Author Affiliations
Abstract
1 Sci-Tech Archaeology Center, Laboratory of Micro-Nano Optoelectronic Materials and Devices, Key Laboratory of Materials for High-Power Laser, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Henan Provincial Institute of Cultural Relics and Archaeology, Zhengzhou 450000, China
In this Letter, we report a combination of non-invasive analysis of the cross-section structure, phase, and chemical composition combining optical coherence tomography (OCT) with spectroscopic methods such as X-ray analytical microscope (μ-XRF) and micro-Raman spectroscopy (μ-RS), which allow us to effectively and conveniently identify the colorants used for each color region and the glass-making process of an ancient multicolored stratified glass eye bead. The results reveal that the sophisticated colors of the glass bead arise from the transition metals and chemical compound crystals deliberately added in the same base glass and carefully adjusted by the glass maker to obtain four colors. We also propose and discuss the provenance of the glass bead. It was probably introduced to China through the Northern Silk Road from Egypt or the Eastern Mediterranean areas about 1400 years ago. The combined multi-analytical technique is the promising approach for precious cultural heritage research.
multi-spectroscopic methods combination of non-invasive analysis ancient stratified glass cross-section structure chemical composition glass-making process Chinese Optics Letters
2020, 18(9): 090001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所科技考古中心, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 河南省文物考古研究院, 河南 郑州 450000
富铁釉瓷在中国古陶瓷史上具有重要地位, 综合利用光学相干层析成像技术（OCT）、 光学显微镜（OM）、 激光拉曼光谱技术(LRS)和X射线荧光光谱分析技术(XRF) 对河南省宝丰清凉寺窑址出土宋金时期富铁釉瓷样品进行无损分析研究, 获取了富铁釉瓷的釉层结构、 釉面析晶的物相信息及胎釉化学成分等信息, 探讨了釉层断面OCT灰度图像特征与其显微结构之间的关系以及富铁釉瓷的烧制工艺。 结果表明, 酱釉瓷和柿叶红釉瓷表面及黑釉红斑区存在富铁析晶层, 黑釉瓷釉层表面未发现富铁析晶层的存在。 酱釉瓷釉层富铁析晶层中铁的氧化物以ε-Fe2O3晶体为主, 而柿叶红釉层则主要是α-Fe2O3晶体, 黑釉红斑层同时存在ε-Fe2O3, α-Fe2O3晶体以及磁铁矿。 上述差异形成的原因与釉层化学成和烧制工艺存在联系。 釉层中高含量碱土金属氧化物及氧化铁区域更容易析出氧化铁晶体。 黑釉瓷烧成气氛以还原气氛为主, 而酱釉瓷和柿叶红釉瓷则倾向于氧化烧成气氛, 且柿叶红釉瓷的烧成温度高于酱釉瓷。 该研究将OCT, OM, LRS与XRF相结合, 有助于加强对富铁釉瓷的整体认知, 为富铁釉瓷的断源断代提供更为丰富的线索。
富铁釉瓷 氧化铁晶体 ε-Fe2O3相 清凉寺窑 Iron rich porcelain Iron oxide crystal ε-Fe2O3 Qingliangsi site
1 中国科学院上海光学精密机械研究所 科技考古中心, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
为探明两种不同大小的海水珍珠的内部结构差异, 利用一种新型扫频光学相干层析(OCT)成像系统和Raman光谱仪, 无损分析了中国南珠和南洋珠两类海水珍珠。Raman光谱分析表明, 这批海水珍珠主体物相皆为文石, 未检测到人工有机染色物和添加物。基于该OCT成像系统的测量和图形处理功能, 对这批海水珍珠珠层厚度进行了快速、有效的测量, 并根据珠层厚度, 将其质量等级分成五等。对比分析了这批海水珍珠样品的厚度与直径, 除少数样品外, 这批海水珠层厚度与珍珠直径呈弱正相关。此外, 通过OCT二维图像的纹理特征, 对这批海水珍珠的珍珠层、过渡层、珠核层组织的均匀性等进行了归类和评估。OCT成像技术可为珍珠的珠层厚度和均匀性质量分级提供重要依据。
光学相干层析成像 海水珍珠 珠层厚度 纹理特征 质量分级 optical coherence tomography sea pearl nacre thickness texture characteristic quality grade 红外与激光工程
2018, 47(4): 0417004
1 中国科学院上海光学精密机械研究所科技考古中心， 上海 201800
2 中国科学院大学光学精密机械研究所， 北京 100049
3 深圳大学光电工程学院， 广东 深圳 518060
彩陶文化作为新石器时期的重大发明， 改变了远古先民的审美方式， 而著名的仰韶文化以其彩陶的优美造型、 绚丽色彩和丰富的纹饰揭示了原始的艺术特征， 承载了史前时期重要的社会文化信息。 而利用现代光谱分析技术准确、 无损和微损的特点， 可以为文物保护的研究提供更科学的技术支撑。 研究应用相位辅助光学三维扫描、 多光谱成像、 X射线荧光、 激光拉曼光谱分析技术， 对河南省陕县庙底沟遗址出土的新石器时代晚期仰韶文化彩陶碗进行面、 点相结合的综合分析， 获得了较为完整的文物物理和化学信息。 利用三维扫描技术所构建的彩陶碗数字化模型对样品进行了几何尺寸的非接触测量和虚拟修复， 利用多光谱成像技术所获得的灰度图像对样品表面化学特征相似区域进行了区分， 结合X射线荧光和激光拉曼光谱分析技术对彩陶残片的分析结果， 确定了所分析彩陶样品的主要化学成分特征和颜料物相组成。 综合研究结果， 提出了建立彩陶文物多源信息数字化模型的构想， 为这类文物的数字化保护和展示提供了基础科学信息。
彩陶 三维扫描 多光谱成像 激光拉曼光谱 文物保护 Spaintedpottery Three-dimensional scanning Multispectral imaging Laser Raman spectroscopy Conservation of cultural relics 光谱学与光谱分析
2018, 38(5): 1420
1 中国科学院上海光学精密机械研究所科技考古中心, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
为探明广西合浦九只岭汉墓出土的一批紫色珠饰的材质、 制作工艺和可能的原料来源, 应用X射线荧光光谱、 激光拉曼光谱和以及超景深三维显微系统三种分析技术科学分析了其中8枚珠饰。 根据X射线荧光光谱和激光拉曼光谱分析结果, 从矿物学特征上讲, 这些珠饰是由石榴子石族矿物中的铝系石榴石加工而成, 除一件样品属于铁铝-镁铝榴石型外, 其矿物成分体系具有较高一致性, 其他样品均属于富铁铝榴石型石榴子石。 结合超景深数码显微系统所获取的样品加工痕迹信息以及近年考古学和科技研究成果, 探讨了这批石榴子石的加工工艺和可能的来源。 判断这批珠饰采用了旋磨工艺和皮囊球磨工艺两种打磨工艺, 采用双钻石钻具对钻的钻孔工艺。 这批铁铝榴石宝石珠饰应是由南亚或南亚经东南亚通过海上丝绸之路输入到合浦的, 是汉代海上丝绸之路贸易的重要物证, 对研究海上丝绸之路的历史和文化交流等具有重要的意义。
激光拉曼光谱 微痕分析 石榴子石珠饰 加工工艺 Raman spectroscopy Micro-mark analysis Garnet beadornaments Making techniques
1 中国科学院上海光学精密机械研究所科技考古中心, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京100049
3 河南省文物考古研究院, 河南 郑州 450000
为探索基于光学相干层析成像(OCT)技术对古代青瓷釉层物理结构的分类, 综合应用OCT技术、X射线荧光光谱分析(XRF)技术、扫描电子显微镜-能谱分析(SEM-EDS)技术和激光拉曼光谱(LRS)技术对河南省宝丰县清凉寺窑址出土的金元时期青瓷和钧瓷样品残片进行了分析。根据获取的样品釉层物理结构OCT灰度图像特征对釉层进行定性分类, 利用图像纹理分析技术对釉层OCT图像进行量化表征, 并根据所确定的纹理特征参数进行主成分分析。对根据OCT图像对瓷釉的分类结果与根据XRF获得的釉层化学成分的分类结果进行比较, 结合SEM-EDS和LRS分析结果讨论了釉层材料学特征与OCT图像特征之间的内在联系。
测量 光学相干层析成像 图像纹理分析 主成分分析 清凉寺窑址
1 中国科学院上海光学精密机械研究所科技考古中心, 上海 201800
2 浙江省文物考古研究所, 浙江 杭州 310014
玉玦是我国新石器时代广泛出现的一类重要玉器。 环太湖流域新石器时代遗址中出土的大量玉玦, 具有鲜明时代和地域特征, 为探索中国玉文化起源和传播提供了重要实物。 为获取环太湖流域新石器时代玉玦的基础材料学信息（如主要矿物组成、 硬度等）, 以及探索玉料随时间演变规律和可能的原料来源, 本文以浙江省境内3个代表性新石器时代遗址——田螺山、 仙坛庙和江家山遗址出土的玉玦为研究对象, 采用X射线衍射(XRD)和质子激发X射线荧光(PIXE)分析技术对其进行了无损分析检测。 研究结果表明: 从河姆渡文化至崧泽文化晚期, 所分析玉玦的主要组成矿物为萤石、 迪开石、 石英、 白云母、 透闪石和蛇纹石等, 以萤石、 玉髓和迪开石为主, 且时代早于透闪石和蛇纹石。 结合已有的研究成果, 探讨了相关遗址出土玉玦的原料随时间变化特征、 原料来源, 以及玉玦的材料学特征与加工工艺之间的内在联系。
新石器时代 玉玦 无损分析 玉材 可能来源 Neolithic Jade jue Nondetective analysis Raw material Possible sources 光谱学与光谱分析
2017, 37(9): 2905
1 中国科学院上海光学精密机械研究所科技考古中心, 上海 201800
2 复旦大学, 上海 200433
以蛇纹石这一中国传统的玉材为对象, 旨在通过微量元素含量分析来探索古代蛇纹石玉器原料的可能来源。 采用无损的外束质子激发X射线荧光技术（PIXE）对来自中国几个典型矿区的蛇纹石样品主量元素和微量元素进行了分析。 同时也采用有损的电感耦合等离子体原子发射光谱技术（ICP-AES）对这些蛇纹石样品的微量元素含量进行了比较分析。 结果表明, 两种分析方法所获取的蛇纹石微量元素含量趋势具有一致性, 说明PIXE无损分析技术可以应用于蛇纹石的微量元素分析研究。 讨论了蛇纹石的微量元素含量与地质成因之间的关系, 这些蛇纹石的微量元素含量存在明显的差异, 这种差异可以用来区分不同地质成因的蛇纹石。 Ⅰ型地质成因的蛇纹石中微量元素中Ni含量较低, 且几乎不含Cr和Co, 而Ⅱ型地质成因的蛇纹石中则含有较高微量元素的Cr, Co和Ni。 采用PIXE技术分析了来自浙江、 江苏、 河南、 安徽和湖北等省出土的新石器时代至战国时期（4585 BC—221 BC）14个遗址或墓葬出土的18件蛇纹石玉器的化学成分, 通过与两种地质成因类型蛇纹石的微量元素比较分析, 初步推测了这些蛇纹石玉器原料的可能来源。 以蛇纹石微量元素含量与地质成因类型之间的关系来探索古代蛇纹石玉器玉料可能的来源是一种有益的尝试。
中国古代蛇纹石玉器 微量元素 地质成因 玉料来源 PIXE PIXE Chinese ancient serpentine artifact Trace element Formation mechanism Original source 光谱学与光谱分析
2016, 36(11): 3780
1 中国科学院上海光学精密机械研究所科技考古中心, 上海201800
2 复旦大学光科学与工程系, 上海200433
3 河南省文物考古研究院, 河南 郑州450000
综合利用便携式X射线荧光光谱仪(pXRF)、 激光Raman光谱仪(便携式和可移动式)以及光学相干层析成像(OCT)技术, 对河南出土的14件东周玉器进行无损分析测试。 pXRF和便携式微型Raman光谱仪(miniRaman)能够准确、 快速的识别玉器的原材料和物相。 且这两台仪器操作简单、 体积小, 可用于做现场原位、 无损分析。 根据pXRF检测结果, 这批玉器按成分可分为富硅铝钾、 富钙、 富硅、 富硅镁、 富硅钙和富钙磷6大类。 通过miniRaman快速地鉴定出这批样品的主要物相。 在实验室里, 使用可移动式共焦激光Raman光谱仪, 可以弥补便携式微型Raman光谱仪在光谱分辨率、 测量精度以及测量范围等方面的不足。 利用共焦激光Raman光谱仪, 检测到透闪石型玉器中［OH］根的Raman振动峰。 OCT技术可以分析玉器材质的透明度、 纤维粗细程度、 包裹体分布等亚表面特征。 将共焦激光Raman光谱仪与OCT分析仪有机结合分析了两件含包裹体的透闪石玉器样品, OCT图像可以直观地展示这两件样品中的包裹体分布特征, 而共焦激光Raman光谱仪可以准确定位样品表面的包裹体, 进行显微形貌观察及其物相分析, 结果表明黑色的包裹体为石墨, 这对玉器的产地溯源研究具有重要意义。 通过研究发现, 利用便携式X射线荧光光谱仪, 激光Raman光谱仪和光学相干层析成像技术 , 可以实现对文物样品的物相组成和质地特征进行初步鉴别和分析, 满足考古工作的现场基础分析要求。
古代玉器 无损分析 pXRF pXRF Raman Raman OCT OCT Ancient jade artifacts Non-destructive analysis 光谱学与光谱分析
2015, 35(9): 2492
1 中国科学院上海光学精密机械研究所科技考古中心, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 河南省文物考古研究所, 河南 郑州 450000
4 广东省文物考古研究所, 广东 广州 510075
气泡是古代瓷釉中最常见的一种现象,气泡的大小与分布与胎体和釉层的配方及制作工艺密切相关.气泡表征对研究陶瓷的制作工艺、产地和时代特征等具有重要的意义.为了探讨利用光学相干层析成像技术(OCT)表征古代瓷釉中气泡及其分布特征的可行性,实验采用扫频OCT成像系统对五件不同类型的瓷釉样品进行了测试.根据实验所获得的透明釉层及胎釉结合部位的二维断面图像和三维层析图像,分别进行了瓷釉气泡二维断面和三维切片的特征研究,综合分析了釉层中的气泡特征及其可能产生的原因,认为釉层中的气泡主要是由于胎体中的气体在烧制过程中向釉层溢出所致;同时基于像素点计算了气泡的大小,并与传统光学显微镜观测到的结果进行了比较;实验还针对不透明釉层中的气泡进行了大小计算、二维断面及三维切片的特征研究.实验结果表明,不同类型的古代瓷釉釉层中的气泡特征差异明显;基于像素点计算的气泡大小与传统光学显微镜测试的结果吻合,近胎釉结合面的胎体切片能很好的反映瓷釉的气泡特征.本研究提出并验证了利用OCT技术表征瓷釉气泡特征的可行性与有效性,实现了釉层气泡特征的无损检测,特别是对不透明釉层气泡的分析,克服了以往利用传统显微镜技术对釉层气泡分布研究的局限,为古代陶瓷瓷釉的气泡特征分析提供了一种新型的、可靠的分析手段.
光学相干层析 无损成像 瓷釉 三维成像 气泡 Optical coherence tomography Noninvasive imaging Glaze Three-dimensional imaging Bubble 光谱学与光谱分析
2015, 35(8): 2275
