基于OCT成像技術(shù)對常見陶瓷文物斷面結(jié)構(gòu)的無損分析*

董俊卿，李青會，嚴鑫

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所科技考古中心，上海 201800

基于OCT成像技術(shù)對常見陶瓷文物斷面結(jié)構(gòu)的無損分析*

董俊卿，李青會?，嚴鑫

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所科技考古中心，上海 201800

采用光學(xué)相干層析(OCT)成像技術(shù)對河南和安徽出土的新石器時代至宋代的幾種陶瓷質(zhì)文物(彩陶、漆繪陶、唐三彩、絞胎釉陶、青瓷和鈞瓷)的斷面結(jié)構(gòu)進行無損分析，獲取了不同類別陶瓷器的表層(顏料層、底漆層和釉層)、中間層、胎釉結(jié)合面以及胎體表面的斷面結(jié)構(gòu)圖像特征。通過這些結(jié)構(gòu)圖像，探討了不同陶瓷器的制作工藝特點，同時也討論了OCT成像技術(shù)分析不同類別陶瓷文物的斷面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和局限。

光學(xué)相干層析(OCT)；陶瓷文物；斷面結(jié)構(gòu)；無損分析

中國陶瓷類文物種類多樣，有普通陶器、彩陶、彩繪陶、漆繪陶、釉陶、三彩陶、絞胎釉陶、青瓷、白瓷、黑瓷、鈞釉瓷、青花瓷等諸多品種，不同的陶瓷往往具有不同的斷面結(jié)構(gòu)特征。通過對陶瓷斷面結(jié)構(gòu)的科學(xué)分析，可以獲取陶瓷的制作工藝信息，進而為探討同類別陶瓷的不同窯系或同一窯系不同時代制作工藝的特征及演變提供科學(xué)參考。以往多采用如體式顯微鏡、帶能譜的掃描電子顯微鏡(SEM-EDS)、同步輻射X射線熒光光譜(SRXRF)和能量色散X射線熒光光譜(EDXRF)線掃描等分析手段，通過取樣對陶瓷斷面結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分進行分析，取得了許多重要的成果[1-6]。但這些方法不宜應(yīng)用于典型的珍貴陶瓷文物，尤其是對完整器物進行斷面結(jié)構(gòu)分析。光學(xué)相干層析(OCT)成像技術(shù)，作為一種亞表面分析的有效手段，具有分辨率高、非接觸無損傷、實時快捷、靈敏度高等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、薄膜技術(shù)、工業(yè)檢測、珠寶檢測等領(lǐng)域[7-10]。近年來，OCT技術(shù)也成功應(yīng)用于科技考古學(xué)(如陶瓷[11-16]、壁畫[17]、玉器[18]等)領(lǐng)域，取得了較好的效果。

1 樣品和實驗方法

1.1 樣品來源

分析樣品分別來自河南陜縣廟底溝遺址、鞏義黃冶唐三彩窯、寶豐清涼寺窯和禹州鈞臺窯以及安徽六安出土的包括彩陶、唐三彩、絞胎釉陶、青瓷、鈞瓷及漆繪陶，共計9件，時代自新石器時代仰韶文化至北宋。樣品情況見表1，樣品照片見圖1。彩陶、唐三彩、絞胎釉陶、青瓷樣品由河南省文物考古研究院提供，鈞瓷樣品由鄭州大學(xué)提供，漆繪陶樣品由皖西博物館提供。

1.2 實驗方法

實驗采用的是中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所的掃頻OCT系統(tǒng)[13]。該系統(tǒng)主要由高速掃描激光光源(日本Santec公司的HSL激光器，中心波長為1 310 nm，掃頻速率為20 kHz，波長掃描覆蓋范圍118 nm，半峰全寬為100 nm，最大功率為50 mW)、干涉儀(日本Santec公司的IV-2000型)、測量臂和計算機組成，在普通硅酸鹽材料中分辨率為5～8 μm。

2 實驗結(jié)果

2.1 OCT二維分析結(jié)果

為獲取理想的OCT二維圖像信息，二維掃描時針對具體樣品情況設(shè)定測量的具體參數(shù)，橫向掃描范圍設(shè)定為2 ～ 10 mm，積分次數(shù)為4，輸出圖像分辨率大小為1 000 pixel×750 pixel。

2.1.1 彩陶樣品

彩陶是中國新石器時代的一種重要的文化現(xiàn)象，具有顯著的區(qū)域和時代特征，而仰韶文化的彩陶是中國彩陶文化的典型代表。選取具有代表性的3件河南省陜縣廟底溝遺址出土的仰韶文化彩陶進行OCT二維掃描，分析結(jié)果見圖2。圖中第一條亮線為空氣與彩陶表面的界面；由于彩陶透明度差，光在顏料層的透過率較低；因顏料層、陶衣層和胎體的原料不同，致密程度不同以及保存現(xiàn)狀不同，從而在OCT二維灰度圖像上也存在顯著差異；黑彩對光的吸收較強，與紅色和白色陶衣強散射的特性形成鮮明對比；有的黑彩較薄且不均勻，有的黑彩較為致密，因而對光的吸收也存在明顯的區(qū)別。

圖1 分析陶瓷樣品照片及OCT掃描位置示意圖：(a) SMWB1；(b) SM-WB2；(c) SM-RB1；(d) QHT-1；(e) QHT-2；(f ) HY-Ⅳ-11-A；(g) HY-IV-14；(h) BQ-Y1；(i) J289(圖中紅線為OCT掃描位置 )

圖2 仰韶文化彩陶的OCT二維分析結(jié)果：(a) SM-WB1；(b) SM-WB2；(c) SM-RB1

2.1.2 漆繪陶樣品

漆陶是中國重要的一種漆物質(zhì)文化遺產(chǎn)，是一種在陶胎上髹漆作畫的器物，兼具髹漆和制陶兩種工藝特點，時代和地域特色鮮明，在中國陶瓷發(fā)展史上具有承前啟后的作用。選取安徽六安出土的西漢時期的兩件漆繪陶樣品進行OCT二維斷層分析，結(jié)果如圖3所示。樣品QHT-1漆陶壺殘片，外表有紅色彩繪層和黑色漆膜，漆膜上可能有黑色彩繪。由圖3可以看出，樣品QHT-1紅色彩繪層為高亮區(qū)域，對光的散射較強[圖3(a)]。黑色區(qū)域為漆膜，對光具有一定的吸收能力，呈現(xiàn)出淺灰白色，由于漆膜厚度有限，可以看出漆膜下面的空氣[如圖3(b)右側(cè)黑色層]及操作臺的界面[圖3(b)右側(cè)白色亮線]。樣品QHT-2漆陶盒上脫落一層漆膜，外表殘存白色彩繪，內(nèi)表殘存灰色漆灰層(又稱中間層或膩子層)。OCT分析表明：該樣品的漆膜較QHT-1薄，在OCT二維圖像上表現(xiàn)為兩條亮線；漆膜下面淺灰色區(qū)域為灰色漆灰層，白色彩繪層則變?yōu)楦吡恋纳⑸鋮^(qū)[圖3(b)]。

圖3 西漢漆繪陶的OCT二維圖像：(a) QHT-1; (b) QHT-2

2.1.3 唐三彩樣品

唐三彩是中國唐代時期民間創(chuàng)燒并盛行于中唐的一種多彩鉛釉陶。它用黏土作胎, 先經(jīng)過1 000 ℃左右的高溫素?zé)?，然后施釉，再?jīng)過900℃左右的溫度燒制而成，其釉色以黃、綠、藍或黃、綠、白為主。河南鞏義黃冶窯以燒制唐三彩而著稱，是目前中國發(fā)現(xiàn)最早、面積最大、質(zhì)量最精的燒制三彩的窯址，在初唐時開始燒制三彩[19]。通過OCT成像技術(shù)分析(圖4)可以看出，唐三彩中的藍色、綠色及黃色部位的OCT圖像基本一致。圖中第一條細的亮線為空氣與釉層的交界面，第二條略粗的亮線為釉層與胎體之間的中間層，中間層較薄，而兩條亮線之間為釉層。從OCT二維圖像上可以看出，唐三彩樣品的胎釉界限分明，胎體與陶器胎體的OCT圖像類似，皆為均勻的灰白色散射區(qū)。相對而言，白色釉層較薄，其對應(yīng)的胎體部分散射較強；而藍色、綠色和黃色釉層相對較厚，對應(yīng)的胎體部位吸收較強。該樣品的釉層中幾乎不見明顯的氣泡，部分區(qū)域有少量強散射顆粒。這些強散射顆?？赡芘c樣品表面的風(fēng)化有關(guān)。唐三彩的釉屬于低溫鉛釉體系，容易風(fēng)化，所分析這件樣品表面的釉層并非全部光滑明亮，存在不同程度的風(fēng)化腐蝕，這些風(fēng)化腐蝕的地方對探測光存在一定的影響，風(fēng)化腐蝕區(qū)與未風(fēng)化的釉層在折射率上的差異，從而呈現(xiàn)出圖4中強散射顆粒。

圖4 唐三彩樣品HY-Ⅳ-11-A的OCT二維圖像：(a) 綠-白-黃色區(qū)域；(b) 藍-白-綠色區(qū)域

2.1.4 絞胎釉陶樣品

絞胎釉陶也是黃冶唐三彩窯的一個重要品種，該窯是中國目前已知的絞胎工藝發(fā)源地。絞胎是將兩種或兩種以上不同顏色的胎土揉和在一起，然后相絞拉坯，制作成形，經(jīng)高溫素?zé)笤偈┮粚油该饔裕蜏責(zé)贫?。絞胎紋理因泥坯絞揉方式不同而不同，變化多端，如木紋、流水紋等。選取了鞏義黃冶唐三彩窯出土的一件醬黃釉絞胎釉陶HY-Ⅳ-14進行OCT成像分析，分析結(jié)果如圖5所示。絞胎釉陶樣品與唐三彩樣品在釉層上基本一致，胎釉界限分明，也存在一個明顯的中間層，但在胎體層面與唐三彩樣品差異較大。顏色較深的黑色胎體部位與白色主體胎體形成鮮明對比，使得絞胎呈木紋理狀。兩條白色亮線之間的黑色區(qū)域為釉層，釉層比較均勻。由于鉛釉透明度好，光很容易透過釉層進入到胎體，黑色胎體與灰白色胎體因?qū)す獾奈蘸头瓷涞某潭炔煌纬擅黠@的反差，黑色胎體部分散射弱、透射率高，灰白色胎體區(qū)域散射稍強、透射率低。由于絞胎明顯的顏色差異及其對光的吸收和散射的不同，黑色胎體和白色胎體區(qū)域所對應(yīng)的中間層也存在明顯不同，前者呈灰白色散射帶，后者呈較為清晰的一條白色高亮線。

圖5 絞胎釉陶樣品HY-Ⅳ-14的OCT二維圖像

2.1.5 青瓷樣品

青瓷是中國最早的瓷器品種之一，不同時代、不同窯口燒制的青瓷因原料、工藝等而各具特色。選取河南寶豐縣清涼寺窯出土的一件青瓷樣品進行OCT成像分析。由圖6可知，青瓷與前述彩陶、漆陶、唐三彩和絞胎釉陶明顯不同。該樣品的釉層基本為均勻的玻璃相，在OCT二維圖像中表現(xiàn)為黑色。釉層中有大小不一的氣泡和異質(zhì)顆粒。氣泡內(nèi)部為空氣(或真空)，對探測光基本沒有散射，氣泡內(nèi)部在OCT二維圖像中呈現(xiàn)出黑色，氣泡邊界呈現(xiàn)近似空心橢圓形或上下兩對短平行線，且最上、最下部較亮。這是由于釉層與氣泡存在折射率的突變，單次背向散射光增強，氣泡最上、最下表面的單次背向散射被探測出來，而氣泡其余部位的強單次背向散射光由于存在散射角度，不能很好地被探測出來，因此氣泡的最上、最下部位亮度較強。釉層中高亮團簇為異質(zhì)顆粒，異質(zhì)顆?？赡芘c釉層中的析晶、分相等有關(guān)，它與釉層的存在形式明顯不同，其散射程度也存在顯著差異，均勻玻璃相對光基本無散射，而異質(zhì)顆粒對光散射較強，同時由于兩者折射率的差異，從而造成異質(zhì)顆粒形成高亮團簇。由于異質(zhì)顆粒和氣泡邊界所產(chǎn)生散射的影響，造成該樣品胎釉交界線不連續(xù)，但胎釉分界明顯。

圖6 青瓷樣品BQ-Y1的OCT二維圖像

2.1.6 鈞瓷樣品

鈞瓷是宋代五大名瓷之一，創(chuàng)燒于河南禹州市鈞官窯，以其獨特的窯變藝術(shù)而聞名于世，被稱為國之瑰寶。選取一件外釉醬中泛濫帶紫的鈞官窯瓷片樣品進行OCT二維成像分析，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，鈞瓷樣品特征鮮明，釉層存在明顯的分層現(xiàn)象。通過OCT二維圖像觀察至少有兩層釉：其一為灰白色襯度的密集散射玻璃相釉層，可能與銅的價態(tài)和存在形式有關(guān)；其二為黑色襯度的較均勻玻璃相釉層。釉層中存在較多的氣泡和異質(zhì)顆粒，且氣泡的直徑較大。由于鈞瓷樣品的釉層中非均勻玻璃相較多，因此氣泡多為空心橢圓形，而部分均勻玻璃相層中的氣泡為上下一對短平行線。由于氣泡、多層釉層對探測光散射和吸收程度不同，造成鈞瓷樣品的胎釉交界面不及前述的唐三彩、絞胎釉陶及青瓷樣品明顯。

圖7 鈞瓷樣品J289的OCT二維圖像

通過以上分析可以看出，未施加透明釉的仰韶文化彩陶和西漢漆繪陶的OCT亞表面結(jié)構(gòu)較為相似，施低溫釉的唐三彩和絞胎釉陶較為相似，而施加高溫鈣釉的青瓷和鈞瓷較為相似。雖然彩陶和漆繪陶的透明度較差，光對顏料層的透過率較低，但由于顏料層、陶衣層、漆繪層和胎體的原料不同、致密程度不同、保存現(xiàn)狀不同，因此在OCT二維灰度圖像上也存在一定差異。黑彩對光的吸收較強，與紅色和白色陶衣強散射的特性形成鮮明的對比。有的黑彩較薄而不均勻，有的黑彩較為致密，從而對光的吸收也存在明顯的區(qū)別。漆繪陶樣品的紅色和白色彩繪層對光的散射較強，而黑色漆膜層對光具有一定的吸收能力，呈現(xiàn)出淺灰白色，漆膜層較薄，透過漆膜可見漆膜下面的灰色漆灰層，呈淺灰色襯度。

唐三彩和絞胎釉陶的釉層相對薄而純凈，無明顯的氣泡和散射顆粒，在胎釉之間皆存在一層薄薄的中間層，中間層可能與化妝土或胎釉的滲透有關(guān)。唐三彩白色釉層較薄，其對應(yīng)的胎體部分散射較強；而藍色、綠色和黃色釉層相對較厚，其OCT二維圖像無明顯差異，對應(yīng)的胎體部位吸收較強。絞胎釉陶與唐三彩的不同主要體現(xiàn)在胎體上，黑色胎體對探測光的吸收較強，而白色胎體部位對探測光的散射較強。

寶豐清涼寺窯的青瓷和禹州鈞臺窯的鈞瓷的釉層較唐三彩和絞胎釉陶厚，釉層中都存在較多的氣泡和異質(zhì)顆粒，由于氣泡和異質(zhì)顆粒以及釉層對探測光的吸收、散射和折射率上的差異，導(dǎo)致胎釉分界面未能很好地探測出來，僅靠OCT二維圖像不易判斷這兩件青瓷和鈞瓷樣品是否存在中間層(或釉料滲透層)。與青瓷樣品不同的是，鈞瓷樣品的釉層中存在明顯的分層現(xiàn)象。第一層釉對光散射較強，透明度略差；而第二層釉對光吸收較強，透明度較好。

2.2 OCT三維分析結(jié)果

為了深入探討絞胎釉陶、青瓷和鈞瓷的差異及原因，進一步對其進行OCT三維掃描，并做相應(yīng)的切割分析。三維掃描時的測試參數(shù)：x軸測量范圍5 mm，y軸測量范圍5 mm，x、y軸向像素點個數(shù)都為700，z軸像素點個數(shù)為512，z軸方向5.3 μm/pixel。

絞胎釉陶樣品HY-Ⅳ-14的OCT三維掃描結(jié)果如圖8(a)所示，紅色為添加的偽彩色。沿垂直于z軸方向?qū)悠返腛CT三維圖像進行切割處理，圖8(b)和8(c)分別為釉層表面和胎釉結(jié)合部位的切片，圖8(d)則為垂直于z軸方向的平面切面。由此，可以更直觀地看出絞胎釉陶的絞胎工藝，胎釉分界明顯，無明顯氣泡。其釉層比較均勻、透明，探測光透過釉層后，白色胎體對光的散射強，而黑色胎體對光的吸收較強。

圖8 絞胎釉陶HY-IV-14的OCT三維圖像及不同切割處理圖像：(a) 三維偽彩圖像；(b) 垂直于z軸方向釉層表面的切片；(c) 垂直于z軸方向胎釉結(jié)合部位切片；(d)用垂直于z軸的平面切面

青瓷和鈞瓷樣品的OCT三維圖像與絞胎釉陶明顯不同，青瓷樣品BQ-Y1釉層和胎體分界明顯，無明顯分層現(xiàn)象，釉層中有許多氣泡和異質(zhì)顆粒[圖9(a)]。用垂直于z軸的平面進行切割圖9(a)，可以清楚地看出氣泡的溢出路徑以及氣泡和異質(zhì)顆粒在釉層中的分布，氣泡多由胎體向釉層溢出，在胎釉結(jié)合面可見氣泡溢出后留下的氣孔。強散射區(qū)域周圍有一圈黑色無散射區(qū)域或低散射區(qū)域，錐形區(qū)域底端直徑和氣泡直徑近似。氣泡溢出后產(chǎn)生空隙，液態(tài)的釉流入胎體，形成黑色環(huán)形空心區(qū)域[圖9(b)]。通過垂直于z軸方向胎釉結(jié)合部位的切片可以看出，胎體中氣泡溢出后留下的大小不一的氣孔[圖9(c)]。

鈞瓷樣品J289的OCT三維分析結(jié)果見圖10，鈞瓷的氣泡、氣孔及氣泡路徑和青瓷比較相似[圖10(b)和圖10(c)]。與青瓷不同的是，鈞瓷的釉層中有明顯的分層現(xiàn)象，胎釉結(jié)合面不及青瓷明顯[圖10(a)]。

圖9 青瓷樣品BQ-Y1的OCT三維圖像及不同切割處理圖像：(a) 三維偽彩圖像；(b) 垂直于z軸的平面切面；(c) 垂直于z軸方向胎釉結(jié)合部位切片

圖10 鈞瓷樣品J289的OCT三維圖像及不同切割處理圖像：(a) 三維偽彩圖像；(b) 垂直于z軸的平面切面；(c) 垂直于z軸方向胎釉結(jié)合部位切片

一般認為，黃冶唐三彩窯的釉陶和唐三彩制品是先高溫素?zé)ンw，胎體燒結(jié)后再施鉛釉低溫?zé)贫伞氊S清涼寺窯的青瓷采用胎釉一起燒制，而禹州鈞臺窯的鈞瓷燒制工藝比較復(fù)雜，可能經(jīng)過多次焙燒，也存在素?zé)ンw過程，不過是低溫素?zé)ンw燒結(jié)程度不高。結(jié)合以上OCT成像技術(shù)的分析結(jié)果認為，絞胎釉陶、青瓷和鈞瓷的OCT圖像上的顯著差異，與其胎、釉的不同處理工藝以及化妝土工藝密切相關(guān)。釉層中的氣泡一部分是由于胎體中的各種氣體在燒制過程中向釉層溢出所致，另一部分可能與釉料的配方和燒制工藝有關(guān)。絞胎釉陶在素?zé)A段胎體中氣泡可能已經(jīng)溢出，由于胎體已經(jīng)燒結(jié)，在施釉燒制階段幾乎沒有氣泡溢出。

3 結(jié)論

采用OCT成像技術(shù)對河南廟底溝遺址仰韶文化彩陶、安徽六安出土的西漢漆繪陶、河南鞏義黃冶唐三彩窯出土的唐代唐三彩和絞胎釉陶、河南寶豐清涼寺窯出土的宋代青瓷以及禹州鈞臺窯出土宋代鈞瓷的亞表面結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)無損分析。結(jié)果表明，OCT成像技術(shù)可以應(yīng)用于不同類別陶瓷器的斷面結(jié)構(gòu)特征的無損研究，可以獲取樣品表層(如顏料層、漆繪層、釉層)、中間層(化妝土層或釉過渡層)以及胎體表面的OCT斷層圖像信息，通過強散射顆粒和氣泡的大小和分布、釉層均勻性、多層釉以及透過率等特征，可以探索不同陶、瓷器的制作工藝特點及圖形學(xué)上的特征差異，研究結(jié)果可以對基于裸眼觀察對陶瓷器釉系的劃分進行驗證和補充，為研究陶瓷的技術(shù)發(fā)展和交流提供重要的圖形學(xué)信息?？傮w來講，OCT成像的深度與材料的吸收系數(shù)密切相關(guān)，釉的吸收和散射程度及通透情況與釉料的配方組分和工藝關(guān)系緊密，OCT成像技術(shù)在透明度較好(對光吸收少、散射少)的瓷器的斷層圖像結(jié)構(gòu)分析中具有突出的優(yōu)勢。不過，由于分辨率和對透過率的局限，現(xiàn)有的OCT成像技術(shù)在探索如二次燒成的三彩釉陶器的不同色釉以及透明度較差(對吸收較強或散射較強)的彩陶和漆繪陶的顏料層和漆繪層的分析方面略顯不足。

致謝 感謝河南省文物考古研究院樊溫泉、郭木森、胡永慶研究員，鄭州大學(xué)李國霞教授，皖西博物館、安徽省文物考古研究所姚政權(quán)副研究員在實驗分析過程中給予的支持和幫助。

(2015年9月1日收稿)

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(編輯：溫文)

Nondestructive analysis of section structure of common ceramic cultural relics based on OCT imaging technology

DONG Junqing, LI Qinghui, YAN Xin
Center of Sci-tech Archaeology, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China

Utilizing the optical coherence tomography (OCT) imaging technology, we nondestructively analyzed the section structure of some ceramic cultural relics (such as colored pottery, lacquer painted pottery, tri-colored glazed pottery of the Tang Dynasty, glazed pottery with twisted body, celadon and Jun porcelain) unearthed from Henan and Anhui provinces and dated from Neolithic Period to the Western Han Dynasty. We obtained the section structure imaging characteristics of the surface (the layers of pigment, lacquer and glaze), the middle layer, the glaze/body boundaries and the body of the different type ceramic objects. The production process characteristics of the different ceramic antiquities were discussed based on the characteristics. In addition, we also discussed the advantages and limitations of the OCT imaging technology in analyzing the section structure of diverse ceramic culture relics.

optical coherence tomography (OCT), ceramic cultural relic, section structure, nondestructive analysis

10.3969/j.issn.0253-9608.2015.05.002

*國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2012CB720901、2012CB720906)，科技支撐計劃課題(2013BAK08B08)和國家自然科學(xué)基金(51402326、11374314)資助

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