太赫兹成像技术揭示了古老十字架上的隐藏铭文

       铅制艺术品以及历史文物的腐蚀往往会掩盖很多重要的细节，从而阻止历史学家与这些文物之间的“对话”。遗憾的是，传统光频的无损伤影像并不能对铅制品起作用，而红外光则会被腐蚀层反射。除此之外，若强行用化学手段清除腐蚀区域，则会损坏这些珍品。

图1 佐治亚理工学院David Citrin（左），佐治亚理工罗兰分校Alexandre Locquet（右）与16世纪十字架（中）的合影。（图片来源：N. Jacquet，法国佐治亚理工罗兰分校）

       最近，法国和美国的研究人员报告了一种新型无损伤影像方法，这种方法将宽带太赫兹成像与数字信号处理相结合，无创地揭示了铅制品腐蚀区域下面隐藏的细节。为了展示这项技术，该团队对一个16世纪的铅制十字架进行成像，它记录了新约圣经“主祷文”，研究人员利用该技术发现了先前从未阅读的部分。

       最后，该团队写道，这种方法能够为考古研究以及诸如检测飞机机身损伤等工业应用提供“前所未有的数字采集和文件信息记录”。该多学科交叉团队由David Citrin领导，包括来自美国佐治亚理工学院、佐治亚理工罗兰分校成像、化学、艺术史和保护以及计算机科学等领域专家和法国查尔斯-德布鲁耶尔博物馆研究人员。

图2 (a) 原始铅制十字架，红色虚线框标注了铭文位置；(b)经过图像处理的太赫兹成像；(c) 去腐蚀十字架。（图片来源： J. Dong et al.，Sci. Rep.， doi: 10.1038/s41598-022-06982-2 (CC BY 4.0)）

太赫兹填补考古成像空白

       铅制十字架通常刻有祈祷文或死者生前信息。这个新技术实验的十字架被认证是16世纪葬礼所用十字架，并于1843年在法国城市勒米尔蒙的墓地中发掘。表面的腐蚀层使得雕刻几乎完全无法辨认。

       佐治亚理工学院Citrin团队专攻无损检测成像技术，该技术能够在不改变或破坏物体原始形态的前提下，揭秘物体的隐藏层（详情请见新闻“Cultural Artifacts in Terahertz Light”，OPN，March 2018）。因此，当查尔斯-德布鲁耶尔博物馆Aurélien Vacheret馆长向Citrin团队提出铅制十字架的腐蚀问题时，该团队选择了反射模的单周期宽带太赫兹脉冲成像，以此得到被遮盖的表面雕刻的多光谱图像。

       与无线电、可见光、红外线和X射线的光子不同，宽带太赫兹脉冲可以穿透铅制品的腐蚀层，也可以被雕刻表面反射。此外，与X射线相比，太赫兹射线是非电离的，这使得它们对人类更安全，对精密人工制品的损害更低。

揭开隐藏的铭文

       首先，该团队使用商用太赫兹扫描仪，沿着十字架水平方向，以每0.2 mm的周期发射一个短且快的宽带脉冲（3 MHz - 60 MHz），从而观察十字架上的腐蚀细节。然后，通过测量六个不同频段的辐射反射率，创建了表面和亚表面特征的三维多光谱图像（如图2）。

       他们发现，较高频带展示了与十字架雕刻相关的特征——然而，3D图像的分辨率不够高，不便于阅读雕刻内容。通过将低频带数据纳入其独特的图像后处理链，他们提高了铭文的可见性。

       经过计算机处理的图像增强，该团队可以在十字架表面读出若干个拉丁文单词和短语——“Pater Noster”（意为“我们的父亲”）。

优于电化学清洗

       为了检验实验的正确性和准确度，博物馆允许研究人员利用电化学方法去除铅十字架的腐蚀部分。太赫兹成像和后处理链显示的雕刻细节在经过电化学清洁的十字架上无法观察到。

       “我们的方法帮助我们阅读隐藏在腐蚀层下的文本，这种文本可能存在了数百年，” 佐治亚理工罗兰分校的Alexandre Locquet在一次新闻发布会上说，“很明显，考古学家对这种获得信息却不损坏文物的技术非常感兴趣。”

[1] Daukantas P. Cultural artifacts in terahertz light[J]. Optics and Photonics News, 2018, 29(3): 28-35.

[2] Dong J, Ribeiro A, Vacheret A, et al. Revealing inscriptions obscured by time on an early-modern lead funerary cross using terahertz multispectral imaging[J]. Scientific Reports, 2022, 12(1): 1-10.