近年来, 国内外一些研究者利用OCT技术在陶瓷考古方面开展了一些技术研究。由于不同陶瓷器烧制工艺不同, 因此具有不同的断面特征。对不同陶瓷器断面特征进行分析, 可以为陶瓷器的溯源, 即判断不同窑系陶瓷器或同一窑系不同时期的陶瓷器提供重要信息。Targowski等^{[24, 25]}首次应用OCT技术对陶瓷器釉层进行了OCT成像研究, 如图2所示, 瓷器的釉层厚度相比彩陶的更厚, 而且内部的散射颗粒也更少。Yang等^[26]利用OCT技术对中国宋元时期（10~14世纪）来自七种不同窑系瓷器碎片的釉层结构进行了成像研究, 揭示了不同时期不同窑系样品独特的相组合模式, 作者认为OCT技术可以用来识别瓷器并且提供相关制造工艺的信息。

图2

Fig.2

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	图2 瓷器与彩陶的二维OCT断层图像[25]（a：瓷器; b：彩陶）Fig.2 Comparison between OCT tomograms of Japanese porcelain (a) and faience (b)

国内方面, 严鑫等^[27]采用中心波长1 310 nm的扫频OCT系统, 对河南和安徽出土的新石器时代至宋代的几种陶瓷器文物（彩陶、漆绘陶、唐三彩、绞胎釉陶、青瓷和钧瓷）的断面结构进行无损分析, 获取了不同类别陶瓷器的表层（颜料层、底漆层和釉层）、中间层、胎釉结合面以及胎体表面的断面结构图像特征。图3是3种仰韶文化彩陶样品的二维OCT断层图像, 可以看到, 黑彩对光的吸收较强, 光的穿透深度较小, 而红色和白色陶衣呈现强散射特性, 光在其中穿透较深; 黑彩的致密程度不一样, 也会在OCT图像中显示出差异。图4是唐三彩样品的二维OCT断层图像, 从中可以清晰分辨出釉层、中间层和胎体, 该样品的釉层中几乎不见明显的气泡, 部分区域有少量强散射颗粒。该研究还分别选取了一件青瓷样品和钧瓷样品进行OCT成像分析, 从图5可以发现, 瓷器的OCT图像与陶器截然不同, 瓷器釉层中有许多气泡和高亮团簇（即异质颗粒）。而钧瓷样品特征也很鲜明, 其釉层存在明显的分层现象。钧瓷样品的胎釉交界面不及前述的唐三彩和青瓷样品明显。上述研究基于OCT图像中的断层结构特征, 提出并验证了采用OCT图像断层结构特征描述不同种类陶瓷器的方案。该研究团队还对古瓷釉的光学吸收特征、气泡特征和纹理特征进行了定量研究^{[28, 29]}, 这些特征的获取对研究分析陶瓷器的制作工艺、产地和时代特征等具有重要的意义。

图3

Fig.3

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	图3 3种仰韶文化彩陶器的二维OCT图像[27]（a、b：白衣黑彩彩陶; c：红衣黑彩彩陶）Fig.3 The OCT tomograms of three kinds of colored pottery of Yangshao culture

图4

Fig.4

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	图4 唐三彩样品的二维OCT图像[27]（a：绿-白-黄色区域; b：蓝-白-绿色区域）Fig.4 The OCT tomograms of two sorts of tri-colored glazed pottery of Tang Dynasty

图5

Fig.5

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	图5 青瓷样品和钧瓷样品二维OCT断层图像[27]（a：青瓷; b：钧瓷）Fig.5 The OCT tomograms of celadon (a) and Jun porcelain (b)

杨姗姗等^[30]采用OCT系统对来自北宋的定窑瓷器进行无损检测及断层图像分析, 观察到定窑瓷器表层釉质和胎体层的层状结构以及不同结构的界面, 得到瓷器表面的施釉情况、釉层特点、釉层和胎体的风化特征、其中气泡及晶体颗粒的分布、穿透深度等信息, 同时还可分析釉层和胎体表面工艺以及二次修补的信息。钟丹霞等^[31]基于OCT技术对河南省宝丰县清凉寺窑址出土的29件金元时期青瓷、钧瓷釉层物理结构进行定性分类, 利用纹理分析技术提取了釉层的量化特征, 实现了对釉层结构的量化表征。

玉石是一类重要的文物。人们常常根据古玉石沁色钙化特征鉴别和评价年代久远的古玉石。但是, 仅凭表面特征难以区分它们与通过热处理等精细过程仿制的人工玉。曾楠等^[32]利用1 310 nm OCT系统研究了OCT断层图像信息与玉石结构特征的对应关系, 并根据翡翠样品在层析成像中光学散射特性随深度变化的梯度和在二维被测切面内的强弱分布, 提出了评估翡翠透明度和净度特性的光学方法, 指出OCT 图像特征可直观显示古玉钙化沁色部分的光学特性差异, 即OCT 成像反映的古玉不同表面特征下的内部光学特性具有区分玉石玉质、钙化、沁色特征的可能性。图6显示了玉石钙化和沁色部位OCT图像的特点。

图6

Fig.6

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	图6 玉石二维OCT断层图像[32]（a：钙化部位; b：沁色部位）Fig.6 OCT tomograms of Jade calcification (a) and impregnation (b)

许鹏等^[33]利用中心波长830 nm的OCT系统对玉石亚表面结构进行定量检测, 利用数字图像分析技术计算出缺陷的精确位置以及尺寸大小, 同时研究分析了光在玉石样品中的散射、吸收等光学特性, 给出了评价玉石样品材质均匀性的定量描述, 提出了玉石材质的评价方法。图7a显示了一块和田玉的OCT二维断层图像, 和田玉晶粒排列紧密且规则, 使得和田玉结构致密, 较细腻。光在致密且均匀的介质中散射效应较小, 而在折射率突变的区域将会产生较强的散射, 同时从OCT图像中还可清晰看到样品内部存在一些异常大的结晶颗粒。图7b显示的是蓝田玉内部层状结构, 同层结构比较紧密, 但是在层与层的过渡区域结构排列不规则, 所以在OCT图像上在层状结构的过渡区域显现出较强的散射效应。图7c是青白玉样品的OCT图像, 可以看出此样品内部光散射均匀, 但是存在一个异常的结晶颗粒。采用数字图像技术, 则可精确地获得结晶颗粒的位置以及颗粒大小。

图7

Fig.7

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	图7 玉石二维OCT断层图像[33]（a：和田玉; b：蓝田玉; c：具有结晶颗粒的青白玉）Fig.7 OCT tomograms of Jade (a. Hetian jade; b. Lantian Jade; c. light greenish white jade with crystalline particle)

沁色特征是区分真假玉石的关键指标。伪玉石的制作中, 给玉石加温受沁是重要步骤。经过加温的玉石表面更亮, 与真玉从表面上较难区分。尽管如此, 伪玉石的内表面结构与通过自然过程形成的真玉石的内部结构仍然存在较大差异, 通过OCT技术的断层成像能力, 则可以无损地探测到这种差异, 因此可以用来辨别玉石的真伪。Yang等^[34]采用中心波长分别为800 nm和1 310nm的两套OCT系统, 对3件自然受沁的真玉（来自齐家文化、良渚文化时期）和2件伪玉进行了OCT断层成像, 研究其内表面结构特征。从真玉石的OCT断层图像和伪玉石加温前后的OCT断层图像对比可以发现, 原始未加温的伪玉石透光度较好, 对光的散射较少, 图像较暗, 加温后, 玉石内部对光的散射增强, 图像中可以在内部看到较多光散射信号。与此同时, 一些大尺度的结构特征仍然保留下来。但是, 经过自然受沁的真玉石, 内部散射更加均匀, 散射光深度更深, 大尺度结构特征却由于自然受沁过程逐渐消失。OCT技术为鉴别真伪玉石提供了传统方法所无法提供的内部结构特征。Liang等^[35]则利用930 nm的OCT系统, 对一块软玉剑和一块风化玉鱼进行了断层成像, 如图8所示。可以看到, OCT图像可以直观显示玉石内部的结构, 比如软玉刀片内部的晶状结构以及风化玉鱼内部的均匀散射以及一些强吸收的部位, 即通过玉石内部结构可以实现不同种类玉石的区分。

图8

Fig.8

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	图8 玉剑和玉鱼OCT图像[35]（a：大英博物馆软玉剑（新石器时代）; b：软玉剑OCT断层结构图; c：大英博物馆风化玉鱼; d： 风化玉鱼断层结构图）Fig.8 Jade sword and fish receiving OCT examination (a. one nephrite jade blade from British Museum (neolithic); b. OCT B-scan showing the crystal structure; c. one weathered jade fish from British Museum; d. B-scan showing strong scattering)

油画是用颜料在经过处理的布或木板上作画。由于油画颜料不透明, 覆盖力强, 所以绘画时常常采用逐层覆盖的方法, 使绘画产生立体感或对绘画进行修改。油画检验是OCT技术在文物检验领域最早的几个应用之一, 国外有许多研究者利用OCT技术对油画内部的分层结构进行无损成像研究, 获知油画在创作过程中是否有修改, 以此来鉴别油画的真伪。

一般来说, 为了更长久的保存, 油画最表层会涂上一层光油（varnish layer）。Liang等^[36]利用高分辨OCT来区分新旧光油层。图9a是一幅有50年历史的油画, 画中的A点位置是原始光油层, 由于时间较长, 已经泛黄。B点是去除旧的光油层之后, 又重新填补了一层新的光油, 其OCT断层结构图像如图9b所示, C点无任何光油层, 其OCT图像如图9c所示, 从b和c图可以清晰看到新光油层的存在。D点是新老光油层的交界位置, 从画中D点的OCT断层结构图像中还可以清晰地观察到两层光油, 分别是较薄的旧光油和较厚的新光油。图9(e)是用高分辨的850 nmOCT系统得到的A点位置OCT断层结构图像。通过850 nm和1 310 nm双系统, 还可以对光油层的厚度进行测量。除了对光油层进行分析外, 还有研究者对油画的草图底稿进行研究^{[36, 37]}。一般绘制油画的第一步是在画布上先画素描稿, 之后再进行上色。对素描底稿进行探测, 对于鉴别油画的修改至关重要, 通过OCT的层析成像, 可以获取油画不同深度处的横截面图像, 从而清晰辨别出素描底稿。

图9

Fig.9

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	图9 油画OCT图像[36]（a：50年历史的测试油画; b~d：利用1310nmOCT系统在B、C、D位置得到的OCT断层图像; e：利用850nmOCT系统在A位置得到的OCT断层图像）Fig.9 One painting and OCT examination (a. one 50-year-old painting; b-d. 1300nm OCT imaging from Point B, C and D; e. 850nm OCT cross-sectional test at Point A)

Liang等^[38]对平托瑞丘的《圣卡特琳与供体的亚历山德里亚》画作进行了OCT成像。这幅油画有一点比较特殊, 颜料覆盖在一层黄金基底上, OCT断层图像则清晰地显示了光油层、颜料层和黄金基底的分层结构, 如图10所示。OCT图像中最左边是裸露的黄金基底, 中间是蓝色颜料层, 覆盖在黄金基底上, 最右边则是光油层覆盖在颜料层之上。作者认为, 要将油画绘画知识和仪器成像原理结合起来, 才能更好地解读OCT图像。图11显示的则是一位匿名的荷兰艺术家创作的Magdalen油画及其OCT图像^{[35, 39]}, 从OCT断层结构图中我们可以观察到光油层、一层透明红湖颜料以及一层不透明的颜料层, 图像中垂直的黑线区域代表此处是对光有强吸收的草图底稿。从OCT横截面图中, 我们还可以清晰观察到作者画的素描底稿, 如图11右中部图像所示。Spring和Liang等指出^{[35, 40]}, OCT技术还可以用来探测油画内部的损伤以及颜料损耗, 而颜料的损耗一般无法通过常规的X线成像方法观察到。

图10

Fig.10

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	图10 平托瑞丘的《艾莉克赞卓的圣卡特琳与供者》及其OCT断层图像[38]Fig.10 Saint Catherine of Alexandria with a Donor (1480-1500) by Pintoricchio and its OCT image

图11

Fig.11

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	图11 一位荷兰艺术家创作的Magdalen油画及其OCT图像[35, 39]Fig.11 The painting of Magdalen by an anonymous Netherlandish artist and its OCT image