摘要無損檢測是文物科學保護中的重要內容之一，而其中紅外技術因其非接觸、非破壞、高效率、適用性廣、安全性好等諸多優勢而得到普遍應用。在簡要介紹紅外技術相關原理和特點的基礎上，綜述了紅外攝影、紅外光譜和紅外熱成像應用于該領域所取得的最新成果，發現不同技術在表征文物影像特征、內部結構以及物理化學性質方面各有成效。紅外技術能夠挖掘各種類型文物的價值、工藝、病害和修復歷史等隱藏信息，為其科學認知和保護提供定性甚至定量參考依據，因此表現出廣闊的應用前景。

　　關鍵詞紅外技術;無損檢測;文物保護

　　作為歷史悠久的文明古國，中國留存有極為豐富多樣的物質文化遺產，其中包括近77萬處不可移動文物和10815萬多件國有可移動文物。這些珍貴遺產是反映中華民族政治、經濟、文化、科技等各個方面發展演變歷程的重要資源，蘊含著無可替代的歷史、藝術和科學價值。然而，在自然環境和人類活動兩方面因素的長期綜合作用下，眾多文物都遭受到不可逆轉的毀滅性破壞。國家文物局最新公布的全國文物普查數據表明，保存狀況較差的不可移動文物約占總數的25%[1]，而因腐蝕損毀急需修復的可移動文物占比接近40%[2]，其現狀堪憂。

　　文學論文投稿刊物：中原文物(雙月刊)創刊于1977年，是由河南博物院主辦，龍門石窟研究所、河南省文物交流中心及洛陽博物館協辦的文物考古學術期刊。

　　因此，文物保護對于繼承優秀的民族文化、弘揚燦爛的人類文明有著關鍵作用。文物的科學保護是指通過采取一系列必要的技術手段和管理措施抑制甚至消除危害文物安全的各類因素，從而減緩整個劣化進程，有效延長其存續壽命。該研究領域涉及的學科復雜，內容廣泛，包括文物本體認知、賦存環境、劣化機理、保護材料及修復技術、價值傳播等多個方面。由于文物的唯一性、獨特性和不可再生性，開展保護工作需要在保持其完整性的同時最大限度地獲取原始信息，避免造成美學外觀和物理化學性質的變化。

　　無損檢測是指對物體實施一種不損害或不影響其未來使用性能或用途的檢測手段[3]，通常是利用材料的聲、光、電磁、渦流等物理特性來表征表面或內部缺陷，測定其幾何特征、性質和構成。然而，部分手段會附帶產生輻射或揮發性有毒物質，對人體和環境造成危害。紅外技術隨著紅外輻射理論和探測設備的不斷發展而興起，并因其相對安全、副作用小、非接觸、非破壞、高精度、高效率等優勢而逐漸被廣泛應用。本文在簡要介紹紅外技術及相關儀器原理、特點的基礎上，重點梳理了該技術在國際文物保護領域的重要成果與最新進展，以期為我國文物科學保護中的無損檢測分析研究提供一定的補充和參考。

　　1紅外技術概述

　　作為電磁波的一種，紅外光是介于可見光與微波之間的非可見光，其波長范圍在0.75~1000μm之間。各類標準對波段的具體劃分不完全相同，其中較為廣泛的分類方式，包括近紅外(nearinfrared,NIR)、短波紅外(shortwaveinfrared,SWIR)、中波紅外(midwaveinfrared,MWIR)、長波紅外(longwaveinfrared,LWIR)和遠紅外(farinfrared,FIR)。紅外光照到物體表面會發生吸收、反射、透射、折射和散射等現象，因此各種檢測設備應運而生。

　　1.1紅外攝影

　　紅外攝影是在光源照亮被攝物體后，利用相機記錄其反射的紅外光信息進行成像。鹵素燈或白熾燈是最常用的光源，而合理使用紅外濾光片即可阻止可見光部分進入相機，因此該方法具有成本低廉、安全實用、操作簡便、效果直觀的特點。最終用以成像的紅外波段由相機感光元件類型決定，目前較為常見的CCD傳感器主要探測波長在1.1μm以下的近紅外光[4]，而InGaAs傳感器則對1~2μm的短波紅外具有較高靈敏度[5]。紅外攝影照片效果取決于物體與光線的相互作用方式。紅外吸收能力強的材料在影像中呈色更接近黑色，反之則越明亮。另外，紅外光波長較長，受散射效應影響更小，穿透力更強。因此，紅外攝影有助于將平常在可見光條件下肉眼難以識別的、被隱藏在文物內部的特征更多地揭示出來。

　　1.2紅外光譜

　　當利用一束具有連續波長的紅外光照射物體(固、液、氣體均可)時，若材料分子中某化學鍵及官能團的振動或轉動頻率與紅外區域某波段的振動頻率恰好相同，則分子吸收對應光子而發生共振。透射模式指儀器對穿透物體后的紅外光進行檢測分析，以波長(cm)或波數(cm-1)為橫坐標，吸光度或透光率為縱坐標可得到紅外吸收或透射光譜。反射模式具體分為鏡面反射、漫反射和衰減全反射三種類型。探測器接收的是經物體表面反射的光束，因此其表面形貌的影響不可忽略[6]。

　　紅外光譜圖是表征材料分子組成和化學結構的重要依據，主要特征包括吸收峰的數目、位置、強度及形狀。絕大多數有機或無機物的基團頻率都出現在波數4000~667cm-1(波長2.5~15μm)的范圍內。以波數1333cm-1(波長7.5μm)為分界，中波紅外段被稱為基團特征譜帶區，其特點是吸收峰數目少但特征性強，可用于官能團的鑒定;長波紅外段又稱指紋譜帶區，該區域內分布的吸收峰密集而復雜，并且易受整個分子所處環境的干擾。光譜分析適用的材料類型廣，檢測要求的樣品數量少且預處理簡單，整個過程快速省時、高效靈敏、無污染性，在材料的定性及定量表征方面有很大優勢。

　　1.3紅外熱成像

　　由于內部分子的熱運動，自然界中溫度高于絕對零度(-273.15℃)的一切物體都能不斷向外輻射紅外線，又稱熱輻射。輻射能量大小與物體自身溫度的4次方成正比，而與波長成反比。對于溫度介于室溫至數百度范圍內的物體，其輻射波長峰值在3~14μm，以中波紅外和長波紅外為主[7]。紅外熱像儀能夠大面積地探測目標物體的紅外輻射能量密度，并經過計算和光電信號處理，最終以彩色或灰色的可識別圖像反映其表面二維溫度場分布。紅外輻射能量密度主要取決于物體溫度與周圍環境間的差異，同時也受物體表面發射率、大氣環境條件(如氣溫、風速)以及檢測距離的影響。

　　實際應用過程中，紅外熱成像可采用兩種不同模式：被動法探測的是目標物體與周圍環境進行熱交換時，其本身自然發出的熱輻射;主動法需借助外部熱源對目標物體進行調制加熱，人為地使其脫離熱平衡狀態并引發瞬時溫度變化。熱激勵系統是主動式紅外熱成像的關鍵部分。物體所受激勵能量的大小取決于所用熱源類型、功率及兩者距離。激勵模式則由熱源的控制信號決定，常用的有步進、脈沖和鎖相式等[7]。熱源與紅外熱像儀既可在目標物體的同側，也可分別處于對側。

　　只要物體溫度與周圍環境不同，熱量就會在其內部發生流動，且均質材料內的熱流通常是均勻的。然而，一旦存在缺陷，熱力學性質差異會影響局部熱量傳遞并導致溫度的不均勻分布。缺陷可能與材料成分變化、不同組件的分界面、雜質、損傷(如裂縫、分離、剝落)等有關。紅外熱成像技術能通過捕捉物體表面“冷區”和“熱區”隨時間、空間的發展規律，實現對缺陷類型、位置、尺寸等特征的定性甚至定量描述。但需要注意的是，熱像圖實質是材料多種特性包括熱學(傳導、擴散、比熱)、光譜(發射、吸收、反射、透射)以及其他物理性質如表面條件、孔隙度、含水率等的綜合反映。

　　2應用現狀

　　2.1紅外攝影

　　國外學者常采用基于InGaAs傳感器的短波紅外攝影提取油畫類文物的隱藏細節，如起稿線條、筆觸技法和修涂痕跡等，以此揭示作者創作的理念、技巧及過程[8-12]。其中，白堊或石膏基底上的碳基顏料(石墨和木炭)最容易被識別，這是由于后者可吸收絕大部分紅外光，從而在照片中與高反射率的基底材料形成鮮明對比。該方法還成功恢復了年久失色、難以辨認的木乃伊紋身[13]以及古籍中遭到刪改、擦除的油墨字體[14-15]。

　　由于專業設備相對昂貴，以CCD數碼相機配合濾光片進行紅外攝影的方式逐漸興起。近紅外光不但使已褪色紡織品的原有背景顏色、圖案重新顯現[16-17]，還反映出16世紀北歐木刻作品中繪制線條和陰影所用的顏料及工藝信息[18]。在古代壁畫的調查中，柴勃隆等[19]、陳港泉等[20]發現多光譜攝影中的紅外光波段使壁畫繪畫的墨線條清晰可見。在木梯寺石窟煙熏壁畫的紅外光照片中，張遙等[21]觀察到了黑褐色污染物覆蓋下的完整畫面，包括菩薩像的服飾褶皺、身體姿態等諸多局部特征。

　　此外，壁畫中男、女護法神最終呈現的面部造型與其底稿之間也存在顯著差異，這充分表明工匠的創作意圖與風格在壁畫繪制過程中不斷改變，從而為相關史學研究提供了重要的實物資料。通過組合使用不同相機、光源和窄帶濾光片，Bendada等[22]在0.7~2μm范圍內的多個波段對油畫進行紅外攝影，發現成像波長越長，顏料下底稿圖案的對比度越明顯。Cosentino[23]的研究也表明，與近紅外相比，短波紅外對大部分顏料的穿透性更強。

　　然而，鈷藍較為特殊，其紅外吸收能力隨波長增加有所提高，因此這種顏料在高波段的透光性變差，呈色反而更暗。實際上，紅外攝影的最終成像效果受多種因素綜合影響，除了所用的紅外波段和感光元件特性，還包括文物本身的顏料性質(顏色、濃度和粒徑)、涂層厚度以及基底材料類型等[24]。Daffara等[25-26]指出，多波段紅外攝影能更大程度地反映出各種材料在不同波長紅外光作用下的光學性能差異，通過對比多組影像可以更加全面、細致地揭示文物內在的細節特征。

　　2.2紅外光譜

　　紅外光譜用于文物材料表征的時間相對較早，成果也較為豐富。針對以多糖、脂肪酸或蛋白質為基礎的繪畫膠結材料，陳冬梅等[27]梳理了傅里葉變換紅外(FTIR)光譜、同步輻射紅外(SRFTIR)光譜、亞衍射極限紅外(AFM-IR)分析等方法的特點與適用性。孫鳳等[28]綜述了國內學者目前使用紅外光譜的情況，涉及文物類型多樣，包括無機質的青銅器、土壤、顏料、珠寶玉石以及有機質的紙張、絲織品、彩繪膠料、有機殘留物和文物保護材料等。Thickett等[29]特別強調了紅外光譜在文物劣化機理研究、保護材料性能評價以及日常監測中的關鍵作用，并介紹了其在分析銀版照片和玻璃相框相互作用產生的鹽結晶類型、不同環境濕度下水分在金屬制品表面封護材料(微晶石蠟)層內的分布等方面的應用。

　　易曉輝等[30]選取100種典型的古籍紙張和修復用紙作為樣品庫，基于實測的材料理化性質參數(酸堿度、纖維聚合度、高錳酸鉀值、堿儲量)與近紅外光譜圖之間的相關性，建立了定量預測紙張性能的無損檢測分析模型。在研究古代漆器所用漆膜中的干性油與生漆比例時，肖慶等[31]發現1740cm-1處的羰基特征吸收峰可作為油含量的定量峰，但僅適用于老化程度較輕的樣品。Legan等[32]基于透射和反射FTIR探究了蛋彩畫暴露于火災時其蛋白質涂層成分隨時間的降解規律，揭示了環境溫度變化與涂層損毀程度的關系。

　　2.3紅外熱成像

　　在調查由黏土、木材和紙張等多種材料混合制成的意大利雕像的保存現狀時，Tuccio等[48]從表面開裂處緩慢注入空氣熱流，同時利用紅外熱成像儀對附近區域進行持續監測。熱空氣流出部位的溫度會明顯升高，因此該方法快速揭示了裂隙在雕像內部的分布與連通規律，為劣化程度的科學評估提供了依據。Orazi[49]針對中波紅外熱成像在古代書籍保護中的應用進行了詳細綜述，指出其能快速識別環襯頁與封皮的黏合狀態、紙張的分層和變形情況、生物侵蝕導致的污漬和纖維受損等，也可基于墨水與紙張的熱對比度而使褪色字跡顯現出來。

　　3總結與展望

　　紅外技術在文物保護領域的應用主要包括紅外攝影、紅外光譜和紅外熱成像，這些方法在物體影像特征、內部結構以及物理和化學性質的無損檢測方面均表現出巨大潛力。現有的階段性研究成果涉及文物類型多樣，發掘出有關其時代價值、制造工藝、病害現狀、劣化機理和干預歷史的大量隱藏信息，不但充分擴展了當前的認知范圍，還為后期保護修復提供了關鍵的科學依據。然而，手工制文物通常擁有復雜結構，物質組成也并非純凈單一，外加水分、溫度、鹽分和生物等不可控環境因素的長期綜合作用，文物自身特征的局部不均勻性在劣化過程中愈發顯著。因此，如何繼續提高紅外相關技術的檢測效率，增強識別細微差異的精度，實現結果的定量分析，建立數據與現象的內在關聯等，都是目前所面臨的重要挑戰。

　　文物保護理念已逐漸從傳統的被動修復向預防性保護轉變，只有加強對文物本體病害及其環境的日常監測，形成較為完善的監測預警體系，才能及時進行評估和調控干預，最大限度地延長文物壽命。科技的快速發展推動相關儀器設備不斷更新，其可視化、自動化、智能化和便攜化等特點進一步促進紅外技術在該領域發揮積極作用。在未來，通過制定相應的檢測規范，全面構建標準數據庫，并在實驗室與現場工作并重的基礎上，采用深度學習等技術開展大數據的相關性分析和概率統計，建立可靠的機理模型，將使紅外技術在文物科學保護中獲得更廣闊的應用前景。

　　參考文獻

　　[1]文宣.第三次全國文物普查圓滿完成取得極其豐碩成果[EB/OL].(2012-07-24)[2021-03-10]. http://www.gov.cn/gzdt/2012-07/24/content_2190563.htm.

　　[2]國務院第一次全國可移動文物普查領導小組辦公室,國家文物局.第一次全國可移動文物普查數據公報[EB/OL].(2017-04-07)[2021-03-10]. http://www.ncha.gov.cn/art/2017/4/7/art_1983_139586.html. 

　　[3]國家質量監督檢驗檢疫總局.無損檢測應用導則GB/T5616[S]. 北京:中國標準出版社,2014.

　　[4]VERHOEVENG.Imagingtheinvisibleusingmodifieddigitalstillcamerasforstraightforwardandlow-costarchaeologicalnearinfraredphotography[J].JournalofArchaeologicalScience,2008,35:3087-3100.

　　[5]SAUNDERSD,BILLINGER,CUPITTJ,etal.Anewcameraforhigh-resolutioninfraredimagingofworksofart[J].StudiesinConservation,2006,51(4):277-290.

　　[6]MONNIERGF.Areviewofinfraredspectroscopyinmicroarchaeology:methods,applications,andrecenttrends[J].JournalofArchaeologicalScience:Reports,2018,18:806-823.

　　[7]GAVRILOVD,MAEVRGR,ALMONDDP.Areviewofimagingmethodsinanalysisofworksofart:thermographicimagingmethodinartanalysis[J].CanadianJournalofPhysics,2014,92(4):341-364.

　　作者：張悅①②，黃繼忠