光也可以被複制、粘貼?

加布裡埃爾·李普曼(Gabriel Lippmann)回到酒店房間,啖了一口剛送來的熱咖啡,小心翼翼而又不失優雅的從壁爐裡拿出一塊昏黃暗淡的底片,仔細端詳。

「還不錯,應該可以了。」

他把底片放在前端開口的盒子裡,掛在牆上,用一道白光照射,如魔法一般,湛藍的湖邊飄著兩座紅頂小屋,在黑乎乎的底片上即刻顯現。

李普曼的彩色攝影,來源:wikipedia

此時的李普曼已經在旅行中利用他獨家發明的彩色攝影技術拍攝了不少照片。下一站,就是斯德哥爾摩,他即將站上領獎臺,接受諾貝爾物理學獎。

加布裡埃爾·李普曼的肖像照,來源:wikipedia

1908年,為了表彰法國物理學家加布裡埃爾·李普曼(1845-1921)發明干涉彩色攝影法,瑞典皇家科學院向他授予了諾貝爾物理獎

雖然李普曼的彩色攝影技術沒有在後世廣泛普及,時至今日甚至失傳,但他的思路和方法無疑具有超越時代的意義,啟迪了未來科學成像技術的發展。

相較於前人藉助染色劑實現色彩在照片上的「集結」,李普曼更相信自然的力量,選擇了更「純粹」的方式,讓光來「捕捉」色彩,而且這樣的物理成像方式可使得照片保持長時間不褪色

「其實背後的原理跟肥皂泡呈現色彩是一模一樣的!」李普曼在諾貝爾獎頒獎典禮上說道。

1802年,「光微粒說」已經流行200年,人們普遍認為光是由球形微粒聚集而成。而通過托馬斯·楊(Thomas Young)的雙縫干涉實驗,人們看到光呈現出了「波」的性質,對「光微粒說」產生了質疑,光的「波動學說」就此興起。

其實二者都能說明和解釋光的一些行為和性質,所以現代光學發展出我們熟悉的「波粒二象性」。

光作為波,具有種種特性:光波相遇會發生疊加與抵消,這種現象叫做干涉(Interference)。在疊加與抵消的部分發生強度的重新分配,反映在光波上就形成了亮度的重新分佈,出現了明暗相間的干涉條紋

托馬斯·楊的干涉實驗記錄,來源:wikipedia

陽光下的肥皂泡之所以五顏六色,是由於薄膜干涉選擇性反射(Selective Reflection)。

​本來沿直線傳播的光在穿過氣泡薄膜時發生折射反射改變了傳播方向,進而光波之間發生干涉。

由於白光中不同波長的光的折射率不同光波被分散。不同的波長反映到我們人類的感知就是不同的色彩,有些顏色的光波疊加而亮度增強,色彩看起來更明顯;有一些抵消減弱,色彩就會暗淡。反映到我們眼中,就呈現出富有顏色變化的「七彩泡泡」。

在肥皂泡薄膜中被來來回回反射的光,來源:科普中國

一顆成熟又好動的蘋果砸出了牛頓萬有引力定律,而肆意遊走的泡泡在破裂之前把色彩投射在照片上。有時,科學的那些突破點竟然就漂浮在眼前的日常之中。

李普曼首先改造了

李普曼首先改造了成像底片。將平整光滑的薄玻璃板、感光乳液和水銀底板依次層層疊放,將鏡頭對準玻璃板,而傳統攝影的感光乳液則在玻璃板的前方,直面鏡頭。

當光線穿過玻璃和感光乳液到達水銀後,水銀像鏡子一樣,將光反射回來,和入射光波疊加,產生干涉。進行曝光時,感光乳劑發生反應,將干涉條紋「印刻」在玻璃上,這些干涉條紋實際上就是被拍攝物體的顏色資訊,此刻的玻璃板充滿了人眼無法察覺的條紋溝壑,其實就是被凝固了的肥皂泡膜。

李普曼干涉彩色攝影法基本原理 來源:The True Colour of Photography

當需要觀看照片的時候,先將沾有感光乳液的玻璃底片進行沖洗(develop),將沒有感光乳劑的背面塗黑,再用白光由正面從特定的角度照射銀版(也可以在自然光下與其呈一定角度擺放),干涉條紋的溝壑就反射了相應波長的光波,不同色彩即顯現。

觀看李普曼的彩色照片,來源:youtube

李普曼的自拍照,來源:www.dpreview.com

我們也許可以通過「模具翻模」的過程去理解這個原理。

模具一般是用矽膠乳劑等粘性溶液包裹「本體」,待冷卻定型後,「本體」的外形輪廓被記錄,我們再次將石膏或其他材料注入模具,即可複製「本體」。

干涉條紋實際上就可以看做是模具上本體的「負形」輪廓,觀看照片時用的白光就相當於複製模型用的材料,我們看到的色彩其實是「復刻」的光。

模型製作翻模,來源:martha.net

1892年,在世界上第一部電影《工人離開里昂的盧米埃爾工廠》首映前三年,盧米誒爾兄弟與科學家們積極合作,研究探索各類新穎的攝影技術。

李普曼也在他們的技術及資金的支持下,與其他科學家合作,完成了三幅彩色攝影作品:一盞彩色玻璃、一碗橘子和一隻標本鸚鵡。1894年他完成並發表了整套彩色攝影方法及理論。德國蔡司公司則根據李普曼的彩色攝影法設計開發了一款新型相機彩色照片觀看系統

李普曼的鸚鵡照片,來源:slideplayer.com

蔡司干涉彩色攝影相機,來源:slideplayer.com

相較於主流攝影成像技術,不論是數字還是膠片,不論是過去還是今天,都只是記錄紅綠藍三色光譜並混合來顯現萬千色彩。而EPFL(瑞士洛桑聯邦理工學院)的研究團隊最近發現,李普曼的技術可以捕捉26到64個頻段的可見光譜,甚至有些光譜還沒有被現代科學所發現。雖然不是歷史上第一張彩色照片,卻是最特別的。可以說,這種技術直接獲取了陽光的色彩,這些色彩更純粹、更自然。

在獲得諾貝爾獎之後不久,李普曼發表了一篇論文,提出了一種實現立體觀感照片的方法。這次,他要升級改造的是19世紀中,歐洲出現的「立體眼鏡」,利用左右眼視差而製成的視錯覺娛樂裝置。李普曼這個想法是最古早的裸眼3D解決方案。

雖然沒有機會實現他所預想的成果,但他的這套方案卻啟發了後人,最終發展成了我們所熟知、具有一定立體動態觀感的「光柵立體圖像」(Lenticular Printing)。

光柵立體圖像, 來源:Sha Hwang

李普曼在天文、計時、測量等領域均有突出貢獻。除了發明和科研,李普曼在科學教育方面也頗有成就,雙料諾貝爾第一人——居里夫人(Madame Curie),就是他的博士生。

由於曝光時間過長,觀看不便以及不易複製,李普曼的彩色攝影法沒有被廣泛利用和發展,他的思路卻被後代的科學家學習借鑑,在現代干涉成像光學儲存領域,都有一定影響。

而對於我們經常聽到的「全息」技術來說,李普曼的這套理論和方法則是「祖師爺」一般的存在。「全息之父」丹尼斯·加博爾(Dennis Gabor)受到他的啟發,提出了「全息」的基本理論及全息成像的基本方法。在他之後,前蘇聯科學家尤里·丹尼蘇克(Yuri Denisyuk)則更直接的利用李普曼的思路,更進一步的發明了「白光全息」(White Light Holography)。為了致敬李普曼,這種全息技術也叫做「李普曼全息」(Lippmann Holography)。

此篇為「FYI:全息的全部資訊」系列文章之前傳,欲知後事如何,敬請期待「FYI:全息的全部資訊」之「全息之父」。

Re‍ference:

Re‍ference:

Hans I. Bjelkhagen, Darran P.M. Green, 「The True Colour of Photography」

Susan A. Gamble, Wolfson College, 「The Hologram and its Antecedents 1891-1965: The Illusory History of a Three-Dimensional Illusion」

Gabriel Lippmann, Colour Photography, Nobel Lecture, 14 December 1908.

GillesBaechler, 「Shedding light on 19th century spectra by analyzing Lippmann photography」

Tanya Petersen,Ecole Polytechnique, Federale de Lausanne, 「Uncovering the secrets of some of the world’s first color photographs」

https://en.wikipedia.org/wiki/Gabriel_Lippmann

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