三星堆考古现场“大出风头”的光学仪器

时隔几十年后，考古学家们再次启动了三星堆遗址的挖掘工作。与上次考古挖掘相比，此次挖掘活动不仅引入媒体直播手段，让民众有了更多的参与感，而且科技含量十足。借助高科技设备，考古学家在文物被发掘出的第一时间就能对其进行初步的观察和探测。本文就介绍三种在三星堆考古现场使用的光学仪器。

无微不察—超景深显微镜

细心的观众可能发现，三星堆考古发掘现场有一台使用非常频繁的设备，那就是超景深显微镜。

显微镜是大家熟悉的光学设备，可以通过无损、非接触的方式采集高精度光学信息。我们日常使用的显微镜配备了多个物镜，放大倍率从低倍（如4x）到高倍（如100x）不等。一般情况下的使用步骤是，先在低倍镜下寻找到要观察的目标区域并调整清晰，然后旋转物镜旋转盘，依次从低倍逐渐切换为高倍，分别进行观察。之所以要从低倍到高倍切换物镜，而不是直接使用高倍物镜，一方面是因为高倍物镜观察视野非常小，很难直接找到目标区域；另一方面是因为高倍物镜的工作距离（也叫物距）非常短，要是观察的物体表面高低起伏，那么在移动物体寻找观察区域的过程中，物体很可能会撞上物镜，既会损伤物镜，也会损伤物体本身。

常用显微镜的人可能都会遇到这样一种情况，即切换到高倍物镜时，会发现物体上下移动一丁点，图像就不清晰了。这是因为一般显微镜的物镜景深非常浅，所谓景深，就是指镜头能够清晰成像的深度。

超景深显微镜就不一样了，别看它没有那么多从低倍到高倍的物镜，从上到下只有直溜溜的一个物镜，但这个物镜很不一般，它的景深远远超出普通显微镜物镜的景深，能够对很长一段距离内的物体清晰成像。

除此之外，超景深显微镜的物镜还有一个非常强大的功能，那就是可以实现放大倍率从几倍到几千倍的连续变化！能够实现如此强大的变倍功能的秘诀，就是物镜中的光学变焦系统。物镜中有一个（或者一部分）光学镜片可以在一定范围内上下移动，从而实现整体物镜系统的倍率变化。

倍率连续变化的特性令超景深显微镜使用起来非常方便（尤其对不透明物体的观察），结合精确控制的机械运动系统和超景深拍摄特性，超景深显微镜可以通过连续拍摄、拼接融合的方式，对物体实现大范围高精度成像，甚至能够在计算机中重构出物体的三维结构。

因此，通过超景深显微镜，科研人员可以在文物被发掘出的第一时间，对文物表面进行观察和三维建模，接下来再进行相关分析。

一眼千年—高光谱成像系统

人眼之所以能够看到各种各样的颜色，是由于视网膜上有三种具有不同光谱响应曲线的视锥细胞，能够在大脑中产生红绿蓝（RGB）三种不同色彩的视觉信号，我们看到的颜色就是通过这三组颜色按不同比例混合产生的。这个过程中复杂光谱会被简并为三个通道的不同权重，因此会缺损大量的信息。

日常使用的彩色照相机为了模拟人眼对色彩的感知，会在感光元件表面覆盖红绿蓝三种滤光片。具有三个色彩通道的相机可满足人们的日常需求，但在科研过程中，仅有三个色彩通道远远不够，还需要多光谱乃至高光谱成像系统（高光谱成像系统的通道数目远多于多光谱成像系统）。

无论是高光谱还是多光谱成像，其本质是将不同光谱通道的像在空间或时间上分离，再通过计算机汇总成“数据立方”进行分析，从而获得远超普通彩色照片的信息。

高光谱成像近年来被广泛应用于遥感、医疗、矿物探测、农业环保等领域。例如，将紫外/红外光谱分为成百上千个通道，每个通道都拍摄一张照片。如此一来，所获得的照片就不再是一张平面照片，而是一个“数据立方”。对这个“数据立方”可以进行多个维度的对比分析，从而获得常规照片难以表现出来的丰富信息。某个通道或多个通道的组合可以形成“指纹特征”，用来表征特定的物质组分、密度或应力分布等。

需要强调的一点是，高光谱成像技术首先是一种成像技术，在实现成像功能的前提下引入高光谱信息，增加了信息分析的维度，对物质组分等提供了定性或半定量分析手段，更关注特定类型物质的分布。常见用于光谱分析的有紫外/红外吸收谱、反射谱、激光诱导等离子体光谱以及拉曼光谱等。光谱分析技术可以对物质进行较为精确的定量分析，尤其是对物质成分和含量的分析精度往往优于高光谱成像技术。但大多数光谱分析技术不具备成像功能，或依赖其他技术（如扫描成像等）才能够实现成像功能。在实际科研过程中，这两类技术也是相辅相成、互相补充的，例如可以通过高光谱成像技术确定物质分布，再通过更精确的光谱分析手段对特定目标位置进行定量分析，确定物质成分和含量。

另外，要注意的是，由于高光谱或多光谱成像系统的通道数目远多于人眼的三通道，因此高光谱或多光谱图像已经无法用正常的色彩来表示，而是会将识别出的不同物质成分、密度、应力等物化参数人工添加“伪彩色”，以区分不同目标的分布，如下图所示。

高光谱成像技术在此次三星堆考古发掘中发挥着重要作用。例如，考古人员通过对灰烬层样品的高光谱数据进行分析，发现特定灰烬物质在样品中的分散并不均匀，从而初步推断古人的一些祭祀活动流程。这些信息通过一般的光学照片是难以获得的。

火眼金睛—激光拉曼光谱仪

拉曼光谱是以其发现者印度物理学家拉曼的名字命名的。拉曼是亚洲首位诺贝尔物理学奖获得者。拉曼光谱的发现则是科学史上一段有名的趣事。英国物理学家瑞利通过瑞利散射理论解释了天空为什么是蓝色这一问题（严格来说，蓝天的成因还需考虑大气密度随机涨落理论），但对于大海为什么是蓝色，瑞利只是简单地解释为天空的反射。1921年，拉曼结束了在英国的旅程，乘船返回孟买。轮船途经地中海时，拉曼被波澜壮阔的蔚蓝大海吸引，掏出随身携带的尼科尔棱镜对准了海面。

海水在反射太阳光时，会使反射光产生特定的偏振方向（关于光的偏振可参阅本刊2020年12B《让大海五彩斑斓的光学魔法》一文）。尼科尔棱镜是一种基于双折射和全反射效应特殊设计的光学装置，恰好能够消除特定方向的偏振光。

拉曼透过尼科尔棱镜对大海进行观察，当将棱镜摆放到恰好能消除海面反射光的角度时，大海的蓝色非但没有消失，反而展现出一种更深的蔚蓝色。这说明大海的蓝色并不是瑞利所说“天空的反射”所导致的。拉曼坚信，大海的蓝色是一种独特的光学现象。

下船之后的拉曼并未将旅途中的这段插曲抛之脑后，反而设计并进行了一系列的周密实验，对物质分子与光波的散射作用进行了深入研究，发现了后被称为拉曼散射的光学现象。我们日常所见的散射作用（如瑞利散射）都是弹性散射，即散射光与入射光的频率（也可以简单理解为光波长）保持一致。但是拉曼散射是一种非弹性散射，光波在散射后频率会发生变化。

拉曼效应有一种非常独特的性质，就是它可以随着分子振动、转动的改变而发生，表现为在拉曼光谱上形成特定的拉曼位移。拉曼位移是指入射光与散射光频率的差值，它与入射光本身的频率无关，这也是拉曼光谱适用于物质表征的良好特性之一。举例来说，磷—磷键中的单键、双键和三键对应的拉曼位移分别是460、610和775 cm-1，因此不同的分子会形成不同的“特征峰”，类似于一一对应的指纹。所以我们可以通过拉曼光谱来反推物质的构成，不仅可以实现定性分析，条件允许的情况下还可以进行非常准确的定量分析。

激光拉曼光谱技术就是一种利用激光作为拉曼效应激发光源的技术。之所以用激光作为光源，除了激光能量强之外，还有一个很重要的原因是激光是单波长光源，得到的拉曼光谱特征峰更加锐利，而且光源本身的波长可以通过滤光片简单滤除，不会影响拉曼光谱信号。近些年来，拉曼光谱技术也出现了众多革新，如结合激光共聚焦显微镜，可以实现高分辨率的微区拉曼观测与扫描成像；引入偏振技术，可以获得分子取向和化学键振动对称性的相关信息等。

随着科技手段日新月异的发展，相信未来会有更多先进的光学仪器被应用到一线考古工作中，成为考古工作者手中的科研利器。