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
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 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
1 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海201800
2 河南省文物考古研究所, 河南 郑州450000
无损分析是文物样品研究的重要内容, 研究中采用便携式能量色散型X射线荧光光谱仪(pXRF)和激光拉曼光谱仪(LRS), 对河南宝丰和新郑出土的21件战国晚期到汉代的硅酸盐制品进行了化学成分分析和微区物相分析。 依据化学成分分析结果, 将样品划分为铅钡硅酸盐玻璃、 钾硅酸盐玻璃、 釉砂和铅钡釉砂四类分别进行讨论, 并对样品的着色机理进行了初步探讨； 利用激光拉曼光谱在部分蜻蜓眼和圆环珠蓝色颜料中检测到了中国蓝(BaCuSi4O10)、 中国紫(BaCuSi2O6)和中国深蓝(BaCu2Si2O7), 同时成功确定了部分样品中存在石英、 方解石、 碳酸铅、 煅棕土、 绿土等多种物相； 结合考古研究资料, 对这些样品的来源进行了简要讨论, 其中本实验铅钡硅酸盐玻璃、 钾硅酸盐玻璃耳珰和铅钡釉砂为我国自制, 而另外1件釉砂可能属于舶来品, 反映了我国古代中原各地区间, 以及中原与西域间有着广泛的文化技术交流。 便携式能量色散型X射线荧光光谱仪和激光拉曼光谱仪的相互结合, 能够提供硅酸盐制品的有效化学成分和结构信息, 在文物科学分析中显示出特有的优势, 为其考古研究提供有益的信息。
便携式能量色散型X射线荧光 激光拉曼光谱 无损分析 古代玻璃 中国蓝 X-ray fluorescence spectrometry Laser Raman spectroscopy Nondestructive analysis Ancient glass Chinese blue
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
为了验证将光学相干层析(OCT)成像技术应用于古代陶瓷无损检测，将OCT图像表现的釉面的断面特征用于古代陶瓷类别区分的可行性，利用宽波长频域OCT成像系统对选自5个窑口的8个不同釉系、色系的瓷片进行测试，得到了样品的断面结构图像，并分析了OCT图像中的气泡大小和分布、强散射颗粒分布、釉层均匀性、透射率、釉层的分层等特征。实验结果显示8个古代瓷釉样品OCT成像特征差异明显，说明OCT成像技术能基于断层图像特征对瓷釉的釉系、窑口进行区分。
测量 光学相干层析 无损成像 瓷釉
