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 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 河南省文物考古研究院, 河南 郑州 450000
古代玉器不仅是装饰品, 其中还蕴藏着丰富的文化内涵。 为探究春秋时期河南地区出土玉器在矿物属性、 制作工艺、 器物功能等之间存在的关系, 选取了河南固始侯古堆一号墓（M1）出土的10件玉器, 应用X射线荧光光谱（XRF）、 共焦显微激光拉曼光谱（LRS）、 超景深光学显微系统等光学无损分析技术, 结合扫描电子显微镜（SEM）和硅胶覆膜技术对其进行了综合性分析。 首先通过光谱信息获知样品的化学成分和物相结构, 对样品进行了基本的矿物学表征, 明确其矿物种类; 再利用超景深光学显微镜对样品进行观察, 利用硅胶覆膜技术复刻出样品中典型的钻孔痕、 切割痕和阴刻痕, 并进行二次观察和测量, 综合判断出其加工工艺, 并统计了刻痕深度、 切口角度、 浅浮雕高度等相关数据。 结果表明: 此玉器的矿物种类包括透闪石和云母两种, 透闪石质的样品多为礼器, 云母质的样品为葬玉。 从阴刻工艺、 钻孔工艺、 切割及打磨工艺和其他特殊工艺这四方面对加工工艺进行了分析, 阴刻加工工具分为手持硬质工具和砣具两种, 此批样品中以砣具为主; 总结了两种不同加工工具雕刻产生的阴线在表面痕迹、 切口角度和刻痕深度中的规律性变化; 钻孔方式均为双面对钻, 钻孔工具均为实心钻具, 部分样品钻孔时添加了解玉砂; 多数样品经过了打磨抛光, 对其中一件未完全加工完成的样品开片痕迹进行了分析, 判断所用开片工具为硬质片状工具。 另外对其他特殊加工工艺进行探讨, 讨论了两种浅浮雕工艺的差异, 以及实心钻定位技术在掏膛工艺中的应用。 上述结果说明古代玉器制作工艺的选择受玉料矿物属性和玉器器型功能的影响, 并结合已有研究结果, 探讨了春秋末年中原地区治玉过程中玉料的来源、 墓主生活年代及片切割工具的变革等问题。
古代玉器 加工工艺 拉曼光谱 无损分析 硅胶覆膜 Ancient jade Processing technology Raman spectroscopy Non-destructive analysis Silicone resin molding 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1306
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 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 河南省文物考古研究院, 河南 郑州 450000
中国玉文化源远流长, 治玉工艺经过各个时代的不断发展和完善, 在一定程度上能反映古代社会生产力发展水平及文化、 贸易、 技术交流等信息。 利用能量色散型X射线荧光光谱(EDXRF)、 激光拉曼光谱(LRS)、 超景深光学显微系统(OM)等分析技术, 结合硅胶覆膜微痕复制技术, 对河南省新郑西亚斯东周墓地出土的一批玉器进行科技分析。 首先利用化学成分和物相结构分析技术确定了玉器材质的矿物属性, 其次利用显微分析技术表征了玉器表面及穿孔内部和印模的加工痕迹, 特别是阴刻纹饰和穿孔微痕特征, 最后探讨了玉器样品的材料属性和加工工艺两者之间的联系。 化学成分和物相结构分析结果表明, 所分析的西亚斯东周玉器材质丰富, 主要矿物组成有滑石、 透闪石、 水晶、 云母等。 玉器表面纹饰微痕特征分析表明, 所分析玉器阴刻工艺采用了两种加工工具, 分别是砣具和手持硬质工具。 穿孔微痕分析特征表明, 钻孔包括单面钻孔和双面/多面钻孔两种方式, 钻孔工艺则有实心钻、 管钻等。 部分玉器钻孔形状和内部微痕特征表明, 尽管均采用了实心钻工艺, 但所采用的实心钻头在形状上存在差异, 同时, 也存在是否配合解玉砂进行钻孔的差异。 不同材料属性的玉器采用了不同的加工工艺。 滑石质玉器, 莫氏硬度1, 器型主要为玉片饰, 其表面阴刻纹饰主要采用手持硬质工具进行刻画, 钻孔主要采用了双面钻孔方式, 并使用了实心钻头未添加解玉砂进行加工, 钻头形状可能为圆锥状; 云母质玉器, 莫氏硬度2~3, 器型主要为玉玦片饰, 纹饰采用了砣具添加解玉砂的加工工艺, 钻孔方式为单面钻孔, 采用了管钻工艺。 透闪石型玉器, 莫氏硬度5~6, 器型主要为玉片饰, 表面纹饰采用砣具配合解玉砂砣刻, 以双面钻孔的方式为主, 钻孔工艺为实心钻头配合解玉砂工艺, 钻头形状与滑石类样品一致, 为圆锥状。 水晶质玉器, 莫氏硬度7, 均为珠饰, 表面无纹饰, 钻孔方式为双面/多面钻孔, 钻孔工艺为实心钻配合解玉砂工艺, 且钻头可能为圆柱形。 研究结果表明, 玉器表面纹饰所采用的阴刻工艺和钻孔工艺, 与玉器本身的材料属性、 器型等存在密切关系。
东周玉器 材料属性 微痕特征分析 硅胶覆膜 Chinese jades in the Eastern Zhou period Material property Micro-mark characteristics analysis Silicone resin molding 光谱学与光谱分析
2019, 39(11): 3637
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
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
采用自主搭建的多光谱成像系统、 便携式X射线荧光光谱仪（X-ray fluorescence spectrometer, XRF）、 激光拉曼光谱仪（laser Raman spectrometer, LRS）对5件战国时期多色硅酸盐制品的表面物质的光谱特性、 化学成分和物相结构进行了无损分析。 根据多光谱图像中的光谱响应情况, 对样品表面物质进行了区域划分, 并发现样品表面的多数蓝、 绿、 紫色系区域出现荧光现象。 XRF检测结果表明不同区域的化学成分存在明显差异, 但多数区域均以SiO2, PbO, BaO为主要化学成分, 5件样品基本属于铅钡硅酸盐体系, 而且出现荧光区域皆是铜离子致色。 LRS精确检测出各个区域中的玻璃相、 中国蓝、 中国紫、 石英、 赤铁矿、 铅白、 无定形碳等物相, 并发现产生可见发光二极管致近红外荧光的物质为中国蓝和中国紫。 利用X射线衍射技术(X-ray diffraction, XRD)验证了LRS检测结果的正确性。 本研究将多用于书画分析的多光谱成像面检测技术与常用于硅酸盐文物成分分析的XRF和LRS技术进行有效结合, 提出了一套更为高效的无损的分析古代多色硅酸盐制品的研究方法。 光谱图像与X射线荧光光谱、 激光拉曼光谱数据的结合, 将样品的光谱特性与化学构成联系起来, 有助于提高硅酸盐文物的分析效率, 加强对硅酸盐文物的整体认识, 和降低硅酸盐文物的受损风险。
硅酸盐文物 多光谱成像 激光拉曼光谱 X射线荧光光谱 Ancient silicate Multispectral imaging Laser Raman spectroscopy X-ray fluorescence spectroscopy 光谱学与光谱分析
2016, 36(12): 4045
