物理学家解开了最早彩色照片的多光谱秘密

法国物理学家加布里埃尔·李普曼开创了彩色摄影的先机，并因此获得了1908年的诺贝尔物理学奖。但是根据最近的一篇论文发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上，李普曼的技术扭曲了拍摄场景的颜色。瑞士École理工学院Fédérale de Lausanne (EPFL)的物理学家们能够确定这种扭曲的本质，并开发出一种方法来重建产生板块的原始光谱。

“这是有记录以来最早的多光谱光测量，所以我们想知道是否有可能准确地重现这些历史场景的原始光线。”合著者Gilles Baechler说．“但这些照片的制作方式非常特殊，所以我们也很感兴趣，我们是否可以制作出数字副本，并了解这种技术是如何工作的。”

1886年，作为索邦大学的物理学教授，李普曼开始对开发一种将太阳光谱的颜色固定在照相底片上的方法感兴趣，“这样图像就能保持固定，在日光下也不会变质。”他在1891年实现了这一目标，创作了一幅彩色玻璃窗、一碗橘子和一只彩色鹦鹉的彩色图像，以及风景画和肖像画——包括一幅自画像。(有趣的是:李普曼的实验室protégés里有一个前途光明的波兰物理学学生，名叫玛丽·斯科多夫斯卡，她后来嫁给了皮埃尔·居里，并获得了自己的两个诺贝尔奖。)

李普曼的彩色摄影过程包括像往常一样将光学图像投射到感光板上。投影是通过玻璃板进行的，玻璃板的另一侧涂有非常细的卤化银颗粒的透明乳液。还有一个液体汞镜与乳剂接触，所以投射的光穿过乳剂，击中镜子，并反射回乳剂。

Baechler说:“这导致了光的干扰，由此产生的干涉图案在不同深度下对乳剂的曝光不同。et al。他们在PNAS的论文中写道。因此，曝光在乳剂中以干涉图案“编码”。经过几分钟的曝光，底片从液汞中取出并加工。

为了便于观看，成品板会被倒置，并在表面附着一个棱镜，通常使用加拿大香脂粘合剂。然后用白光从前面以垂直的角度照亮盘子。在平板上任何一点，只要产生薄板的光的波长与入射光的波长相匹配，就会被反射回观看者;其他波长会被银粒吸收或散射，或者直接穿过乳剂，被感光板背面的黑色防反射涂层吸收。

李普曼的方法从未在商业上流行起来，主要是因为它需要很长的曝光时间，而且没有办法制作彩色印刷品。但它确实激发了彩色摄影的进一步发展。他预示着Dennis Gabor发明的全息方法20世纪40年代，还有激光的发展全息术在20世纪60年代。

李普曼的技术在很大程度上被遗忘了，他的摄影底片被锁在博物馆的地下室里。当Baechler和他的EPFL的同事得到了访问这些原始车牌的机会时，他们抓住了这个机会。根据作者的说法，现代多光谱相机在可见范围内捕获了数百个光谱样本，但大多数摄影技术只是简单地进行红、绿、蓝三种测量。研究人员发现，李普曼的方法捕获了24到64个光谱样本，使之成为已知最早的多光谱成像技术。

此外，作者写道:“虽然重现的颜色在肉眼看来是准确的，但如果我们检查从李普曼板反射的全光谱，并将其与原始光谱进行比较，我们会注意到许多不一致的地方，其中许多甚至在现代研究中也从未被记录下来。”

他们希望更好地理解这些不一致的本质，以确定是否有可能消除扭曲并重建原始输入光谱。因此，他们使用李普曼板来拍摄全光谱的光，他们发现使用一层液体水银可以使光的颜色向光谱的红色末端偏移。使用反射层的空气将颜色移向光谱的蓝色一端。

这被证明是关键。“对于历史悠久的盘子，在这个过程中有一些我们无法知道的因素，但因为我们了解了光线的差异，我们可以创建一个算法，取回被捕获的原始光线。”说Baechler．“我们能够研究可逆性，也就是说，给定一个由李普曼照片产生的光谱，我们知道有可能消除扭曲并重建原始输入光谱。当我们亲自动手，使用历史过程制作我们自己的盘子时，我们能够验证建模是正确的。”

Baechler等．他们相信，重新审视李普曼的开创性技术，有一天可能会带来新的多光谱相机、打印和显示设计。事实上，该团队已经制造了一个数字李普曼相机的原型。研究人员目前正在研究用飞秒激光在玻璃上打印多光谱图像。

他们写道:“原理与李普曼的原理几乎相同，只是我们不依赖于光化学，而是使用超快激光来局部修改衬底的折射率，如二氧化硅。”“由于折射率的变化会导致反射，至少在原则上，我们可以随意打印李普曼式的多光谱图像。”

Doi: pnas, 2021。10.1073 / pnas.2008819118（对必须）.

清单图片由G. Baechler等人/Proc。国家的。学会科学。, 2021年