得了诺奖的彩色照相术失传100多年,现在终于被找回来了

2021-06-13 13:30:20 量子位

晓查 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

一张彩色照片诞生,其实非常简单,就是对红蓝绿(RGB)三种颜色曝光。

但是你知道吗?

早在130年前,已经有人发明了一种透明的照片,没有三种颜色叠加,依然能让你看到彩色。

以上就是在1891年,法国物理学家加布里埃尔·李普曼(Gabriel Lippmann)拍摄的一种彩色照片。

1908年,李普曼还因为发明这种彩色照相术而获得诺贝尔物理学奖

不过,这种拍摄彩色照片的技术却一直没被广泛采用,想必你已经看到了它的缺点:

△ 李普曼本人的彩色自拍照

只有在固定角度才能看到彩色,否则看起来就像一张没冲洗过的底片

而且,要拍这样一张彩色照片的曝光时间很长,还无法大量复制冲洗

所以李普曼的照片注定无法普及,最终只能被存放在博物馆的保险库里,束之高阁。

但是最近,一群来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的科学家们,决定要恢复被抛弃100多年的照片技术。

他们真的做到了。

经过大量的物理测量和算法还原,他们终于复刻了失传100多年的拍照技术,还把论文发表在了《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

肥皂泡的魔法

从物理原理上来说,李普曼的透明照片并不复杂,这和肥皂泡显出五彩斑斓的色彩差不多。

现代的照相术是分别对RGB三种颜色曝光,而李普曼的方法是使用光的干涉

李普曼制造的底片分为3层:一层玻璃基底、一层感光乳剂、一层水银。

当光线穿过玻璃和感光乳剂到达水银后,就会被反射回来,和入射光波叠加。这样就在感光乳剂不同厚度的地方造成不同的感光度。

由于每种颜色的光波长都不一样,因此它们每种光干涉后的感光结果都不一样,在每个地方就等于记录了独一无二的颜色信息。

我们看照片的过程恰好相反,去掉底片上的水银并定影,把底面涂成黑色。

感光剂定影后,只有特定波长的光反射后才会被加强,当初被记录的颜色就这样被选择性地“筛选”出来。(肥皂泡也是类似原理才看起来五颜六色。)

所以从理论上来说,只要知道反射光线和底片颗粒的分布,就能反推出130年前彩色照片背后原始光线。

重见当年光彩

道理虽简单,但是用在130年前的彩色照片上,没那么容易。

首先,完美的金属应该100%反射光,并且使反射光相位反转180度。实际上感光乳剂和水银接触面只反射了50%的光,相位反转了148度,这导致实际模拟结果会偏红色。

感光乳剂与空气的界面也有类似的影响,会导致结果偏蓝。

此外,感光乳剂分布不均匀,也会对结果造成影响。所以他们用X射线断层扫描,重建了底片的3D图像。

在经过一系列复杂的数学建模后,科学家们终于恢复了李普曼当初拍摄照片时的色彩,并将这套算法开源在GitHub上。

为了验证方法的可靠性,他们拍摄了一组比色板的照片,原始光线的恢复还是比较准确的,但是由于底片染料对短波长光线的响应较弱,这部分结果较差。

现在,EPFL的科学家们决定,将李普曼130年前的技术用于当今数码相机时代,拍摄的底片则换成了二氧化硅。

他们用超快激光改变二氧化硅的折射率,一样能造出干涉光效果,相当于把彩色照片刻在玻璃板上。

他们认为这项技术很有前景,毕竟保持信息最长久的方法,就是把信息刻在石头上。

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