PHẦN I. MÁY ẢNH1. Lịch sử ra đời của máy ảnhChiếc máy ảnh đầu tiên đã được định hình từ thế kỷ XI, và các loại máy ảnh bây giờ được coi là một sự phát triển từ những “camera obscura” tiếng Latin obscura có nghĩa là “buồng tối”. Những “buồng tối” này là một thiết bị có niên đại từ thời cổ xưa của người Trung Hoa và Hy Lạp cổ, dùng một cái ông hay một cái lỗ kim để chiếu lại cảnh vật bên ngoại lộn ngược xuống trên một bề mặt 1. Hình 1. Buồng tối.Vào năm 1568, ông Danielo Barbaro đã sáng chế ra chiếc máy ảnh có thể thay đổi đường kính để tăng độ nét của ảnh. Năm 1802, Tomas Erdward và Gamphri Devid bằng cách in tiếp xúc đã cho ra ảnh trên một loại giấy đặc biệt (tuy nhiên những bức ảnh này không bền).Năm 1816, một người tên là Zozep Nips đã sáng chế ra một chiếc máy ảnh kiểu hộp cho phép thu được ảnh âm bản. Năm 1835, ông William Tabot là người đầu tiên đã làm ra dương bản từ ảnh âm và cũng thu được những bức ảnh rất nét.Năm 1839, ông Luis Dage đã công bố phát minh về một quá trình định vị ảnh trên các miếng bạc. Theo thời gian, rất nhiều người đóng góp ý tưởng và công sức vào việc hoàn thiện chiếc máy ảnh.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
-BÁO CÁO MÔN QUANG HỌC KỸ THUẬT
Chủ đề: Máy ảnh, kính hiển vi, kính thiên văn
Giáo viên: Quản Thị Minh Nguyệt
Sinh viên thực hiện:
1 Vũ Tiến Lâm – 20162335
2 Nguyễn Văn Tiến – 20164076
3 Lê Đức Thuyên – 20163967
Hà Nội, 2018
Trang 2MỤC LỤC
Trang 3DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang 4PHẦN I MÁY ẢNH
1 Lịch sử ra đời của máy ảnh
Chiếc máy ảnh đầu tiên đã được định hình từ thế kỷ XI, và các loại máy ảnh bâygiờ được coi là một sự phát triển từ những “camera obscura” tiếng Latin obscura có nghĩa
là “buồng tối” Những “buồng tối” này là một thiết bị có niên đại từ thời cổ xưa củangười Trung Hoa và Hy Lạp cổ, dùng một cái ông hay một cái lỗ kim để chiếu lại cảnhvật bên ngoại lộn ngược xuống trên một bề mặt [1]
Hình 1 Buồng tối.
Vào năm 1568, ông Danielo Barbaro đã sáng chế ra chiếc máy ảnh có thể thay đổiđường kính để tăng độ nét của ảnh Năm 1802, Tomas Erdward và Gamphri Devid bằngcách in tiếp xúc đã cho ra ảnh trên một loại giấy đặc biệt (tuy nhiên những bức ảnh nàykhông bền)
Năm 1816, một người tên là Zozep Nips đã sáng chế ra một chiếc máy ảnh kiểuhộp cho phép thu được ảnh âm bản Năm 1835, ông William Tabot là người đầu tiên đãlàm ra dương bản từ ảnh âm và cũng thu được những bức ảnh rất nét
Năm 1839, ông Luis Dage đã công bố phát minh về một quá trình định vị ảnh trêncác miếng bạc Theo thời gian, rất nhiều người đóng góp ý tưởng và công sức vào việchoàn thiện chiếc máy ảnh
Hình 2 Máy ảnh kiểu hộp của Zozep Nips.
Trang 5Cuối cùng, vào năm 1888 người ta đã thấy trên thị trường xuất hiện những chiếcmáy ảnh hiện đại của hãng Eastman Dry Play and Film Chiếc máy này nạp sẵn phimrộng 6cm đủ để chụp 100 kiểu ảnh Sau khi chụp hết phim, máy ảnh được trả về chocông ty để lấy phim ra và in tráng, sau đó, nó được nạp lại phim và trả cho khách hàng.
Ảnh số được chụp đầu tiên vào tháng 12 năm 1975 bằng máy của hãng East manKodak Máy đó dùng bộ cảm biến CCD do Fairchild Semiconductor làm ra năm 1973.Máy này nặng 3,6kg, chụp ảnh trắng đen có độ phân giải 10.000 Pixels và ghi vào băng
từ Chụp mỗi tấm ảnh mất 23 giây Máy chụp ảnh số đầu tiên trông giống máy chụp ảnhthường là máy Sony Magica (Magnetic Video Camera) sản xuất năm 1981
Hình 3 Máy ảnh hiện đại.
Mãi tới năm 1984 Canon giới thiệu Canon RC-701, một máy chụp ảnh điện tửAnalogue Máy ảnh số thật sự đầu tiên là Fuji DS-1P vào năm 1988, hình chụp được ghivào thẻ nhớ 16MB (phải nuôi bộ nhớ này bằng pin) Máy ảnh số đầu tiên được bán rộngrãi là Kodak DSC-100 năm 1991 Nó có độ phân giải 1,3MP và giá là 13.000$ Máy chụpảnh số đầu tiên có màn hình tinh thể lỏng là Casio QC-10 năm 1995 Máy chụp ảnh sốđầu tiên dùng Compact Flash là Kodak DC-25 năm 1996
Máy chụp ảnh số loại bình dân đầu tiên đạt đến độ phân giản 1MP vào năm 1997.Máy chụp ảnh số đầu tiên có thể ghi ảnh động là Ricoh RCD-1 năm 1995 Năm 1999,Nikon giới thiệu Nikon D1, máy chụp ảnh DS LR đầu tiên với độ phân giải 2,74MP, cógiá dưới 6.000$ Máy này dùng ống kính theo chuẩn Nikon F-mount giống như các máychụp ảnh phim Năm 2003, Canon cho ra đời Canon Digital Rebel, còn gọi là 300D, có
độ phân giải 6MP và là chiếc DSLR đầu tiên có giá dưới 1.000$
Ngày nay, có hàng loạt các loại máy ảnh với thiết kế và chức năng ngày càng đượccải thiện Đồng thời, với sự ra đời của những chiếc smartphone, việc chụp ảnh trở nên dễdàng hơn Tuy nhiên về mặt bản chất và nguyên tắc hoạt động thì không có gì có thể thaythế được chiếc máy ảnh thật Nhờ đó mà công nghệ sản xuất máy ảnh được phát triểnkhông ngừng
2 Cấu trúc máy ảnh và nguyên tắc hoạt động
Các máy ảnh truyền thống sử dụng phim để ghi lại hình ảnh có cấu tạo cơ bảngiống nhau, gồm các bộ phận:
Trang 62 Gương phản xạ và và hệ thống gương phức hợp ngắm chụp (relex mirror andprism)
3 Ống ngắm (view finder)
4 Cửa chập có màn chập (shutter/ shutter curtains)
5 Bản phim (film/ film plane)
2.1 Các nút điều khiển cơ bản
Hình 4 Các nút điều khiển cơ bản của máy ảnh
2.2 Cảm biến của máy ảnh
Từ thuở đầu ra đời, máy ảnh lưu hình ảnh trên tấm kính hoặc tấm phim Ngày nay, máy ảnh số tái tạo hình ảnh trên tấm cảm biến hình ảnh Các tấm cảm biến được tạo thành từ hàng triệu photodiode cảm nhận ánh sáng được thiết kế thành một tấm lưới Mỗi photodiode ghi lại một điểm nhỏ của hình ảnh và tất cả chúng tạo thành bức ảnh Hiện có hai loại cảm biến ảnh CCD và CMOS, về cơ bản chúng hoạt động như nhau Kích thước của cảm biến quan trọng hơn số lượng điểm ảnh trên cảm biến.
Hình 5 Hai loại cảm biến máy ảnh.
Trang 72.3 Ống kính
Ống kính được cấu tạo bởi nhiều thấu kính (lens) Trên ống kính có hệ thống cănnét để điều chỉnh hình ảnh phản chiếu lên bản phim sao cho rõ nét nhất (focusing) Trongống kính còn có một lỗ cho ánh sáng lọt qua (apature) được cấu tạo để có thể điều chỉnh
mở to hoặc nhỏ điều tiết ánh sáng nhiều hay ít đi qua Các ống phóng (zoom) còn có hệthống mở to hay thu nhỏ góc ảnh bằng cách điều chỉnh tiêu cự của ống (focal length).2.4 Gương phản xạ và hệ thống gương phức hợp ngắm chụp
Do người chụp không thể ngắm chụp trực tiếp theo một đường thẳng xuyên quaống kính vì vướng bản phim, để người chụp có thể nhìn thấy hình ảnh và góc chụp trướckhi bấm máy, người ta phải bố trí một gương phản xạ (relex mirror) ở sau ống kính(thường theo góc 45 độ Hình ảnh hắt vào gương này sẽ được phản xạ lên hệ thống gươngphức hợp (prism), thường đặt phía trên nóc máy, để từ đó đi tới ống ngắm (view finder)đặt phía trên bản phim và nhìn xuyên ra phía sau thân máy Khi bấm chụp, gương này sẽphải lật lên để hình ánh đi theo đường thẳng qua cửa chập tới bản phim Sau khi chụp,gương sẽ hạ xuống vị trí ban đầu để người chụp ngắm chụp các kiểu ảnh tiếp theo
2.5 Ống ngắm
Như đã nói ở trên, ống ngắm (view finder) được thiết kế giúp người chụp nhìnđược hình ảnh trước khi bấm chụp Để ngắm chụp chính xác nhất thì hình ảnh ngắm quaống ngắm phải giống hoàn toàn với hình ảnh sẽ được ghi lên bản phim Vì vậy phải bố trí
hệ thống gương như nói ở trên để người chụp ngắm được qua ống kính chính – và vì vậyloại máy ảnh này được gọi là máy ảnh ống kính đơn phản xạ (single lens relex / SLR) vìchỉ có một ống kính phục vụ mục đính ngắm chụp đồng thời thu nhận hình ảnh chụp lênbản phim Ở một số thiết kế khác, máy ảnh được bố trí hai ống kính khác nhau, một ốngthu hình ảnh lên bản phim và một ống phụ dùng cho ống ngắm chụp – và vì vậy ở cácmáy này không cần gương phản xạ nên cấu tạo thường mỏng và nhỏ gọn hơn; ở các máynày, do vị trí của ống ngắm và ống chụp chính hơi lệch nhau nên có thể tạo ra hiện tượngthị sai (parallax) và những gì nhìn thấy qua ống ngắm không hoàn toàn giống với hìnhảnh thể hiện trên bản phim vì góc nhìn hơi lệch nhau
Hình 6 Sơ đồ cấu tạo máy ảnh số.
Trang 82.7 Bản phim
Bản phim – hay gọi ngắn gọn là phim – được bố trí sau cùng trong máy ảnh tính
theo hướng đi của ánh sáng phản xạ từ hình ảnh được chụp: hình ảnh > ống kính > gương phản xạ > (gương lật lên) > cửa chập > (cửa chập mở ra) > phim Phim nhựa
được chế tạo bằng cách phủ lên tấm nhựa trong suốt một loại hóa chất – thường có chứabạc kim loại (silver halide) – có khả năng phản ứng hóa học khi gặp ánh sáng để ghi nhậnhình ảnh qua ánh sáng phản xạ từ vật thể được chụp lên phim Đặc tính của các hạt hóachất này (particles) là độ mịn càng cao thì khả năng bắt sáng càng thấp, từ đó có kháiniệm ISO, do Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế qui định (International Organization forStandardization / ISO) Chỉ số ISO qui định độ nhạy (bắt sáng) của phim Phim càng cóISO cao càng có khả năng bắt sáng cao giúp chụp được hình ảnh trong điều kiện ít ánhsáng – và vì thế khi dùng phim ISO cao, có thể tăng tốc độ chụp lên cao, giúp dừng hình(freeze motions) của những hình ảnh chuyển động nhanh – ví dụ trong thể thao Điều cầnlưu ý là để chế tạo phim khả năng bắt sáng cao phải sử dụng các hóa chất có độ mịn thấp(các hạt hóa chất to hơn) nên khi phóng to hình ảnh sẽ bị nhiễu (noise) tức là hình ảnh bịsần với các chấm điểm ánh sáng không đồng đều màu sắc do ảnh hưởng của độ mịn cáchạt hóa chất sử dụng làm phim Đối với phim màu, thay vì phủ một lớp hóa chất, người taphải phủ chồng lên nhau ba lớp hóa chất có khả năng phản ứng (hóa học) với ba màu ánhsáng khác nhau (3 màu cơ bản) để từ đó tạo mọi màu sắc cho hình ảnh ghi nhận trênphim
Ngày nay, với công nghệ kỹ thuật số (KTS) người ta thay bản phim bằng một lácảm biến (sensor) có khả năng phản ứng với ánh sáng như phim, nhưng hình ảnh được sốhóa và lưu vào trong bộ nhớ của máy ảnh (memory) hoặc thẻ nhớ (memory stick) Cáckhái niệm như đối với bản phim nay được áp dụng y nguyên cho cảm biến số, vì vậy trênmáy KTS cũng có các giá trị ISO (độ nhạy) và nhiễu màu (noise) như ở phim nhựatruyền thống Tất cả cơ chế khác hầu hết đều tương tự như máy ảnh ống kính đơn phản xạ(SLR) nên những máy ảnh KTS này được gọi là máy ảnh KTS ống kính đơn phản xạ (D-SLR/ DSLR/ dSLR)
Trang 93 Cơ cấu quang học
Hệ thống quang học (Optical System) bao gồm những thành phần giúp truyền vàphản xạ ánh sáng bên cạnh hai module cảm biến làm nhiệm vụ đo sáng Hệ thống quanghọc trên các máy DSLR là cơ cấu truyền tải ánh sáng từ ống kính tới cảm biến thu nhậnhình ảnh và từ ống kính tới kính ngắm quang học sử dụng hệ thống gương phản xạ vàlăng kính Dưới đây là các thành phần chính trong hệ thống quang học của máy ảnh KTSDSLR
3.1 Màn lấy nét và thấu kính tụ sáng
Màn lấy nét thực chất là một tấm thủy tinh mỏng mà trên đó hiển thị hình ảnh lộnngược của vật thể tạo bởi gương lật Thấu kính tụ sáng giúp dẫn hình ảnh này tới buồnglăng kính năm mặt
3.2 Module đo sáng
Thành phần chính của cơ cấu này là một cảm quang CCD độ phân giải 1.005 pixel giúp phân tích dữ liệu bao gồm các thông tin về màu sắc, độ tương phản và khoảng cách tới đối tượng Thuật toán đo sáng ma trận màu 3D sẽ so sánh dữ liệu này với cơ sở gồm hơn 30.000 bức ảnh lưu trữ sẵn trong bộ nhớ để điều chỉnh phơi sáng cho phù hợp.
Trang 103.5 Gương phản xạ
Gương phản xạ nằm nghiêng 45 độ so với phương truyền sáng, giúp phản xạ hìnhảnh từ ống kính ngược lên buồng chứa lăng kính năm mặt Hình ảnh bị đảo ngược trongquá trình này Gương phản xạ sẽ lật lên rất nhanh để ánh sáng truyền vào cảm quang rồilại trở về vị trí như ban đầu
3.6 Cảm quang và module lấy nét
Cảm quang Giúp thu nhận hình ảnh tạo bởi ống kính Trước cảm quang bao giờcũng có cơ cấu màn trập giúp điều khiển thời gian phơi sáng Tại đây, hình ảnh được chialàm đôi bằng một thấu kính tách Một cảm biến nhỏ nhận nhiệm vụ đo khoảng cách giữahai ảnh này và so sánh với giá trị chuẩn để điều chỉnh việc lấy nét Tại module lấy nét,hình ảnh được chia làm đôi bằng một thấu kính tách Một cảm biến nhỏ nhận nhiệm vụ
đo khoảng cách giữa hai ảnh này và so sánh với giá trị chuẩn để điều chỉnh việc lấy nét
Hình 8 Cơ chế lấy nét của máy ảnh DSLR
Trang 11bỏ nhiều thời gian nghiên cứu và cải tiến tổ hợp thấu kính hội tụ và phân kỳ nói trên Những kếtquả nghiên cứu của Kepler được sử dụng cho đến bây giờ trong các loại kính hiển vi quang họchiện đại, đặc biệt là thị kính Kepler.
Hình 9 Kính hiển vi thế kỷ 18 tại Bảo tàng kỹ thuật Musée des Arts et Métiers, Paris.
Các cấu trúc của kính hiển vi quang học tiếp tục được phát triển tiếp theo đó, và kínhhiển vi chỉ được sử dụng một cách phổ biến hơn ở Italia, Anh quốc, Hà Lan vào những năm
1660, 1670 Marcelo Malpighi ở Italia bắt đầu sử dụng kính hiển vi để nghiên cứu cấu trúc sinhhọc ở phổi Đóng góp lớn nhất thuộc về nhà phát minh người Hà Lan Antoni van Leeuwenhoek,người đã phát triển kính hiển vi để tìm ra tế bào hồng cầu và tinh trùng và đã công bố các pháthiện này [3] Các phát triển ban đầu về kính hiển vi là thiết bị quang học sử dụng ánh sáng khảkiến và các thấu kính thủy tinh để quan sát
Đầu thế kỷ 20, kỹ thuật hiển vi tạo sự nhảy vọt với sự ra đời của các kính hiển vi điện tử,
mà mở đầu là kính hiển vi điện tử truyền qua được phát minh năm 1931 bởi Max Knoll và ErnstRuska ở Đức [4], và sau đó là sự ra đời của kính hiển vi điện tử quét Cuối thế kỷ 20, một loạtcác kỹ thuật hiển vi khác được phát triển như kính hiển vi quét đầu dò, hiển vi quang học trườnggần
1.2 Khái niệm
Kính hiển vi là một thiết bị dùng để quan sát các vật thể có kích thước nhỏ bé mà mắtthường không thể quan sát được bằng cách tạo ra các hình ảnh phóng đại của vật thể đó Kínhhiển vi có thể gấp độ phóng đại bình thường lên từ 40 - 3000 lần Kỹ thuật quan sát và ghi nhậnhình ảnh bằng các kính hiển vi được gọi là kỹ thuật hiển vi (microscopy) Ngày nay, kính hiển vi
có thể bao gồm nhiều loại từ các kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng khả kiến, cho đến cáckính hiển vi điện tử, hay các kính hiển vi quét đầu dò, hoặc các kính hiển vi phát xạ quang Kính hiển vi được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành như vật lý, hóa học, sinh học, khoa họcvật liệu, y học và được phát triển không chỉ là công cụ quan sát mà còn là một công cụ phân tíchmạnh
Trang 122 Phân loại, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
2.1 Kính hiển vi quang học
Kính hiển vi quang học là một loại kính hiển vi sử dụng ánh sáng khả kiến để quansát hình ảnh các vật thể nhỏ được phóng đại nhờ một hệ thống các thấu kính thủy tinh.Kính hiển vi quang học là dạng kính hiển vi đơn giản, lâu đời nhất và cũng là phổ biếnnhất Các kính hiển vi quang học cũ thường phải quan sát hình ảnh trực tiếp bằng mắtnhìn qua thị kính, nhưng các kính hiện đại hiện nay còn được gắn thêm các CCD camerahoặc các phim ảnh quang học để chụp ảnh
Hình 10 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một kính hiển vi quang học.
Một kính hiển vi quang học gồm có nhiều bộ phận, có thể chia thành các phần nhưsau:
Như hình ảnh ở dưới, các phần (theo đánh số) có thể được mô tả như sau:
1 Thị kính: Có thể từ một đến 2 thấu kính thủy tinh cho phép tạo ra ảnh cuối cùngcủa vật qua hệ quang học Độ phóng đại của thị kính khá nhỏ, thường chỉ dưới 10x, vàđược lắp đặt trong một ống trụ, cho phép thay đổi dễ dàng
2 Giá điều chỉnh vật kính
3 Vật kính: là thấu kính quan trọng nhất của các hệ tạo ảnh nhờ thấu kính, là một(hoặc có thể là hệ nhiều thấu kính) có tiêu cự ngắn, cho phép phóng đại vật với độ phóngđại lớn Nhờ có giá điều chỉnh, các vật kính khác nhau có thể xoay để thay đổi trị sốphóng đại Trên vật kính có thể ghi các trị số phóng đại 4x, 5x, 10x, 20x, 40x, 50x hay
Trang 134, 5 Giá vi chỉnh, cho phép điều chỉnh độ cao của mẫu vật để lấy nét trong quátrình tạo ảnh.
6 Giá đặt mẫu vật
7 Hệ thống đèn, gương tạo ánh sáng để chiếu sáng mẫu vật
8 Hệ thống khẩu độ, và các thấu kính hội tụ để hội tụ và tạo ra chùm sáng songsong chiếu qua mẫu vật
9 Vi chỉnh cho phép dịch chuyển mẫu vật theo chiều ngang để quan sát các phầnkhác nhau theo ý muốn
Hình 11 Hình ảnh một kính hiển vi với số đánh thể hiện vị trí các bộ phận.
Kính hiển vi quang học hoạt động hoàn toàn trên nguyên tắc khúc xạ ánh sáng qua
hệ các thấu kính thủy tinh Vật kính, là loại thấu kính có tiêu cự ngắn, là bộ phận chínhtạo nên sự phóng đại ảnh của mẫu vật Ảnh tạo ra qua thấu kính này là ảnh thật, và ngượcchiều so với vật mẫu ban đầu Ảnh được quan sát ở thị kính chỉ được lật đúng chiều nhờ
hệ thấu kính (hoặc lăng kính) trung gian đóng vai trò hệ lật ảnh Tùy theo cách thức quansát, ghi nhận ảnh mà ảnh được tạo ra ở thị kính có thể là ảnh thật hoặc ảnh ảo Ảnh này sẽ
là ảnh ảo khi hệ thị kính được thiết kế để quan sát trực tiếp bằng mắt thường, hoặc sẽ làảnh thật khi hệ thị kính được ghép vào các thiết bị ghi nhận như phim quang học hoặcCCD camera
Trên nguyên lý, kính hiển vi quang học có thể tạo độ phóng đại lớn tới vài ngànlần, nhưng độ phân giải của các kính hiển vi quang học truyền thống bị giới hạn bởi hiệntượng nhiễu xạ ánh sáng và cho bởi:
2
d NA
λ
=
với λ
là bước sóng ánh sáng, NA là thông số khẩu độ Vì thế, độ phân giải của các kính
hiển vi quang học tốt nhất chỉ vào khoảng vài trăm nm