Laboratoř optických metod

Lidé

Ing. Jaroslav Valach, Ph.D.
Hlavním odborným zájmem JV jsou optické a nedestruktivní experimentální metody pro dokumentaci a monitorování staveb a materiálů kulturního dědictví jak v laboratořích, tak in situ a propojování měřených veličin s počítačově podporovaným zpracováním dat. Tuto specializaci rozvíjí v rámci aktivní výzkumné činnosti a spolupráce na mnoha evropských i národních projektech. Výzkumnou činnost doplňuje i pedagogická činnost – přednášení a vedení studentských prací naFakultě dopravní Českého vysokého učení technického.
Mgr. Veronika Koudelková
Od roku 2012 pracuje jako operátorka skenovacího elektronového mikroskopu, kde zkoumá především složení a mikrostrukturu anorganických porézních stavebních materiálů. V roce 2014 nastoupila na doktorské studium na Fakultu Stavební ČVUT, ve kterém se věnuje výzkumu krystalizačních tlaků vodorozpustných solí.
Mgr. Riccardo Cacciotti
Benjamin Wolf
Se zabývá návrhem a výrobou speciálních elektronických zařízení včetně návrhu obvodového řešení a desek plošných spojů. Dále vytvářením softwaru pro komunikaci mezi PC a těmito zařízeními s možnostmi variabilního ukládání dat a řízení těchto zařízení pomocí grafického uživatelského rozhraní.
Ing. Jan Bryscejn
Hlavní specializací JB je vytváření knihoven, programů a aplikací pro počítačové zpracování obrazu a další výpočetně složité případy hromadného zpracování dat. Zabývá se také přístupem do GIS a programováním speciálních rozhraní k těmto systémům.

Předmět činnosti

Jak naznačuje název, Laboratoř optických metod a mikroskopie se zabývá studiem a dokumentací objektů různých měřítek (od mikroskopických objektů až po budovy a stavby) různými fyzikálními technikami. Většina používaných metod tedy převádí skryté či smysly nevnímatelné skutečnosti do podob obrazů. Proč jsou data v podobě obrazů důležitá? To proto, že lidé jsou vybaveni zrakem a schopnostmi vnímání vizuálních informací, ve kterých snadno nacházejí opakující se vzorce, odlišnosti, shody, které pomáhají při vyhodnocení obrazu a jeho smyslu. Kombinací technických prostředků a evoluční adaptace lze dosáhnout možnosti orientovat se ve světě skrytých dějů a jevů nepřístupných lidským smyslům – třeba proto, že se odehrávají na vlnových délkách, ke kterých oči nevnímají – prozařovací schopnosti rentgenova záření v radiografii, či vlastní teplotní záření těles v infračervené termografii, nebo mají extrémně malá měřítka – mikroskopie, nebo se odehrávají tak rychle, že je běžným způsobem nelze postřehnout a je nutné použít „časovou lupu“ vysokorychlostní kamery a podobně. Digitalizace obrazovných dat navíc umožňuje s obrazy nakládat jako s velkými maticemi čísel a kvantifikovat pozorované děje.

Výzkum a vybavení

Skenovací elektronová mikroskopie
V laboratoři skenovací elektronové mikroskopie se nachází naprašovačka Bal-Tec SCD 050 nutná pro pokrytí nevodivého povrchu vzorku tenkou vodivou vrstvou zlata nebo uhlíku nutnou pro pozorování v SEMu a mikroskop MIRA II LMU od brněnské firmy Tescan. Tento mikroskop je vybaven celkem čtyřmi detektory, vhodnými pro charakterizaci morfologie a chemického složení zkoumaného materiálu. Detektor sekundárních elektronů (SE) umožňuje zobrazit topografii zkoumaného objektu zatímco detektor zpětně odražených elektronů (BSE) umožňuje na vyleštěných nábrusech nebo výbrusech rozlišit přítomné fáze na základě citlivosti BS elektronů na atomové složení. Mimo tyto dva základní detektory je SEM vybaven ještě energiově disperzním spektrometrem (EDS), pomocí kterého lze kvalitativně i kvantitativně určit zastoupení jednotlivých zkoumaných fází a jejich chemické složení a katodoluminiscenčním detektorem vhodným pro studium vnitřní struktury vybraných geologických materiálů.
Mikroskop umožňuje pracovat v rozsahu urychlovacího napětí od 1 kV do 30 kV, nízká urychlovací napětí se hodí zejména na snímání povrchů s velkou citlivostí vůči elektronovému svazku. V SEMu je možno pozorovat pouze vzorky vysušené, neobsahující volnou vodu, neboť v komoře mikroskopu je dosahováno vysokého vakua.

V laboratoři SEM probíhá zejména charakterizace porézních stavebních materiálů, mezi které často patří především historické malty. Při rozboru leštěných nábrusů malt se většinou zaměřujeme na určení granulometrie a typu kameniva, porozitu, typ pojiva, jeho hydraulicitu a na pozorování různých texturních i strukturních charakteristik umožňujících popsat podmínky, které na maltu mohly působit v průběhu jejího uložení.

Karbonatace (nejsvětlejší oblast uprostřed vzorku) na povrchu starší malty, která byla později překryta vrstvou malty mladší	Rozpouštějící se zrno křemene (uprostřed), ze kterého se do okolního pojiva uvolňuje křemitý gel

Mikrografie demonstrující možnost snímat povrch vzorků při různých zvětšeních. Na mikrografii vlevo je znázorněna struktura mullitu při zvětšení 30000x, zatímco na mikrografii vpravo je znázorněn průřez maltou při zvětšení 45x

S pomocí EDS detektoru lze vytvářet barevné mapy umožňující zobrazit distribuci jednotlivých prvků

Mikrografie zobrazující zrno křemene pořízená katodoluminiscenčním detektorem

Mikrografie a prvková mapa lemu vzniklého reakcí mezi zrnem cihly a okolním vápenným pojivem

Laserová triangulační skenovací profilometrie
Zařízení umožňující záznam reliéfu povrchu. Je založeno na triangulačním principu, což je technicky provedeno tak, že fokusovaný laserový paprsek je promítán ze skenovací hlavy svisle na povrch objektu, kde vytvoří jasný bod. Tento jasný bod je optikou zařízení v šikmém směru snímám lineárním fotosnímačem tak, že existuje jednoznačná závislost mezi výškovou informací o povrchu (vzdáleností od měřící hlavy) a polohou obrazu jasného bodu na fotosnímači. Skenování je umožněno tím, že takto konfigurovaných snímačů je v řadě 1024. Hlava samotná je polohovatelná a motorově poháněná v rozsahu 30cm, přičemž prostorové rozlišení kroku začíná na 10 mikrometrech a rozsah výšek měřeného povrchu je cca 5cm s nejlepším rozlišením 10 mikrometrů. K zařízení byl v ÚTAM vytvořen uživatelský sw, který překládá data do matice výšek, dokáže "sešít" data ze dvou souběžných skenovaných pásů a také umí spojit skenovaný horní a dolní povrch do jednoho objektu.

Profilometr při skenování mince	3D digitální model mince

SfM tvorba digitálních 3D modelů objektů
V současné době se v rámci projektu NAKI2-022 pracuje na vývoji automatizovaného zařízení pro pořizování digitálních 3D modelů těles na základě metody SfM, neboli Structure from Motion, neboli Tvar z pohybu, což je v současné době bouřlivě se rozvíjející digitalizační metoda, která dokáže na základě zpracování řady fotografií téhož objektu pořízených z různých směrů a pohledů, tento objekt zrekonstruovat do prostorového 3D modelu. Podstatou zařízení je zajistit ideální světelné podmínky eliminující chyby rekonstrukce vyvolané vlivem nežádoucích odlesků, stínů a absencí textury na povrchu objektu. V těchto podmínkách potom proběhne automatizované sekvenciální snímání digitální zrcadlovkou.

Sestava pro SfM s deskou opatřenou náhodným barevným vzorem pro usnadnění algoritmu rekonstrukce a výsledek pro klínopisnou tabulku

Fotometrické stereo
V ÚTAM probíhá rozvoj digitalizace reliéfních povrchů pomocí metody fotometrické stereo. Jak název vypovídá, jedná se o metodu, která zjišťuje prostorový tvar tělesa na základě měření intenzity světla odraženého z jeho povrchu. Jak tedy metoda fotometrického sterea funguje? Předměty pohlcují, propouštějí a odrážejí dopadající světlo. V odraženém světle je přítomna informace o barevnosti jejich povrchu (která je určena různou odrazivostí pro různé barvy), ale také informace o tvarování, drsnosti a reliéfní členitosti povrchu. “Fotometrická” se nazývá proto, že stanovuje množství světla, které do záznamového zařízení, například fotoaparátu, z daného místa zkoumaného povrchu přichází. Pro záznam tvaru, ono “stereo” z názvu se uplatňuje základní pravidlo říkající, že při jinak stejných podmínkách se místo na povrchu jeví nejsvětlejší, míří-li jeho normála (kolmice k povrchu) ke zdroji světla. Ze známé polohy světla lze na základě zjištění, jak světlé se místo na povrchu tělesa jeví, určit jeho sklon napřed vůči tomuto dopadajícímu světlu a potom vůči obecné soustavě souřadnic. A ze znalosti normál bodů na povrchu lze dojít ke znalosti výškové členitosti povrchu. Pro tuto metodu je v současnosti vyvinuto již zařízení třetí generace, které bylo patentováno. Smyslem zařízení je automatizovat proces záznamu objektů v ideálních světelných podmínkách pro získání prostorových modelů povrchu s nejvyšším dostupným rozlišením.

Zařízení pro fotometrické stereo a digitalizovaná strana římské stříbrné mince

Fotoelasticimetrie
Fotoelasticimetrie je optická metoda umožňující studovat a přímo zviditelnit pole napětí uvnitř zatížených těles, která jsou vytvořena z dvojlomného materiálu. Takovým materiálem je například sklo nebo některé druhy pryskyřic a polymerů. Vloží-li se vzorek z těchto materiálů do optické soustavy zahrnující polarizační filtry, vytvoří se přítomností napětí obrazce, které závisí na rozdílu hlavních napětí. Polariskop, který je v ÚTAM k dispozici, přímo navazuje na úspěšný model tohoto zařízení, za které dostala ČR v roce 1957 na EXPu v Bruselu zlatou medaili. Tato metoda byla dříve velmi populární, ale byla postupně upozaďována s příchodem a rozvojem výpočetních metod, jako jsou konečné prvky. Nicméně i nyní si udržuje svou hodnotu díky mnoha okolnostem. Například umožňuje provádět jednoduché a zároveň elegantní demonstrace vnitřních napětí v elastických tělesech, dále se stále větším uplatněním konstrukčního skla ve stavebnictví nabývá otázka studia rozdělení napětí v těchto dílech vysoké důležitosti a určité znovuoživení zájmu o tuto metodu lze také očekávat v souvislosti s rozvojem záznamu rychlých dějů vysokorychlostními kamerami, což přinese možnost přímého pozorování napěťového pole před čelem rozšiřující se křehké trhliny.

Ověřování okrajových podmínek pro zařízení zkoumající pevnost materiálů v příčném tahu	Fotoelastický obrazec v tělese v kontaktu s rovinnými tuhými podporami

Měření reflektance
Nejen pro optické metody digitalizace těles je důležité znát reflektanci (odrazivost) povrchu. Reflektance vyjadřuje poměr mezi množstvím dopadajícího a odraženého světla. Její hodnota se může pro různé vlnové délky lišit - to pak má za důsledek konktrétní barvu a odstín povrchu, ale může být různá v různých směrech. Příkladem extrémních případů takové směrové závislosti je chování matného povrchu, jehož příkladem je třeba interiérová barva stěn, a chování zrcadlového povrchu kovu, který dopadající paprsek směruje jen do směru diktovaného zákonem odrazu. Většina povrchů je "něco mezi" těmito exktrémy a proměnu jejich odrazivosti v čase lze využít jako indikátor změny jejich mikrotopografie - neboť právě drsnost v oblasti délek viditelného záření je základem odrazivosti. Pro měření reflektance bylo vyvinuto zařízení, které zkoumá různé konfigurace úhlů dopadu světla na povrchu a úhlu, pod kterým je povrch pozorován. Výsledkem je úhlová mapa odrazivosti, kterou lze použít pro dokumentaci změny povrchu.

Pohled do skříňky reflektometru se skleněným vzorkem	Porovnání mapy reflektance pro matný a částečně lesklý povrch

Radiografie
Pro studium podpovrchových vlastností objektů jsou využívány metody radiografie. Je známo, že záření o krátkých vlnových délkách (například Roentgenovo) je schopno pronikat hluboko pod povrch či skrz objem tělesa, přičemž jeho míra zeslabení je úměrná tloušťce, kterou proniká, a materiálovému složení. Tím se otevírá možnost "vidět" jak dutiny a trhliny v tělesech, tak oblasti materiálových nehomogenit, například kovové výztuhy a podobně. Pomocí přenosného zařízení je tak možné nedestruktivně zkoumat vnitřní strukturu a složení mnoha objektů od trámových spojů po armatury v nohách soch.

Příklad využití radiografie při hledání armování v betonové soše kolouška

Termografie
Objekty, které pozorujeme v našem okolí, vidíme díky pasivně odraženému světlu z jejich povrchu. Mimo toto odražené světlo ale také vydávají tepelné záření, které je obvykle v oblasti elektomagnetického záření neviditelného naším zrakem - výjimkou je například záření povrchu Slunce, záření žhnoucího drátu v žárovce či rozžhaveného kusu kovu vytaženého z kovářské výhně. Tělesa na teplotách běžných v našich životních podmínkách vyzařují záření s maximem v oblasti vlnových délek jednotek mikrometrů, které jsou schopny zaznamenat termokamery. Snímací čip termokamery tedy efektivně funguje jako rozsáhlá matice teploměrů, které zaznamenávají rozložení teploty na povrchu zkoumaného objektu. Termokamera FLIR SC7600 nabízí dobré prostorové rozlišení snímače (640*480 pixel), ale také teplotní rozlišení na úrovni desetin mK a relativně vysokou záznamovou frekvenci (i stovky snímků za sekundu). Nehomogenity v teplotním poli pak naznačují nehomogenity v povrchové nebo podpovrchové vrstvě a mohou být využity k nedestruktivnímu studiu řady objektů i procesů. Tímto způsobem lze například zviditelnit vlhkost ve zdivu, omítku oddělenou ode zdi, či místo, ve vzorku kompozitního materiálu, kde při únavovém zatěžování vzniká největší teplo způsobené vnitřním třením a které prochází nejrychlejším poškozováním.

Jednoduchá sestava pro odhalení vnitřního poškození v uhlíkovém kompozitu pomocí odlišné teplotní vodivosti poškozených oblastí v pásovém vzorku. Vzorek byl položený na hladinu nádržky s horkou vodou, od níž byl oddělen tenkou fólií. Nárůst teploty ve vzorku sledovala termokamera. Místa poškození zůstávala nejdéle chladná

Rychloběžná kamera
Vysokorychlostní kamery umožňují studovat děje s časovou lupou - roztáhnout událost do delšího časového intervalu, ve kterém jsou lidské smysly schopné rozlišit sled jednotlivých událostí, ze kterých se děj skládá. Například pomocí vysokorychlostní kamery sledující pohyb Charpyho kladiva během rázové zkoušky lze detailně studovat proces porušování vzorku a získat tak o něm více informací. Kamera Flatron SA5, která je v ÚTAM k dispozici, dosahuje záznamových rychlostí 10 tisíc snímků za sekundu při rozlišení jeden megapixel, ale při redukovaném zorném poli je schopna záznamu i miliónu obrázků za sekundu. Jedno z inovativních využití vysokorychlostního záznamu je například studium smáčivosti povrchů materiálů, kdy podle dynamiky odrazu kapky od povrchu lze soudit na hydrofilnost nebo hydrofobnost povrchu.

Instrumentace Charpyho kladiva rychlo26nou kamerou

Ultrazvuk
Z neoptických metod pro studium materiálů a objektů lze zmínit měření rychlosti šíření ultrazvukové vlny materiálem. Ve spojení se známou hustotou zkoumaného materiálu lze odvodit hodnotu dynamického modulu pružnosti, která je zvláště u přírodních stavebních materiálů (dřeva a kamene) důležitým indikátorem soudržnosti a kvality. V současné době bylo zařízení od firmy Geotron vylepšeno připojením k počítači, což umožnilo nejen digitalizaci jednotlivých záznamů průběhů pulzů, ale také "instrumentaci" zařízení, dovolující provádění záznamů v určených časových intervalech po dlouhou dobu, což ve spojení s automatizovaným zpracováním záznamu umožňuje sledovat časové změny vlastností materiálů - například karbonataci, tuhnutí složek, změny v důsledku nárůstu vlhkosti a podobně.

Ultrazvuková souprava se sondami, které měří rychlost průchodu vlny ve volitelných hloubkách a tím umožňují studovat změnu vlastností materiálu v hloubce

Projekty

Probíhající
NAKI2-022 Analýza, popis a archivace souborných informací o vlastnostech předmětů kulturního dědictví a využití těchto informací v restaurátorské, konzervátorské a badatelské praxi
Cílem projektu je navržení a vytvoření zařízení a systémů pro dokumentaci a analýzu sbírkových předmětů založené na využití počítačově podporovaných zobrazovacích a dokumentačních metod a praktická demonstrace jejich funkčnosti na digitalizaci tématických skupin předmětů kulturního dědictví. Vytvořené digitální modely sbírkových předmětů budou formou záznamu v databázi doplněny o údaje a poznatky, získané nedestruktivními metodami analýzy (např. informace o vnitřní struktuře, topografii a vzhledu vnějšího povrchu a jeho prvkovém složení), které budou anotovány metaiformacemi. Takto cíleně sdružené informace umožní nejen průběžné monitorování povrchové degradace či zjištění případných vnitřních defektů, ale spolu s dalšími údaji i nové poznatky o vzniku objektu nebo o předchozích konzervátorských či restaurátorských zásazích. Informace obsahového charakteru budou získávány formou analýz běžných v humanitních vědách (historická, archeologická, lingvistická, paleografická aj.). Navrhovaný ryze interdisciplinární projekt vytváří specializovaná zařízení a využívá nástroje sémantické, vizuální, prostorové a kompoziční dokumentace sbírkových předmětů k získání maxima informací využitelných v restaurátorské, konzervátorské a v neposlední řadě i badatelské praxi.
GAČR P105/12/G059 Kumulativní časově závislé procesy ve stavebních materiálech a konstrukcích
Projekt se zabývá hodnocením dlouhodobého monitorování vlivů prostředí na vybrané materiály a konstrukce, důsledky pronikání vlhkosti a solí do porézních materiálů, problémy únavy způsobené klimatickým zatížením a metodikou hodnocení materiálů a konstrukcí z hlediska spolehlivosti rizik.
Skončené
NAKI001 Diagnostika poškozování a životnosti objektů kulturního dědictví
Cílem projektu je vývoj nových přístrojů a sovisejících nedestruktivních a šetrně destruktivních metod diagnostiky historických povrchů a ověření jejich aplikace při průzkumech stavu historických materiálů a konstrukcí i při kontrole kvality a efektivnosti provedených restaurátorských a konzervačních prací.
NAKI002 Poruchy nemovitých památek: znalostní systém pro analýzu, návrh intervencí a prevenci
Cílem projektu je vybudovat znalostní systém pro dokumentaci a analýzu poruch objektů kulturního dědictví, s jehož pomocí bude možné porozumět příčinným vazbám mezi poruchou, vnějším zatížením, materiály a technologiemi stavební památky. Na základě podobnosti stavební konstrukce, použitých technologií a charakteru působících vnějších vlivů umožní vyvinutý softwarový systém indikovat nejpravděpodobnější rizika vzniku nebo dalšího rozvoje poruchy, poskytne možnost srovnání řešené situace s podobnými zadokumentovanými případy a doporučí optimální stavebně-technickou intervenci. Systém poskytne nástroje pro památkáře, správce a majitele historických objektů pro dokumentaci poruch na jejich objektech. Moderní metody umělé inteligence současně zpřístupní uživatelům znalost akumulovanou v korpusu řešených případů poruch a umožní jim tak získat přehled o relevantních technikách preventivních zásahů a rekonstrukcí na základě podobnosti s jeho případem.
NAKI017 Technologie údržby a konzervace mozaiky Posledního soudu a metody restaurování-konzervování středověkého a archeologického skla.
Hlavním cílem projektu je vypracování technologie údržby a konzervace mozaiky Posledního soudu a její zobecnění. Dílčími cíly projektu jsou monitorování ochranných vrstev mozaiky; materiálový průzkum: hledání vhodných materiálů a technologií pro ochranu středověkého skla (mozaiky, vitráží a archeologického skla) a technologie aplikace ochranných nátěrů a ověření jejich stability.
NAKI027 Jednotný modulární systém dálkového on-line sledování environmentálních charakteristik depozitářů a expozic
Předkládaný návrh projektu je zaměřen na vývoj integrovaného a současně modulárního systému dálkového monitorování předmětů kulturního dědictví prostřednictvím on-line záznamu a zpracování environmentálních charakteristik depozitářů a expozic situovaných v památkových objektech, muzeích, galeriích, archivech nebo knihovnách. Jádrem projektu je vytvoření hardwarové platformy a unifikované datové struktury, jejichž spojení umožní centrální zpracování telemetrických údajů s kontinuálním sledováním normality parametrů, dále doplněné vývojem specializovaných senzorů. Obecným cílem projektu je zvýšení ochrany předmětů kulturního dědictví před působením negativních faktorů, jako např. nevhodnými klimatickými parametry prostředí, přítomností těkavých organických látek (VOC) nebo biologickými škůdci.