三星堆考古現場“大出風頭”的光學儀器

高輝

時隔幾十年后，考古學家們再次啟動了三星堆遺址的挖掘工作。與上次考古挖掘相比，此次挖掘活動不僅引入媒體直播手段，讓民眾有了更多的參與感，而且科技含量十足。借助高科技設備，考古學家在文物被發(fā)掘出的第一時間就能對其進行初步的觀察和探測。本文就介紹三種在三星堆考古現場使用的光學儀器。

無微不察—超景深顯微鏡

細心的觀眾可能發(fā)現，三星堆考古發(fā)掘現場有一臺使用非常頻繁的設備，那就是超景深顯微鏡。

顯微鏡是大家熟悉的光學設備，可以通過無損、非接觸的方式采集高精度光學信息。我們日常使用的顯微鏡配備了多個物鏡，放大倍率從低倍（如4x）到高倍（如100x）不等。一般情況下的使用步驟是，先在低倍鏡下尋找到要觀察的目標區(qū)域并調整清晰，然后旋轉物鏡旋轉盤，依次從低倍逐漸切換為高倍，分別進行觀察。之所以要從低倍到高倍切換物鏡，而不是直接使用高倍物鏡，一方面是因為高倍物鏡觀察視野非常小，很難直接找到目標區(qū)域；另一方面是因為高倍物鏡的工作距離（也叫物距）非常短，要是觀察的物體表面高低起伏，那么在移動物體尋找觀察區(qū)域的過程中，物體很可能會撞上物鏡，既會損傷物鏡，也會損傷物體本身。

常用顯微鏡的人可能都會遇到這樣一種情況，即切換到高倍物鏡時，會發(fā)現物體上下移動一丁點，圖像就不清晰了。這是因為一般顯微鏡的物鏡景深非常淺，所謂景深，就是指鏡頭能夠清晰成像的深度。

超景深顯微鏡就不一樣了，別看它沒有那么多從低倍到高倍的物鏡，從上到下只有直溜溜的一個物鏡，但這個物鏡很不一般，它的景深遠遠超出普通顯微鏡物鏡的景深，能夠對很長一段距離內的物體清晰成像。

除此之外，超景深顯微鏡的物鏡還有一個非常強大的功能，那就是可以實現放大倍率從幾倍到幾千倍的連續(xù)變化！能夠實現如此強大的變倍功能的秘訣，就是物鏡中的光學變焦系統(tǒng)。物鏡中有一個（或者一部分）光學鏡片可以在一定范圍內上下移動，從而實現整體物鏡系統(tǒng)的倍率變化。

倍率連續(xù)變化的特性令超景深顯微鏡使用起來非常方便（尤其對不透明物體的觀察），結合精確控制的機械運動系統(tǒng)和超景深拍攝特性，超景深顯微鏡可以通過連續(xù)拍攝、拼接融合的方式，對物體實現大范圍高精度成像，甚至能夠在計算機中重構出物體的三維結構。

因此，通過超景深顯微鏡，科研人員可以在文物被發(fā)掘出的第一時間，對文物表面進行觀察和三維建模，接下來再進行相關分析。

一眼千年—高光譜成像系統(tǒng)

人眼之所以能夠看到各種各樣的顏色，是由于視網膜上有三種具有不同光譜響應曲線的視錐細胞，能夠在大腦中產生紅綠藍（RGB）三種不同色彩的視覺信號，我們看到的顏色就是通過這三組顏色按不同比例混合產生的。這個過程中復雜光譜會被簡并為三個通道的不同權重，因此會缺損大量的信息。

日常使用的彩色照相機為了模擬人眼對色彩的感知，會在感光元件表面覆蓋紅綠藍三種濾光片。具有三個色彩通道的相機可滿足人們的日常需求，但在科研過程中，僅有三個色彩通道遠遠不夠，還需要多光譜乃至高光譜成像系統(tǒng)（高光譜成像系統(tǒng)的通道數目遠多于多光譜成像系統(tǒng)）。

無論是高光譜還是多光譜成像，其本質是將不同光譜通道的像在空間或時間上分離，再通過計算機匯總成“數據立方”進行分析，從而獲得遠超普通彩色照片的信息。

高光譜成像近年來被廣泛應用于遙感、醫(yī)療、礦物探測、農業(yè)環(huán)保等領域。例如，將紫外/紅外光譜分為成百上千個通道，每個通道都拍攝一張照片。如此一來，所獲得的照片就不再是一張平面照片，而是一個“數據立方”。對這個“數據立方”可以進行多個維度的對比分析，從而獲得常規(guī)照片難以表現出來的豐富信息。某個通道或多個通道的組合可以形成“指紋特征”，用來表征特定的物質組分、密度或應力分布等。

需要強調的一點是，高光譜成像技術首先是一種成像技術，在實現成像功能的前提下引入高光譜信息，增加了信息分析的維度，對物質組分等提供了定性或半定量分析手段，更關注特定類型物質的分布。常見用于光譜分析的有紫外/紅外吸收譜、反射譜、激光誘導等離子體光譜以及拉曼光譜等。光譜分析技術可以對物質進行較為精確的定量分析，尤其是對物質成分和含量的分析精度往往優(yōu)于高光譜成像技術。但大多數光譜分析技術不具備成像功能，或依賴其他技術（如掃描成像等）才能夠實現成像功能。在實際科研過程中，這兩類技術也是相輔相成、互相補充的，例如可以通過高光譜成像技術確定物質分布，再通過更精確的光譜分析手段對特定目標位置進行定量分析，確定物質成分和含量。

另外，要注意的是，由于高光譜或多光譜成像系統(tǒng)的通道數目遠多于人眼的三通道，因此高光譜或多光譜圖像已經無法用正常的色彩來表示，而是會將識別出的不同物質成分、密度、應力等物化參數人工添加“偽彩色”，以區(qū)分不同目標的分布，如下圖所示。