Phương pháp chụp ảnh mang tính cách mạng của Lippmann và Gabor ppt

Phương pháp chụp ảnh mang tính cách mạng của Lippmann và Gabor Các phương pháp được trao giải thưởng Trong số các giải Nobel vật lí, hai nhà khoa học đã được tôn vinh cho phương pháp xuấ

Trang 1

Phương pháp chụp ảnh mang tính cách mạng của

Lippmann và Gabor

Các phương pháp được trao giải thưởng

Trong số các giải Nobel vật lí, hai nhà khoa học đã được tôn vinh cho phương pháp xuất sắc của họ dùng để ghi và hiển thịhình ảnh: Gabriel Lippmann, trao giải năm 1908 “cho phương pháp của ông tái tạo ảnh màu dựa trên hiện tượng giao thoa”, và Dennis Gabor, trao giải năm 1971, “cho sự phát minh và phát triển của ông về phương pháp chụp ảnh giao thoa”

Cả hai phương pháp đều cùng một mục tiêu mang lại sự tái tạo ảnh theo kiểu hơi khác với các nỗ lực khác trước đó với mục đích tương tự Để đạt tới mục tiêu này, Lippmann và Gabor chọn một phương pháp mang tính cách mạng đối với nền vật lí cơ sở thay vì lần theo sự tiến bộ tiến triển từng bước trong kĩ thuật

Năm 1886, khi nghệ thuật và công nghệ chụp ảnh vẫn còn đang vật lộn với chuyển màu sắc tự nhiên sang những giá trị tương xứng theo màu đen và trắng, thì Gabriel nghĩ tới một phương pháp hai bước để ghi và tái tạo ảnh màu trực tiếp qua các bước sóng ở vật và ảnh chụp sau đó

Trang 2

Khi Lippmann cải tiến ảnh từ trắng đen sang màu, thì kĩ thuật chụp ảnh giao thoa của Gabor mở rộng ảnh từ hình phẳng sang ảnh không gian ba chiều Thủ tục mang lại cho từng mắt của người nhìn thị sai của riêng nó – sự nhìn ảnh nổi – cũng mang tính lịch sử như chính ngành chụp ảnh Nhưng ý tưởng “chụp ảnh giao thoa” của Gabor là lưu trữ tất cả thông tin trong toàn bộ không gian ảnh và không có trongbức ảnhthứ hai hơi khác một chút

Ý tưởng của phương pháp

Thật thú vị, cơ sở vật lí của hai phương pháp đều có thể hiểu trên cùng một nguyên tắc, cụ thể là sử dụng bản chất sóng của ánh sáng, bao gồm việc mã hóa trường ảnh bằng sự giao thoa, ghi lại cấu trúc trên phim chụp, rồi sau đó đọc

trường ảnh trở lại bằng cách gửi ánh sáng và cho nó điều biến trong cấu trúc này

Quang học sóng và sự giao thoa

Khi chúng ta nhìn vào ảnh quang học, chúng ta thường nghĩ tới các tia sáng

Cả phép chụp ảnh của Lippmann và phép chụp ảnh giao thoa của Gabor đều dựa trên sự truyền sóng của ánh sáng

Hiện tượng sóng có mặt ở mọi nơi trong vật lí học Dễ thấy nhất, chúng ta thấy chúng trên mặt nước Chúng ta có thể thấy sóng trải ra với một hướng truyền, một vận tốc hay tốc độ truyền, và độ dài chu kì của chúng

Trang 3

Khi hai hay nhiều sóng chồng lên nhau, chúng ta để ý thấy kết quả làhình ảnhđặc trưng được gọi là “sự giao thoa” Một cấu trúc giao thoa như thế chứa thông tin về tất cả các trường đang tương tác Khi đã biết một trường, thì thông tin

về các trường khác cũng có thể suy luận ra

So với sóng nước hay âm thanh, bản chất sóng của ánh sáng khó quan sát hơn nhiều Các bước sóng nhỏ (ví dụ 0,4 – 0,7 mm, tức là 0,0004 – 0,0007 mm, đối với ánh sáng khả kiến) và nhỏ hơn, tần số của dao động sóng là 750 đến 400 THz (1 terahertz là một triệu triệu chu kì trong một giây) Tần số của ánh sáng là cơ bản, nên không có cơ chế nào đọc được chuyển động của sóng ánh sáng Tuy nhiên, một chuyển động sóng có thể khảo sát bằng sự tương tác với một sóng rất giống như nó, hiệu ứng gọi là giao thoa, đến mức độ dừng lại trong một “sóng đứng”

Sóng đứng phát sinh từ sự giao thoa của hai sóng có tần số chính xác bằng nhau nhưng có pha biên độ dao động ngược nhau Trong nhà trường phổ thông, sóng đứng được chứng minh bằng các sóng dao động trên một sợi dây phản xạ ở một điểm dừng và quay lại Đối với ánh sáng, điểm dừng là gương, nơi sóng chạm tới bị phản xạ, như minh họa trong hình phía bên trái Tại gương kim loại, tự nhiên tránh hấp thụ sóng bằng cách đảo pha cùng lúc khi hướng truyền thay đổi

Tại gương, trường thu được luôn bằng không; tại nơi cách gương một phần

tư bước sóng, tổng của hai trường sẽ biến thiên tuần hoàn ở giá trị lên tới (+) và (-)

2 x biên độ Đây là cái trong âm học người ta được dạy tương ứng là “nút” và

“bụng” của dao động âm Trong quang học, sự giao thoa được quan sát thấy dưới dạng vân sáng và vân tối và có thể ghi trên phim chụp hay bất kì máy dò ánh sáng nào khác

Trong hình ảnh ổn định của vân giao thoa, các sóng có cùng bước sóng – ánh sáng là đơn sắc – và chúng phải có cùng quan hệ pha, tức là thuộc cùng một

nguồn – ánh sáng là kết hợp

Điều kiện này thu được khi sóng bị tách ra từ cùng một nguồn và độ trễ giữa sóng nguyên gốc và sóng phản xạ gương chỉ cách nhau vài bước sóng Sóng đứng trong màng dầu mỏng trên nhựa đường ẩm ướt và trong nhũ tương sử dụng trong

Trang 4

phép chụp ảnh của Lippman đáp ứng điều kiện này Tuy nhiên, đối với phép chụp ảnh giao thoa ba chiều, Gabor tạo ra các vân bằng cách cho trường vật giao thoa với một trường tham chiếu ngoài Nguồn sáng có mức độ đơn sắc và kết hợp tương xứng trở nên lần đầu tiên có sẵn trên thị trường làlaser

Sự phản xạ của trường ánh sáng tại gương làm phát sinh sóng đứng (hình bên trái) Giản đồ cho thấy cách thức Lippmann sử dụng sóng đứng để mã hóa màu

sắc trong ảnh chụp (hình bên phải)

Phương pháp chụp ảnh màu của Lippmann

Làm thế nào Gabriel Lippmann có thể sử dụng hiệu ứng giao thoa để thu được thuật chụp ảnh màu ? Sách vở lòng về quang học sóng và sự giao thoa bảo chúng ta rằng ánh sáng có bước sóng khác nhau sẽ tạo ra hình ảnh sóng đứng tại những chiều dài chu kì tương ứng Lippmann bắt đầu với một kiểu sóng đứng, trong đó trường sóng gặp lại chính nó sau khi phản xạ ở một cái gương Ông chiếu ảnh quang như thường lệ lên tấm phim, nhưng qua tấm thủy tinh của nó với chất nhũ tương hầu như trong suốt có các hạt rất tinh ở mặt sau Rồi ông thêm hiệu ứng giao thoa bằng cách đặt một gương thủy ngân tiếp xúc với nhũ tương Hình ảnh đi qua nhũ tương, chạm tới gương, và rồi phản xạ ánh sáng trở lại nhũ tương Chiều

Trang 5

dày thích hợp của lớp phim này tương ứng với khoảng chục bước sóng hoặc nhiều hơn Hình ảnh chiếu lên tấm phim không phơi thẳng trên nhũ tương theo sự phân

bố chiếu xạ cục bộ Thay vì vậy, sự phơi sáng được mã hóa khi trường sóng quay trở lại bên trong nhũ tương và tạo ra sóng đứng, chúng có nút cho sự phơi sáng ít, còn bụng thì cho hiệu ứng cực đại Vì thế, sau khi phát triển, lớp phim chứa chừng hai chục hoặc nhiều hơn lớp hạt bạc với chu kì khác nhau đối với những màu khác nhau trong hình ảnh

Khi, sau phát triển, ánh sáng được chiếu lên tấm phim phản xạ, nó sẽ bị tán

xạ tại những hạt bạc này theo mọi hướng Theo hướng sóng đứng hình thành,

trường ánh sáng tán xạ có bước sóng bằng chu kì của các lá kính sẽ đồng pha nhau, giao thoa tăng cường, và cùng tạo ra ảnh màu sắc nét Các loài côn trùng và bướm tao nhã nhất định có những phiến mỏng tuần hoàn như thế mà không hề biết gì về

cơ sở quang học của sự tán xạ hay nhiễu xạ

Chúng ta thấy thực chất dạng ghi ảnh này xây dựng trên một quá trình hai bước có hệ thống của sự giao thoa và nhiễu xạ: ban đầu mã hóa hình ảnh thành vân giao thoa, và sau đó tái tạo hình ảnh bằng sự nhiễu xạ trên vân giao thoa này

Phương pháp chụp ảnh ba chiều của Gabor

Cũng nguyên tắc hai bước đó áp dụng cho ý tưởng của Gabor về việc tái tạo mặt sóng

Từ Lippmann, chúng ta đã biết làm thế nào ghi và tái tạo thông tin màu lên một hình phẳng tiếp xúc với tấm phim Nếu Gabor muốn tái tạo các mặt sóng trong không gian ba chiều, ông cần một trường nhìn, và chúng ta tưởng tượng ông loại

Trang 6

bỏ được ngưỡng bước sóng Quá trình được thực hiện trong ánh sáng đơn sắc Sự tham chiếu cho giao thoa không còn là sự phản xạ của chính trường ảnh (trong kĩ thuật chụp ảnh giao thoa thường gọi là trường vật) mà nó được mang lại bằng một trường tham chiếu độc lập Góc giữa trường tham chiếu và bất kì điểm nào tính từ trường vật xác định chu kì và sự định hướng của cấu trúc giao thoa thu được, phức tạp hơn nhiều, cái ông gọi là “ảnh không gian giao thoa” Điều này cũng có nghĩa là

để thu được sự giao thoa tươm tất, chiều dài kết hợp phải lớn hơn hiệu đường đi giữa hai điểm bất kì tại trường vật và trường tham chiếu

Cơ cấu thực hiện chụp ảnh giao thoa Ánh sáng phát ra từlaserở phía dưới bên trái Từ gương và thấu kính ở phía trên bên trái, nó rọi sáng vật, một cái loa phóng thanh, ở chính giữa Cái loa làm phân tán ánh sáng sang tấm phim đối diện với nó Vì không có thấu kính nào tại nơi chiếu ảnh, nên sự rọi sáng từ loa sang tấm phim khá đều Tuy nhiên, một phần của chùm laser bị tách ra làm trường tham chiếu tại gương trong suốt một phần, và nó gặp trường vật tại bản phim sau cùng khoảng thời gian truyền Hai trường khi đó giao thoa và cùng phơi sáng một vân sóng đứng phức tạp trong nhũ tương Sau phát triển, một mình trường tham chiếu rọi lên phim và trở nên điều biến cấu trúc, tức là giao thoa ba chiều Ánh sáng được phân bố vào vài trường nhiễu xạ, trong đó có một cái gọi là trường tái tạo truyền qua tấm phim là bản sao của trường vật trước đó chạm tới phim Theo cách này, thuật chụp ảnh giao thoa đóng vai trò giống như một cửa sổ có trí nhớ

Trang 7

Tại sao lại là ảnh ba chiều của một cái loa phóng thanh ? Cấu hình trên minh họa một trong những ứng dụng kĩ thuật quan trọng của thuật chụp ảnh giao thoa

ba chiều, đó là phép phân tích dao động Bằng cách sử dụng giao thoa kế chụp ảnh

ba chiều, hình ảnh mode dao động có thể làm cho nhìn thấy trên bất cứ mặt nào, giống hệt như cát ở trên màng phẳng trong hình ảnh Chladni hơn 200 năm trước đây

Khi Gabor nghĩ ra quá trình tái tạo đầu sóng năm 1948, rồi dự định hiệu chỉnh sắc sai trong kính hiển vi điện tử, thì đèn hồ quang thủy ngân có trên thị trường khi đó đã hạn chế tính khả thi quang học của ông muốn làm thí nghiệm với vật có kích thước vài mili mét Đột phá đến lần đầu tiên vào năm 1963 khi Leith và Upatnieks tại Đại học Michigan chứng minh được hình ảnh ba chiều từ thuật chụp ảnh giao thoa thực hiện bằng laser Một điểm sáng nghệ thuật trở thành thuật chụp ảnh giao thoa chân dung của Gabor thực hiện với một laser xung vào mùa xuân năm 1971; thể tích của không gian vật là vài mét khối

Cơ cấu chụp ảnh giao thoa ba chiều cỡ lớn tương tự như cơ cấu minh họa với cái loa phóng thanh Ở đây chúng ta thấy là đầu năm 1971, Dennis Gabor ngồi tại bàn giải thích thuật chụp ảnh giao thoa ba chiều và bảo quản sự sống vĩnh cửu 3-D

Trang 8

qua một tấm phim kiểu Lippmann 50x60cm Tấm phim giữ trước mặt Gabor, ngay

ở chính giữa cơ cấu trong hình

Hình nhỏ góc dưới: Ảnh của Gabor nhìn qua thuật chụp ảnh giao thoa ba

chiều

Gabriel Lippmann

Gabriel Lippmann là người Pháp, sinh năm 1845 ở Hollerich, Luxembourg,

và mất năm 1921 Ông trưởng thành và học tập ở Paris Trong số nhiều sở thích của ông, ông nghiên cứu văn học Pháp và Đức, và lấy bằng tiến sĩ triết học ở Đức năm 1874 Năm 1875, ông lấy một bằng tiến sĩ nữa, về khoa học nói về điện kế mao dẫn tại Sorbonne Ông đảm nhận các vị trí giảng viên đại học ở Paris từ 1878 đến cuối đời ông

Có một giai thoại phát sinh từ các hoạt động của Lippmann: Trong phòng thı́ nghiệm của ông, Lippmann đã dung dưỡng một sinh người Ba Lan trong nghiên cứu của cô ta, Marie Sklodowska ng cũng giới thiệu cô ta với người cộng tác của ông v hiện tượng áp điện, Pierre Curie Hai người họ l y nhau năm 1895, và k t quả nghiên cứu của gia đı̀nh Curie, g m cả con gái Irène và con r Frédéric Joliot,

cu i cùng mang lại năm giải Nobel v sự phóng xạ

Nhờ giải Nobel, Lippmann n i ti ng trước công chúng vı̀ quá trı̀nh chụp ảnh màu mang tên ông Trong khoa học, ông n i ti ng với nhi u phát tri n trong khoa học đo lường, thiên văn học và địa ch n học Một trong s chúng là coelostat, dụng cụ dùng trong kı́nh thiên văn đe giữ cho ảnh ngôi sao ở một nơi trong thời gian phơi sáng lâu tùy ý

Một trong những phát minh khác của ông trong quang học là “phép chụp ảnh toàn cảnh” mà ông công b vào năm 1908 Khi kı̃ thuật chụp ảnh giao thoa ba chi u vào cu i thập niên 1960 một l n nữa bừng lên ni m đam mê lớn đoi với ảnh ba chi u, các nhà khoa học và nhà phát minh lại nhớ tới ý tưởng của Lippmann Mục tiêu của ông là tạo ra hı̀nh ảnh mà với nó nhà quan sát có th chịu thị sai bi n thiên khi di chuy n m t theo hướng ngang và th ng đứng Giải pháp của ông là nhı̀n vào

Trang 9

sự hi n thị ảo của một m u tu n hoàn g n như liên tục của các bộ kı́nh camera nhỏ, từng kı́nh sẽ ghi hı̀nh của vật tại hướng của nó

Dennis Gabor

Dennis Gabor là người Hungary, sinh năm 1900 ở Budapest, trở thành người Anh, qua đời năm 1976 ở London ng l y mảnh b ng phát minh đau tiên của ông lúc lên tu i 11, l y văn b ng kı̃ sư điện năm 1924 tại Technishche Hochschule ở Berlin, và b ng ti n sı̃ năm 1927 với luận án v dao động kı́ tia cathode t c độ cao

ng làm việc tại Siemens & Halske, phát tri n các ng phóng điện khı́

Có một không khı́ nghiên cứu r t sôi n i ở Berlin trong những năm tháng này, với những chủ đe nóng bao g m kı́nh hi n vi điện tử của các nhà tiên phong Knoll và Ruska – Ernest Ruska nhận giải Nobel vật lı́ năm 1986 – và kı̃ thuật điện ảnh, những lı̃nh vực mà nhi u năm sau này, Gabor trở lại có đóng góp lớn

Khi Hitler lên n m quy n, Gabor rời Berlin và cu i cùng sang làm việc ở Anh năm 1934 với công ti Anh Thomson-Houston ng ti p tục phát tri n ng phóng điện khı́ Sau chi n tranh, ông còn nghiên cứu v lı́ thuy t truy n thông, kı̃ thuật điện ảnh lập th , và một ý tưởng mới, dựng lại mặt sóng mà ông xem là cách giải cho bài toán s c sai trong kı́nh hi n vi điện tử Từ năm 1949, Gabor gia nhập

trường Khoa học và Công nghệ Imperial College ở London, ở đó ông trở thành giáo

sư vật lı́ điện tử ứng dụng

“Dựng lại mặt sóng” là một trong nhi u ý tưởng của Dennis Gabor, người có tı́nh ch t sau cùng phải chờ lời giải của những bài toán, cùng tài năng và thành tı́ch của những nhà nghiên cứu khác

Đong hành trong cuộc s ng

Lippmann và Gabor có n n tảng trı́ tuệ như nhau, và trưởng thành và làm việc trong môi trường đa văn hóa

Trong sự nghiệp của họ, họ không nghiên cứu v một câu hỏi lớn t n tại trong cuộc s ng mà v nhi u dự án khác nhau, trong đó có vài dự án r t thành công Ngoài nghiên cứu cơ bản trong khoa học, bộ phận quan trọng trong những

Trang 10

n lực của họ là phát minh và hệ th ng hóa công nghệ Cả hai đeu l y nhi u b ng phát minh

Việc thực thi đay đủ những ý tưởng của họ đòi hỏi những giải pháp mới, nh t là các ch t ghi ảnh và ngu n sáng: Trong những năm tháng nghiên cứu v t vả, Lippmann đã trau chu t quá trı̀nh chụp ảnh riêng của ông, “kı́nh ảnh Lippmann” có độ phân giải cực kı̀ cao, v n được sản su t ngày nay Ngoài ra, nhi p ảnh màu, t t nhiên, yêu c u các t m phim toàn s c; đe mở rộng độ nhạy trên toàn vùng ph khả

ki n, Lippmann hợp tác với anh em Lumière, lúc đó dân đau các nhà sản su t kı́nh ảnh ở châu u Đoi với phát minh của Gabor, việc ghi mặt sóng c n bức xạ có mức độ k t hợp cao không có s n trong tự nhiên May thay trong th hệ các nhà nghiên cứu ti p theo, nguyên lı́ laser đã mang lại một ánh sáng như th , và thuật chụp ảnh giao thoa ba chi u đột ngột gây ti ng vang Đoi với đi u kiện tiên quy t khác, đó là kı́nh ảnh có độ phân giải cực kı̀ cao, Lippmann đã tạo ra chúng trước năm 1900

Nhi u nhà nghiên cứu nh t định sẽ, với sự hi u bi t, đọc th y ti ng thở dài của Lippmann ở cu i bài thuy t trı̀nh Nobel của ông: “Cuộc s ng thı̀ ng n ngủi và

ti n bộ thı̀ chậm chạp”

Cái gı̀ xu t hiện trong cuộc đua trường kı̀ ?

Kı̃ thuật nhi p ảnh Lippmann không th nào tránh khỏi sự b t lợi của những

t m phim độ phân giải cao yêu c u thời gian phơi sáng từ hàng phút đen hàng giờ Tuy nhiên, luận chứng của Lippmann và tı́nh khả thi của việc chụp ảnh màu tự nhiên đã kı́ch thı́ch lòng khát khao vươn tới những công nghệ như th Anh em nhà Lumière đã phát tri n, song song với công việc họ thực hiện cho Lippmann, một quá trı̀nh của riêng họ, dựa trên những bộ lọc trong su t ở ba màu (trong c u trúc tương tự như màn hı̀nh ti vi ngày nay) Phương pháp “kı́nh ảnh màu” của họ chi m

ưu th trong thập niên 1930, r i bị thay th bởi công nghệ nhi p ảnh màu hiện nay, phát ra kh i thu c nhuộm trong ba lớp phim trong khi phát tri n Tuy nhiên, kı̃ thuật nhi p ảnh Lippmann v n giữ được sự quan tâm cao độ trong khoa học và giảng dạy; không h có cách nào khác ghi ảnh ph một cách chı́nh xác

Định dạng
Số trang	12
Dung lượng	250,93 KB