圖1 加布里埃爾·李普曼(圖源：維基百科)
19世紀(jì)，人們利用感光鹵化銀實現(xiàn)了黑白照片的制作。在此基礎(chǔ)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(shù)的研究。1891年，他實現(xiàn)了這一目標(biāo)，并制作了彩色玻璃窗、橙子、彩色鸚鵡以及風(fēng)景和肖像照(圖2)的彩色圖像。
圖2 李普曼用開創(chuàng)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(shù)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(jìn)行處理，待該板干了以后，顏色就出現(xiàn)了，這種色彩可以通過反射呈現(xiàn)，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(fā)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(dāng)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(jīng)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(xiàn)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(shù)也大多只是記錄紅、綠、藍(lán)三種基本顏色的值，并通過混合三基色創(chuàng)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(shù)。
這一方法是彩色攝影發(fā)展中的重要一步，并且為丹尼斯·加博爾于20世紀(jì)40年代發(fā)明的光學(xué)全息攝影技術(shù)和大部分現(xiàn)代干涉成像技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
然而，由于這種彩色攝影法需要較長的曝光時間，產(chǎn)生的顏色不飽和，并且難以大量復(fù)制，這一方法并未能被主流攝影技術(shù)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(jīng)被完全遺忘了。
對于這項“有史以來最早的多光譜測量技術(shù)”，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)的研究人員有機(jī)會接觸了到了原版李普曼底片，并有了重大的發(fā)現(xiàn)。
研究人員等人復(fù)刻了這項100多年前的照相技術(shù)，復(fù)原了歷史場景的原始光線，創(chuàng)建了原始照片的數(shù)字副本，并將論文 Shedding light on 19th century spectra by analyzing Lippmann photography 發(fā)表在《美國國家科學(xué)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(fù)原出照片所拍攝的歷史場景的原始光線，他們對光譜的復(fù)原方法展開了研究，分析了反射介質(zhì)層以及感光乳劑的厚度對復(fù)原效果的影響，建立了光譜復(fù)原模型，并對模型進(jìn)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(jìn)行了復(fù)原。
圖3 兩張歷史照片的光譜復(fù)原(圖源：PNAS)
研究人員認(rèn)為重新審視李普曼的照相技術(shù)能夠?qū)Ξ?dāng)今科技提供新的思路，有利于未來技術(shù)的發(fā)展，能夠應(yīng)用于多光譜照相機(jī)、印刷和顯示設(shè)計等方面。
研究人員重建了李普曼照相術(shù)背后的物理原理，并基于這一原理構(gòu)建了數(shù)字李普曼多光譜相機(jī)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(xiàn)不依賴于光化學(xué)方法的李普曼多光譜成像。
作者：KiKi(清華大學(xué)博士后)
