宏观和微观检测手段，如红外摄像仪、质谱仪、X射线衍射仪、太赫兹光谱成像等，选择时根据不同检测手段的分辨率和监测尺寸进行组合，具体采用哪种检测手段组合取决于古字画修复所需精度。

[0027] 和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

[0028] 本发明解决了传统古字修复工艺中修复精度不高、过程繁琐和易毁坏古字画等问题，可实现更精确的定位修补，提高清理效率，确保古字画的完整性；并可对古字画进行实时监控，预防其开裂等损坏。

附图说明

[0029] 为了更清楚地说明本发明，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅为本发明实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0030] 图1为本发明修复方法示意图，图中，101-工作台，102-凹陷，103-古字画，104-古字画颜料层，105-测定颜料，106-玻璃基板，107-飞秒光纤激光器，108-颜料滴，109-凸起，110-固定件，；

[0031] 图2为本发明古字画防破损方法示意图，其中，201-工作台，202-开裂，203-古字画，204-古字画颜料层，205-实时监控系统，206-固定件；

[0032] 图3为本发明古字画修复方法流程图。

具体实施方式

[0033] 图1为本发明修复方法示意图，固定件(110)用来将古字画(103)固定于工作台(101)上；实时监控系统用来获得古字画颜料层(103)形貌特征，包括古字画颜料层(103)所采用颜料的颜色。结合CCD相机和飞秒光纤激光器(107)测定古字画颜料层(104)上缺陷，获得缺陷位置数据，这里缺陷包括凹陷(102)和凸起(109)。

[0034] 若缺陷为凹陷(102)，则将测定颜料(105)置于位于工作台(101)上方的玻璃基板(106)下表面，测定颜料(105)即与凹陷(102)处颜色相同的颜料，可由实时监控系统获得。玻璃基板(106)下表面设有若干格槽，测定颜料(105)置于格槽内，该格槽即待填充凹陷的对应格槽。控制中心根据缺陷位置数据，通过第一轴升控制对应格槽与待填充凹陷(102)对准，然后通过第二轴升控制飞秒光纤激光器(107)探头与该对应格槽对准，飞秒光纤激光器(107)提供飞秒激光聚焦于该对应格槽，因汽化现象产生的高速气压波，打出颜料滴(108)滴入凹陷(102)内，从而填补凹陷(102)。

[0035] 本具体实施中，玻璃基板(106)下表面设有24个格槽，格槽面积根据待修复区域面积确定，一般可设为10mm*10mm至20mm*20mm；玻璃基板(106)下表面和古字画(103)距离5mm～50mm，飞秒光纤激光器(107)探头与玻璃基板(106)上表面距离5mm～10mm。

[0036] 若凹陷(102)为凸起(109)，飞秒光纤激光器(107)根据凸起(109)位置数据，提供飞秒激光聚焦于凸起(109)，从而去除凸起(109)。通过上述填充凹陷(102和去除凸起(109)，从而实现古字画的高精度修复。

[0037] 图2为本发明防破损方法示意图，采用固定件(206)将古字画(203)固定于工作台(201)上，实时监控系统(205)扫描古字画颜料层(204)是否存在开裂(202)，若存在开裂(202)，立即对古字画(203)开裂处进行修复，修复方法同凹陷的修复。

[0038] 见图3，本发明古字画修复流程具体为：

[0039] (1)古字画置于工作台上，采用固定件固定，确保古字画表面平整。

[0040] (2)采用实时监控系统预扫描古字画颜料层。

[0041] (3)结合CCD相机和飞秒光纤激光器测定古字画颜料层缺陷，所述的缺陷包括凹陷、凸起和开裂。

[0042] (4)将测定颜料置于于玻璃基板下表面格槽内，将格槽与凹陷或开裂对准，将飞秒光纤激光器探头与该格槽对准。

[0043] (5)光纤飞秒激光器提供飞秒激光聚焦格槽，获得颜料滴并滴至凹陷或开裂处。

[0044] (6)光纤飞秒激光器提供飞秒激光聚焦凸起处，去除凸起。

[0045] (7)使用实时监控系统检测古字画是否达到所需修复精度，若达到，结束；否则，重复步骤(1)～(6)，直至古字画达到所需修复精度。

[0046] 同时，实时监控系统可对古字画进行长期监控和检测分析，并反馈给控制中心，若有开裂即时启动上述修复流程。