高輝

時(shí)隔幾十年后，考古學(xué)家們?cè)俅螁?dòng)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(dòng)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(shè)備，考古學(xué)家在文物被發(fā)掘出的第一時(shí)間就能對(duì)其進(jìn)行初步的觀察和探測(cè)。本文就介紹三種在三星堆考古現(xiàn)場(chǎng)使用的光學(xué)儀器。

無(wú)微不察—超景深顯微鏡

細(xì)心的觀眾可能發(fā)現(xiàn)，三星堆考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)有一臺(tái)使用非常頻繁的設(shè)備，那就是超景深顯微鏡。

顯微鏡是大家熟悉的光學(xué)設(shè)備，可以通過(guò)無(wú)損、非接觸的方式采集高精度光學(xué)信息。我們?nèi)粘Ｊ褂玫娘@微鏡配備了多個(gè)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(biāo)區(qū)域并調(diào)整清晰，然后旋轉(zhuǎn)物鏡旋轉(zhuǎn)盤(pán)，依次從低倍逐漸切換為高倍，分別進(jìn)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?yàn)楦弑段镧R觀察視野非常小，很難直接找到目標(biāo)區(qū)域；另一方面是因?yàn)楦弑段镧R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(dòng)物體尋找觀察區(qū)域的過(guò)程中，物體很可能會(huì)撞上物鏡，既會(huì)損傷物鏡，也會(huì)損傷物體本身。

常用顯微鏡的人可能都會(huì)遇到這樣一種情況，即切換到高倍物鏡時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)物體上下移動(dòng)一丁點(diǎn)，圖像就不清晰了。這是因?yàn)橐话泔@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(méi)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(gè)物鏡，但這個(gè)物鏡很不一般，它的景深遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通顯微鏡物鏡的景深，能夠?qū)荛L(zhǎng)一段距離內(nèi)的物體清晰成像。

除此之外，超景深顯微鏡的物鏡還有一個(gè)非常強(qiáng)大的功能，那就是可以實(shí)現(xiàn)放大倍率從幾倍到幾千倍的連續(xù)變化！能夠?qū)崿F(xiàn)如此強(qiáng)大的變倍功能的秘訣，就是物鏡中的光學(xué)變焦系統(tǒng)。物鏡中有一個(gè)（或者一部分）光學(xué)鏡片可以在一定范圍內(nèi)上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)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(lái)非常方便（尤其對(duì)不透明物體的觀察），結(jié)合精確控制的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和超景深拍攝特性，超景深顯微鏡可以通過(guò)連續(xù)拍攝、拼接融合的方式，對(duì)物體實(shí)現(xiàn)大范圍高精度成像，甚至能夠在計(jì)算機(jī)中重構(gòu)出物體的三維結(jié)構(gòu)。

因此，通過(guò)超景深顯微鏡，科研人員可以在文物被發(fā)掘出的第一時(shí)間，對(duì)文物表面進(jìn)行觀察和三維建模，接下來(lái)再進(jìn)行相關(guān)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(wǎng)膜上有三種具有不同光譜響應(yīng)曲線的視錐細(xì)胞，能夠在大腦中產(chǎn)生紅綠藍(lán)（RGB）三種不同色彩的視覺(jué)信號(hào)，我們看到的顏色就是通過(guò)這三組顏色按不同比例混合產(chǎn)生的。這個(gè)過(guò)程中復(fù)雜光譜會(huì)被簡(jiǎn)并為三個(gè)通道的不同權(quán)重，因此會(huì)缺損大量的信息。

日常使用的彩色照相機(jī)為了模擬人眼對(duì)色彩的感知，會(huì)在感光元件表面覆蓋紅綠藍(lán)三種濾光片。具有三個(gè)色彩通道的相機(jī)可滿(mǎn)足人們的日常需求，但在科研過(guò)程中，僅有三個(gè)色彩通道遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)目遠(yuǎn)多于多光譜成像系統(tǒng)）。

無(wú)論是高光譜還是多光譜成像，其本質(zhì)是將不同光譜通道的像在空間或時(shí)間上分離，再通過(guò)計(jì)算機(jī)匯總成“數(shù)據(jù)立方”進(jìn)行分析，從而獲得遠(yuǎn)超普通彩色照片的信息。

高光譜成像近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于遙感、醫(yī)療、礦物探測(cè)、農(nóng)業(yè)環(huán)保等領(lǐng)域。例如，將紫外/紅外光譜分為成百上千個(gè)通道，每個(gè)通道都拍攝一張照片。如此一來(lái)，所獲得的照片就不再是一張平面照片，而是一個(gè)“數(shù)據(jù)立方”。對(duì)這個(gè)“數(shù)據(jù)立方”可以進(jìn)行多個(gè)維度的對(duì)比分析，從而獲得常規(guī)照片難以表現(xiàn)出來(lái)的豐富信息。某個(gè)通道或多個(gè)通道的組合可以形成“指紋特征”，用來(lái)表征特定的物質(zhì)組分、密度或應(yīng)力分布等。

需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，高光譜成像技術(shù)首先是一種成像技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)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(duì)物質(zhì)組分等提供了定性或半定量分析手段，更關(guān)注特定類(lèi)型物質(zhì)的分布。常見(jiàn)用于光譜分析的有紫外/紅外吸收譜、反射譜、激光誘導(dǎo)等離子體光譜以及拉曼光譜等。光譜分析技術(shù)可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行較為精確的定量分析，尤其是對(duì)物質(zhì)成分和含量的分析精度往往優(yōu)于高光譜成像技術(shù)。但大多數(shù)光譜分析技術(shù)不具備成像功能，或依賴(lài)其他技術(shù)（如掃描成像等）才能夠?qū)崿F(xiàn)成像功能。在實(shí)際科研過(guò)程中，這兩類(lèi)技術(shù)也是相輔相成、互相補(bǔ)充的，例如可以通過(guò)高光譜成像技術(shù)確定物質(zhì)分布，再通過(guò)更精確的光譜分析手段對(duì)特定目標(biāo)位置進(jìn)行定量分析，確定物質(zhì)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(shù)目遠(yuǎn)多于人眼的三通道，因此高光譜或多光譜圖像已經(jīng)無(wú)法用正常的色彩來(lái)表示，而是會(huì)將識(shí)別出的不同物質(zhì)成分、密度、應(yīng)力等物化參數(shù)人工添加“偽彩色”，以區(qū)分不同目標(biāo)的分布，如下圖所示。