Hyperspectral imaging for the study of complex artworks at multiple spatial scales

The thesis aims at describing the physics and optics principles behind hyperspectral imaging (HSI), for its practical application in a lab experience within the framework of conservation science. Light behavior is discussed in the various steps of the hyperspectral imaging process: from the microscopic phenomena producing the light to be detected, to the acquisition system that allows the detection of the hyperspectral signal. The central part of this study is the design, implementation and application of a novel optical configuration that allows one to perform hyperspectral imaging measurements in a so-called macro configuration, i.e. for the analysis of a field of view of tenths of millimiters in lateral size. First of all, the context of the discipline will be described: it is important to understand the state-of-the-art and the actual applications of hyperspectral imaging. Another crucial preliminary knowledge is the phenomenology behind diffuse reflection and fluorescence from a material upon specific illumination: these are indeed the phenomena producing the light that will be measured. Still in the first chapter, we will introduce the various techniques for the implementation of hyperspectral imaging: snapshot, spectral scanning and spatial scanning are described, explaining their advantages/disadvantages and the reasons why we have chosen another approach, based on Fourier Transform. Fourier Transform techniques for HSI rely on light interference to create interferograms, from which the light spectrum can be obtained. The second chapter is dedicated to the description of the adopted system for the collection of the hyperspectral signal. The main character is a birefringent interferometer (TWINS - Translating-Wedge-based Identical pulses eNcoding System), coupled with a lens for light collection and a sensor for the formation of the image: in this basic configuration, the system produces wide-field images of the object. As we want to perform HSI at multiple spatial scales, in order to get close-up images and inspect more specific areas of the object I designed and implemented a new optical system to achieve higher optical magnification, a configuration that we refer to as macro configuration. The macro optical system is actually implemented through the addition of a second lens in front of the already existing optical system, giving rise to a setup with high flexibility that allows one to easily switch from the wide-field to the macro configuration. The optical working principles of the system (in any of its parts) are treated, with both theoretical concepts and software simulations (computed on Zemax OpticStudio, Ansys©). The illumination techniques for reflectance and fluorescence measurements deserve an own chapter. Indeed, it is very important that the illumination light respects the requirements to nicely give rise to the phenomena of diffuse reflection and fluorescence by providing a uniform illumination of the sample under analysis and proper spectral power distribution; the reasonings leading to the best choice and its practical implementation are described. In the end, we will exploit the described set up and techniques to make measurements about two sets of samples belonging to different categories of the cultural heritage world, the first characterized by a carbonate substrate (like marble sculptures), the second by a paper substrate. For the first set of samples, the aim is to evaluate the effects of bacterial biofilms applied on the sculptures, either as protective treatment or damaging element. For the second set of samples, we perform an analysis supporting the identification of the pigments composing a painting of an ancient genealogical tree. The hyperspectral images of these samples are useful for evaluating the spectral properties of different areas of the samples; they also constitute an important starting point for analyses performed with different techniques.

La tesi tratta della discussione dei principi fisici e ottici alla base dell’imaging iperspettrale, per poi applicare questa tecnica in un’esperienza di laboratorio nel campo delle scienze conservative. Il punto centrale intorno a cui ruota l’intero lavoro è il comportamento della luce nelle varie fasi del processo di imaging iperspettrale, a partire dai fenomeni microscopici che producono la luce da rilevare, fino al sistema d’acquisizione che porta all’effettiva misura del segnale iperspettrale. Innanzitutto, verrà presentato il panorama attuale dell’argomento: è importante conoscere lo stato dell’arte e le applicazioni pratiche dell’imaging iperspettrale. Un’altra fondamentale conoscenza preliminare è la natura dei fenomeni di riflessione diffusa e fluorescenza da un materiale illuminato in un certo modo: essi sono infatti i processi di produzione della luce che andremo a rilevare. Sempre nel primo capitolo, verranno introdotte le varie tecniche per l’implementazione dell’imaging iperspettrale: saranno descritti snapshot, spectral scanning e spatial scanning, spiegandone vantaggi e svantaggi e i motivi che ci hanno portato a optare per un altro tipo di approccio, basato sulla trasformata di Fourier. Queste tecniche fanno affidamento su fenomeni di interferenza della luce per creare un interferogramma, da cui poi si può ricavare lo spettro luminoso. Il secondo capitolo è dedicato alla descrizione del sistema adottato per il raccoglimento del segnale iperspettrale. L’elemento chiave è un interferometro a birifrangenza (TWINS - Translating-Wedge-based Identical pulses eNcoding System), accoppiato a una lente per la raccolta del segnale luminoso e un sensore per la formazione dell’immagine: in questa configurazione, il sistema produce immagini a campo largo. Dal momento che desideriamo eseguire imaging iperspettrale a molteplici scale spaziali, posizioniamo un’altra lente davanti al sistema per ottenere immagini più ingrandite dell’oggetto e analizzare aree più specifiche, ottenendo così la configurazione macro del sistema. Tutto questo verrà discusso mantenendo particolare attenzione sui principi ottici che guidano il comportamento della luce nel sistema, supportando l’analisi teorica con simulazioni software (eseguite su Zemax, OpticStudio©). I metodi di illuminazione per le misure di riflettanza e fluorescenza meritano un’attenzione particolare. È fondamentale che la luce illuminante rispetti alcuni parametri per innescare nel modo corretto i fenomeni di riflettanza diffusa e fluorescenza; descriveremo i ragionamenti alla base della scelta fatta e come poi questa scelta verrà resa in maniera pratica. Infine, faremo uso del setup descritto e delle informazioni discusse per operare misure iperspettrali su due set di campioni, appartenenti a categorie molto diverse nel panorama dei beni culturali: il primo set è caratterizzato da un substrato di carbonati (come per le sculture in marmo), il secondo da un substrato in carta. Il primo studio è volto a comprendere l'efficacia di specifici biofilm come trattamenti protettivi di pietre, o di valutarne eventuali effetti dannosi. Il secondo caso di studio è invece finalizzato ad identificare i principali pigmenti presenti in un frammento di un albero genealogico. Acquisire immagini iperspettrali di questi campioni è utile per valutarne le proprietà spettrali in diverse aree del campione; inoltre, esse possono costituire un’importante analisi preliminare per ulteriori studi eseguiti con altre tecniche.