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Geheimnisse der ersten Multispektral-Fotos entschlüsselt

Forscher rekonstruieren Funktionsweise der gut 100 Jahre alten Lippmann-Fotografie

Lippmann-Fotografie
Je nach Lichteinfall verändern sich die Farben der Lippmann-Fotografie. Grund ist ein der Holografie ähnliches Prinzip der Farberzeugung. © EPFL

Alte Technik wiederentdeckt: Schon vor mehr als 100 Jahren gab es Fotografien, die nicht nur farbig, sondern sogar multispektral waren – sie enthielten bis zu 64 spektrale Farbinformationen und beruhten auf einem Interferenz-Prinzip ähnlich wie eine Holografie. Jetzt haben Forscher die Physik hinter diesen Lippmann-Fotografien rekonstruiert und den digitalen Prototypen einer Multispektralkamera nach diesem Prinzip konstruiert. Sie könnte ganz neue Anwendungen ermöglichen.

In der Anfangszeit der Fotografie konnte die Bilder nur Grautöne abbilden, denn das Silberhalid der Fotofilme wurde je nach Lichtintensität mehr oder weniger stark in dunkel erscheinendes elementares Silber umgewandelt. Schon Mitte des 19. Jahrhunderts gab es aber erste Experimente mit Farbfiltern vor der Kameralinse sowie dem Zusatz photoaktiver Pigmente oder metallischer Nanopartikel zum Filmmaterial. Praktisch einsetzbar wurde die Farbfotografie aber erst etwa ab den 1930er Jahren.

64 Wellenlängen statt nur Rot, Grün, Blau

Doch schon lange vorher entwickelte der Physiker Gabriel Lippmann eine für die damalige Zeit revolutionäre Fototechnik, für die er 1908 den Physik-Nobelpreis erhielt. Das Besondere an seinen Farbbildern: Während normale Fototechniken bis heute meist nur die Werte der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau erfassen und alle anderen Farbtöne durch Mischung erzeugen, produzierte Lippmann die ersten echten Multispektral-Aufnahmen.

„Obwohl seine Technik analog war, konnte sie schon 26 bis 64 spektrale Informationen des sichtbaren Lichts einfangen“, erklären Gilles Baechler von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne und seine Kollegen. „Es handelt sich damit um die ältesten je aufgezeichneten multispektralen Lichtmessungen.“ Wie Lippmann dies erreichte und wie genau sich die ursprüngliche Herstellungsweise rekonstruieren lässt, haben die Forscher jetzt anhand der wenigen noch erhaltenen Original-Fotoplatten von Lippmann untersucht.

„Wir fragten uns, ob es möglich wäre, das ursprüngliche Licht dieser historischen Szenen genau nachzubilden, doch die Herstellungsweise der Fotos war sehr speziell“, erklärt Baechler. „Deshalb interessierte uns auch besonders, ob es uns gelingen würde, digitale Kopien zu erstellen und die Funktionsweise der Technik zu verstehen.“

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Von der Aufnahme zur fertigen Lippmann-Fotografie

Bekannt war bereits, dass Lippmanns Aufnahmen auf dem Prinzip der Interferenz beruhen – der Interaktion von Wellen, durch die beispielsweise auch Holografien zustande kommen. Die Fotoplatte für die Aufnahmen bestand aus einer Silberhalid-Emulsion, der Farbstoffe zugesetzt waren, um die Platte gegenüber allen Farbanteilen des Lichts gleichermaßen sensibel zu machen. Anders als normale Fotoplatten wurde die Oberfläche dieser Emulsion dann mit einem Spiegel aus Quecksilber in Kontakt gebracht.

Lippmann-Verfahren
Aufbau der Fotoplatte für die Lippmann-Fotografie bei der Aufnahme und beim Betrachten des fertigen Bildes. © Baechler et al. /PNAS

„Für die Aufnahme, wird die Fotoplatte so gedreht, dass das Licht erst das Glas und die Emulsion passiert, bevor es vom Spiegel reflektiert wird“, erklären die Forschenden. Dadurch kommt es zu einer Interferenz zwischen dem einfallenden und reflektierten Licht. Die daraus resultierenden Interferenzmuster konzentrieren sich je nach Wellenlänge in verschiedenen Tiefenschichten der Fotoplatte und belichten die Emulsion dadurch unterschiedlich.

Das Ergebnis ist ein farbiges Bild, das je nach Blickwinkel und Beleuchtung seine Farbigkeit wechselt – ähnlich einigen Hologrammbildern. „Die gewünschte Reflektion entsteht aus gestreutem Licht, das von den in verschiedenen Tiefen der Emulsion verteilten Silberpartikeln zurückgeworfen wird. Je nach Wellenlänge addieren sich die Wellenlängen entweder konstruktiv oder destruktiv“, erklären die Forscher. Um eine optimale Farbwiedergabe zu erzielen, wurden die Lippmann-Bilder mit einem schwarzen Hintergrund versehen und meist über ein flaches Prisma angeschaut.

Modell rekonstruiert spektrale Verzerrungen

Um die physikalischen Gesetzmäßigkeiten hinter der Lippmann-Technik rekonstruieren zu können, entwickelten Baechler und sein Team ein mathematisches Modell, das die Wechselwirkungen von Licht und Emulsion beschreibt. „Am Ende modellierten wir den gesamten Prozess vom aufgenommenen multispektralen Bild bis hin zur Aufnahme in das Foto“, erklärt Baechler. „Wir konnten das von ihm zurückgeworfene Licht einfangen und messen, inwiefern es sich vom Original unterscheidet.“

Dabei zeigte sich: „Bei den historischen Platten gibt es Faktoren im Prozess, die wir schlicht nicht kennen können, aber weil wir die Unterschiede beim Licht kennen, konnten wir einen Algorithmus zur Wiederherstellung des ursprünglich eingefangenen Lichts erstellen“, so die Forschenden. „So wissen wir, dass es bei einem mittels Lippmann-Aufnahme erzeugten Spektrum möglich ist, die Verzerrungen rückgängig zu machen und das ursprüngliche Eingangsspektrum zu rekonstruieren.“

Digitale Lippmann-Kamera konstruiert

Auf Basis dieser theoretischen Vorarbeiten stellte das Forschungsteam eigene Fotoplatten nach historischem Vorbild her und nahm selbst Multispektralbilder auf. Im nächsten Schritt gelang es Baechler und seinem Team sogar, den Prototyp einer digitalen Lippmann-Kamera zu entwickeln. Ihrer Ansicht nach könnten solche modernen Entsprechungen der historischen Lippmann-Fotografie neue Anwendungen ermöglichen, darunter auch neuartige multispektrale Kamera-, Druck- und Display-Designs.

„Außerdem sind wir besonders an den Möglichkeiten der multispektralen Bildsynthese interessiert. Dafür arbeiten wir bereits daran, multispektrale Aufnahmen mithilfe von Femtosekunden-Lasern in Glas einzubrennen“, schreibt das Team. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; doi: 10.1073/pnas.2008819118)

Quelle: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

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