Time-domain imaging system in the terahertz range for immovable cultural heritage materials

In the field of cultural heritage science, the use of non‐destructive and contact‐free techniques has increased sharply over the past 10 years. Compared with conventional spectroscopic and imaging techniques such as X‐ray, ultraviolet, infrared, and laser spectroscopy, terahertz time‐domain imaging (THz‐TDI) is an innovative, non‐invasive, and safe technique, which provides good penetration depth (~1 cm) and broad spectral bandwidth (0.1–10 THz). This paper sets out the protocol and methodology for the application of THz‐TDI to immovable cultural heritage, illustrated by a series of case studies. The case studies demonstrate the efficacy of the technique in providing structural and material information for conservators

Cyclododecane as a contrast improving substance for the terahertz imaging of artworks

This paper presents measurements of the terahertz properties of the art conservation substance cyclododecane, demonstrating that it can act as a contrast improving agent in the terahertz imaging of concealed wall paintings. Results are presented which show that the terahertz optical properties of cyclododecane are dependent on the rate at which it has cooled from the melt. Based on the results, a theoretical explanation of the contrast enhancement mechanism is postulated. The findings presented here may lead to the development of novel coating materials that could improve the quality of terahertz images in a variety of fields and not just in art conservation

CHARACTERIZATION OF CRYSTALLINE PIGMENTS WITH LOW-FREQUENCY VIBRATIONAL SPECTROSCOPY AND SOLID-STATE DENSITY FUNCTIONAL THEORY

Although historical pigments are seldom found in the modern artist’s palette, their characterization is a critical aspect of designing effective conservation and restoration protocols, establishing provenance, and detecting forgeries. Ideal characterization methods are nondestructive, noninvasive, and able to distinguish between pure and mixed pigment samples. Spectroscopic techniques are commonly used to identify pigment composition because of their non-ionizing nature, rapid acquisition times, and safety. Unfortunately, the majority of these methods have difficulty distinguishing between pigments with similar chemical and physical properties. Recent advancements in instrument technology have increased the broader availability of terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) and low-frequency Raman spectroscopy (LFRS). In this work, the capabilities of THz-TDS and LFRS for identification and characterization of historic and modern pigments were evaluated. These experimental studies were supported with solid-state density functional theory (ss-DFT) simulations of the pigment structures and vibrations to gain insight into the molecular and intermolecular origins of the observed spectral features. These results demonstrate the powerful combination of low-frequency (≤ 200 cm-1) vibrational spectroscopic methods and computational techniques for the identification and characterization of pigments and establish the compelling abilities of THz-TDS and LFRS as new tools for characterization of pigment components in artworks and artifacts

Integrated System and Component Technologies for Fiber-Coupled MM-Wave/THz Systems

THz and mm-wave technology has become increasingly significant in a very diverse range of applications such as spectroscopy, imaging, and communication as a consequence of a plethora of significant advances in this field. However to achieve a mass production of THz systems, all the commercial aspects should be considered. The main concerns are attributed to the robustness, compactness, and a low cost device. In this regard, research efforts should be focused on the elimination of obstacles standing in the way of commercializing the THz technology. To this end, in this study, low cost fabrication technologies for various parts of mm-wave/THz systems are investigated and explored to realize compact, integrated, and rugged components. This task is divided into four phases. In the first phase, a robust fiber-based beam delivery configuration is deployed instead of the free beam optics which is essential to operate the low cost THz photomixers and photoconductive antennas. The compensation of different effects on propagation of the optical pulse along the optical fiber is achieved through all-fiber system to eliminate any bulky and unstable optical components from the system. THz measurements on fiber-coupled systems exhibit the same performance and even better compared to the free beam system. In the next phase, the generated THz wave is coupled to a rectangular dielectric waveguide through design of a novel transition with low insertion loss. The structure dimensions are reported for various range of frequencies up to 650GHz with insertion loss less than 1dB. The structure is fabricated through a standard recipe. In third phase, as consequence of the advent of high performance active device at mm-wave and THz frequency, a transition is proposed for coupling the electromagnetic wave to the active devices with CPW ports. Different approaches are devised for different frequencies as at higher frequencies any kind of metallic structure can introduce a considerable amount of loss to the system. The optimized structures show minimum insertion loss as low as 1dB and operate over 10% bandwidth. The various configurations are fabricated for lower frequencies to verify the transition performance. The last phase focuses on the design, optimization, fabrication and measurements of a new dielectric side-grating antenna for frequency scanning applications. The radiation mechanism is extensively studied using two different commercial full-wave solvers as well as the measured data from the fabricated samples. The optimized antenna achieves a radiation efficiency of 90% and a gain of 18dB. The measured return loss and radiation pattern show a good agreement with the simulation results

Terahertz‐Zeitbereichsspektroskopie – Perspektivische Methode der zerstörungsfreien Strukturanalyse für den Erhalt von Kunst‐ und Kulturgut

Exponierte Kulturgüter sind stetigen Umwelteinflüssen ausgesetzt, die zu irreversiblen Schädigungen bis hin zum Totalverlust vor allem von kunst- und kulturhistorisch wertvollen Oberflächen führen. Die Schadensbilder wie Schalenbildung, Hohlräume oder feine Rissbildung bei Wandmalereien oder Natursteinobjekten sind häufig optisch nicht sichtbar, sie liegen unter der Oberfläche. Mit Blick auf die Langzeiterhaltung von wertvollen originalen Oberflächen ist es daher wichtig, präventive Maßnahmen durch genaue Analyse des Materialgefüges festlegen zu können. Nur so können Objekte vor der irreversiblen Zerstörung in ihrer Gesamtheit bewahrt werden. Im Umgang mit wertvollen Kunst- und Kulturgütern soll dies auch nach Vorgaben der Denkmalpflege nichtinvasiv geschehen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Terahertz-Zeitbereichspektroskopie (THz-TDS) als zerstörungs- und berührungsfreies Analyseverfahre zur Überprüfung der Schadensbilder und Materialablösung an historisch relevantem Kunst- und Kulturgut erfolgreich umgesetzt. Erstmalig erforscht wurde die Einsetzbarkeit der THz-TDS sowohl als Verfahren zur bildgebenden Auflösung struktureller Entfestigungen im Tiefenbereich als auch als Monitoringverfahren bezüglich der Überprüfbarkeit von Restaurierungs- und Konservierungsmaßnahmen an Naturstein- und Wandmalereiobjekten. Bis dato gab es in der Restaurierungswissenschaft und -praxis für die untersuchten Materialablösungen und Überprüfung von Maßnahme keine berührungs- und/oder zerstörungsfreien technisch unaufwendigen Methoden mit hoher Ortsauflösung im Tiefenbereich. Durch die Nutzung der Terahertz-Zeitbereichspektroskopie konnte gezeigt werden, dass mit ihr anders als die in der Restaurierungspraxis eingesetzten Verfahren kleinste Ablösungen methodisch im Submillimeter-Bereich exakt zu detektieren, zu vermessen und bildgebend darzustellen sind. An allen untersuchten Materialien und Objekten, erstmalig sogar an Naturstein, glasiertem Terrakotta und Wandmalereien im Außenbereich, wurden die Analysen praxisorientiert umgesetzt. Neben den anvisierten praxisorientierten Messungen an Naturstein, glasierten Terrakotten, Wandmalereiobjekten und Holz wurden im Vorfeld Charakterisierungen der dielektrischen Parameter in der THz-Strahlung vorgenommen. Datenbanken, die Grundlagen für weitere Untersuchung in den jeweiligen Materialgruppen bilden, wurden zusammengefasst und stehen nun der Forschung zur Verfügung.Cultural heritage is constantly exposed to environmental influences that lead to irreversible damage or even total loss, especially of surfaces that are valuable in terms of art and cultural history. Damage such as peeling, cavities or fine cracks in wall paintings or natural stone objects are often not visually visible, they lie beneath the surface. With a view to the long-term preservation of valuable original surfaces, it is therefore important to be able to determine preventive measures through precise analysis of the material structure. Only in this way, objects can be saved from irreversible destruction in their entirety. When dealing with valuable art and cultural assets, this should also be done non-invasively according to the cultural heritage preservation. In the present work, terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) was successfully implemented as a non-destructive and non-contact analysis method for checking damage patterns and material detachment on historically relevant art and cultural property. For the first time, the applicability of THz-TDS was investigated both as a method for the imaging resolution of structural softening in the depth range and as a monitoring method with regard to the verifiability of restoration and conservation measures on natural stone and wall painting objects. Until now, there have been no contact-free and/or non-destructive, technically inexpensive methods with high spatial resolution in the depth range in restoration science and practice for the investigated material detachments and verification of measures. By using terahertz time-domain spectroscopy, it was possible to show that, in contrast to the methods used in restoration practice, it can be applied to precisely detect measure and image the smallest detachments in the sub-millimeter range. The analyses were carried out in a practice-oriented manner on all the materials and objects examined, for the first time even on natural stone, glazed terracotta and facade painting. In addition to the envisaged practice-oriented measurements on natural stone, glazed terracotta, facade painting objects and wood, characterizations of the dielectric parameters in the THz radiation were carried out in advance. Databases that form the basis for further investigation in the respective material groups were compiled and are now available for research

Entwicklung und Charakterisierung eines Roboter-basierten Terahertz-Zeitbereichsspektrometers für bildgebende Anwendungen auf dem Gebiet der Anthropologie und Kunstrestaurierung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Roboter-basiertes THz-System entwickelt, welches einen THz-Sensor relativ zu einer beliebig geformten Probe verfährt. THz-Messungen können in Transmission oder Reflexion ausgeführt werden. Häufig ist jedoch die Absorption einer Probe zu hoch, um sie vollständig zu durchdringen oder eine Transmissionsanordnung ist aus geometrischen Gründen nicht möglich. Das entwickelte System arbeitet daher mit einem THz-Sensor in Reflexionsgeometrie. Hierfür muss jedoch sichergestellt sein, dass der Sensor zu jeder Zeit senkrecht zur Probe steht und sich diese wiederum in der Fokusebene des Sensors befindet. Um das System möglichst individuell einsetzen zu können, gliedert sich das entwickelte Messverfahren in vier Schritte. In einem ersten Schritt wird die Oberfläche der zu vermessenden Probe mit einem Streifenprojektionsverfahren erfasst. Anhand dieses Oberflächenmodells wird der Verfahrweg für den Roboterarm so berechnet, dass der THz-Sensor an jedem Messpunkt senkrecht und in einem definierten Abstand zum Messpunkt steht. Um den Verfahrweg des Roboterarmes so effizient wie möglich zu gestalten, sollte dieser vorab simuliert werden. Während der Simulation der Messung erfolgt gleichzeitig eine Kollisionskontrolle, um die zerstörungsfreie Überprüfung wertvoller Objekte zu garantieren. Der simulierte Messpfad wird anschließend im letzten Schritt an eine THz-Messsoftware weitergereicht, sodass die Probe Punkt für Punkt untersucht werden kann. Bevor mit der tomographischen Untersuchung der eigentlichen Objekte begonnen werden kann, ist jedoch zunächst die Anlage einer Materialdatenbank sinnvoll. Kapitel 3 dieser Arbeit zeigt daher eine Übersicht über die dielektrischen Eigenschaften aller in den Gebieten der Anthropologie und Kunstrestaurierung relevanten Materialien. Es zeigt sich, dass im Falle der Einbalsamierungsmaterialien der historischen Menschenfunde, ein hohes Identifikationspotential anhand von THz-Messungen besteht. Um die mit dem Roboter-basierten System erfassten Daten tomographisch auszuwerten, steht ein spezieller Algorithmus zur Verfügung, der die THz-Pulse in den Daten automatisch detektiert und entsprechenden Schichten zuordnet. Das entwickelte System wird an verschiedenen Objekten, die beispielhaft für die Gebiete der Anthropologie und Kunstrestaurierung stehen, getestet. Im Bereich der historischen Menschenfunde erfolgt eine detaillierte Analyse einer menschlichen Mumienhand. Hierbei können anhand der THz-Messungen bis zu vier Schichten unterhalb der Haut rekonstruiert werden, die eine hohe Übereinstimmung mit Micro-CT-Aufnahmen zeigen. Der Vergleich der THz-Daten mit konventionellen CT-Aufnahmen zeigt hingegen, dass die Auflösung der THz-Messungen die des CTs deutlich übersteigt. Gegenüber dem Micro-CT-Scanner hat das THz-System zudem den Vorteil, dass auch größere Objekte untersucht werden können. Zudem besteht ein weiterer Vorteil in der Mobilität des Systems. Mobile Röntgengeräte weisen eine sehr schlechte Auflösung auf, sodass THz-Systeme in Zukunft eine sinnvolle Ergänzung bei der direkten Arbeit an Ausgrabungsstätten sein könnten. Außerdem sind hier die Anforderungen an den Arbeitsschutz deutlich geringer als bei Röntgengeräten. Auf dem Gebiet der Kunstrestaurierung wird das System an einer Holzskulptur (Putto) getestet. Diese Holzskulptur weist deutliche Schäden sowohl in der Holzstruktur als auch in den darüber liegenden Mal- und Grundierungsschichten auf. In einer ersten Vorabuntersuchung zeigt sich, dass oberflächennahe Schäden, wie sie beispielsweise durch den weit verbreiteten Borkenkäfer entstehen, sehr gut detektiert werden können. Auch der Schichtaufbau der Mal- und Grundierungsschichten an sich kann anhand der THz-Daten korrekt rekonstruiert werden

Compressed sensing on terahertz imaging

Most terahertz (THz) time-domain (pulsed) imaging experiments that have been performed by raster scanning the object relative to a focused THz beam require minutes or even hours to acquire a complete image. This slow image acquisition is a major limiting factor for real-time applications. Other systems using focal plane detector arrays can acquire images in real-time, but they are too expensive or are limited by low sensitivity in the THz range. More importantly, such systems cannot provide spectroscopic information of the sample. To develop faster and more efficient THz time-domain (pulsed) imaging systems, this research used random projection approach to reconstruct THz images from the synthetic and real-world THz data based on the concept of compressed/compressive sensing/sampling (CS). Compared with conventional THz time-domain (pulsed) imaging, no raster scanning of the object is required. The simulation results demonstrated that CS has great potential for real-time THz imaging systems because its use can dramatically reduce the number of measurements in such systems. We then implemented two different CS-THz systems based on the random projection method. One is a compressive THz time-domain (pulsed) spectroscopic imaging system using a set of independent optimized masks. A single-point THz detector, together with a set of 40 optimized two-dimensional binary masks, was used to measure the THz waveforms transmitted through a sample. THz time- and frequency-domain images of the sample comprising 20×20 pixels were subsequently reconstructed. This demonstrated that both the spatial distribution and the spectral characteristics of a sample can be obtained by this means. Compared with conventional THz time-domain (pulsed) imaging, ten times fewer THz spectra need to be taken. In order to further speed up the image acquisition and reconstruction process, another hardware implementation - a single rotating mask (i.e., the spinning disk) with random binary patterns - was utilized to spatially modulate a collimated THz. After propagating through the sample, the THz beam was measured using a single detector, and a THz image was subsequently reconstructed using the CS approach. This demonstrated that a 32×32 pixel image could be obtained from 160 to 240 measurements. This spinning disk configuration allows the use of an electric motor to rotate the spinning disk, thus enabling the experiment to be performed automatically and continuously. To the best of our knowledge, this is the first experimental implementation of a spinning disk configuration for high speed compressive image acquisition. A three-dimensional (3D) joint reconstruction approach was developed to reconstruct THz images from random/incomplete subsets of THz data. Such a random sampling method provides a fast THz imaging acquisition and also simplifies the current THz imaging hardware implementation. The core idea is extended in image inpainting to the case of 3D data. Our main objective is to exploit both spatial and spectral/temporal information for recovering the missing samples. It has been shown that this approach has superiority over the case where the spectral/temporal images are treated independently. We first proposed to learn a spatio-spectral/temporal dictionary from a subset of available training data. Using this dictionary, the THz images can then be jointly recovered from an incomplete set of observations. The simulation results using the measured THz image data confirm that this 3D joint reconstruction approach also provides a significant improvement over the existing THz imaging methods