圖1 加布里埃爾·李普曼(圖源：維基百科)
19世紀，人們利用感光鹵化銀實現了黑白照片的制作。在此基礎上，1866年夏，李普曼對著一張黑白照的全家福，開始了對彩色攝影技術的研究。1891年，他實現了這一目標，并制作了彩色玻璃窗、橙子、彩色鸚鵡以及風景和肖像照(圖2)的彩色圖像。
圖2 李普曼用開創性的方法制作彩色照片來捕捉這幅自畫像(圖源：PNAS)
李普曼的彩色照相技術利用的是光的干涉原理，他將帶有感光乳劑的平板放入一個裝有水銀的盒子中，在曝光期間，水銀與感光乳劑接觸，形成了一個反射面，曝光后，按照普通方法把感光板進行處理，待該板干了以后，顏色就出現了，這種色彩可以通過反射呈現，且永久不褪。
這是因為在曝光期間，入射光與被反射面反射的光線發生干涉，從而在半波長處形成了干涉條紋。入射光線以條紋的形式記錄在感光乳劑中，留下了投射光線的特征。當用白光以垂直角度從正面照射觀察底片時，如果所記錄的光波長與入射光的波長相匹配，它就會被反射回觀察者，而其它波長會被銀顆粒吸收或散射，或者被板背面的黑色抗反射涂層吸收。正是由于這種選擇性反射，底片上的每一點只把那些已記錄在其上經過選擇了的顏色反射到人們眼中，因此，人們在照片上每一點都能夠看到像所呈現的顏色。
這種彩色圖像的特別之處在于，時至今日，普通照片技術也大多只是記錄紅、綠、藍三種基本顏色的值，并通過混合三基色創建其他顏色。但李普曼底片能夠在可見光波段捕獲26到64條光譜信息，是已知最早的多光譜成像技術。
這一方法是彩色攝影發展中的重要一步，并且為丹尼斯·加博爾于20世紀40年代發明的光學全息攝影技術和大部分現代干涉成像技術奠定了基礎。
然而，由于這種彩色攝影法需要較長的曝光時間，產生的顏色不飽和，并且難以大量復制，這一方法并未能被主流攝影技術采用，最終被麥克斯韋的三色照相法所取代，在今天幾乎已經被完全遺忘了。
對于這項“有史以來最早的多光譜測量技術”，來自瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)的研究人員有機會接觸了到了原版李普曼底片，并有了重大的發現。
研究人員等人復刻了這項100多年前的照相技術，復原了歷史場景的原始光線，創建了原始照片的數字副本，并將論文 Shedding light on 19th century spectra by analyzing Lippmann photography 發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)。
首先，研究人員利用玻璃基底、感光乳劑和水銀制作了李普曼底片。
之后，為了復原出照片所拍攝的歷史場景的原始光線，他們對光譜的復原方法展開了研究，分析了反射介質層以及感光乳劑的厚度對復原效果的影響，建立了光譜復原模型，并對模型進行了驗證。
最后，他們分別對1891-1899年間李普曼拍攝的薩斯費山谷以及理查德·諾伊豪斯(Richard Neuhauss)于1899年拍攝的鸚鵡進行了復原。
圖3 兩張歷史照片的光譜復原(圖源：PNAS)
研究人員認為重新審視李普曼的照相技術能夠對當今科技提供新的思路，有利于未來技術的發展，能夠應用于多光譜照相機、印刷和顯示設計等方面。
研究人員重建了李普曼照相術背后的物理原理，并基于這一原理構建了數字李普曼多光譜相機原型。此外，他們對多光譜圖像的合成也非常感興趣，目前正在研究利用飛秒激光局部改變基板(如二氧化硅)折射率的方法，實現不依賴于光化學方法的李普曼多光譜成像。
作者：KiKi(清華大學博士后)
