Máy ảnh, kính hiển vi, kính viễn vọng

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.

TRƯỜNG 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: Vũ Tiến Lâm – 20162335 Nguyễn Văn Tiến – 20164076 Lê Đức Thuyên – 20163967 Hà Nội, 2018 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ PHẦN I MÁY ẢNH Lịch sử đời máy ảnh Chiếc máy ảnh định hình từ kỷ XI, loại máy ảnh coi phát triển từ “camera obscura” tiếng Latin obscura có nghĩa “buồng tối” Những “buồng tối” thiết bị có niên đại từ thời cổ xưa người Trung Hoa Hy Lạp cổ, dùng ông hay lỗ kim để chiếu lại cảnh vật bên ngoại lộn ngược xuống bề mặt [1] Hình Buồng tối Vào năm 1568, ông Danielo Barbaro sáng chế máy ảnh thay đổi đường kính để tăng độ nét ảnh Năm 1802, Tomas Erdward Gamphri Devid cách in tiếp xúc cho ảnh loại giấy đặc biệt (tuy nhiên ảnh không bền) Năm 1816, người tên Zozep Nips sáng chế máy ảnh kiểu hộp cho phép thu ảnh âm Năm 1835, ông William Tabot người làm dương từ ảnh âm thu ảnh nét Năm 1839, ông Luis Dage công bố phát minh trình định vị ảnh miếng bạc Theo thời gian, nhiều người đóng góp ý tưởng cơng sức vào việc hồn thiện máy ảnh Hình Máy ảnh kiểu hộp Zozep Nips Cuối cùng, vào năm 1888 người ta thấy thị trường xuất máy ảnh đại hãng Eastman Dry Play and Film Chiếc máy nạp sẵn phim rộng 6cm đủ để chụp 100 kiểu ảnh Sau chụp hết phim, máy ảnh trả cho công ty để lấy phim in tráng, sau đó, nạp lại phim trả cho khách hàng Ảnh số chụp vào tháng 12 năm 1975 máy hãng East man Kodak Máy dùng cảm biến CCD Fairchild Semiconductor làm năm 1973 Máy nặng 3,6kg, chụp ảnh trắng đen có độ phân giải 10.000 Pixels ghi vào băng từ Chụp ảnh 23 giây Máy chụp ảnh số trông giống máy chụp ảnh thường máy Sony Magica (Magnetic Video Camera) sản xuất năm 1981 Hình Máy ảnh đại Mãi tới năm 1984 Canon giới thiệu Canon RC-701, máy chụp ảnh điện tử Analogue Máy ảnh số thật Fuji DS-1P vào năm 1988, hình chụp ghi vào thẻ nhớ 16MB (phải nuôi nhớ pin) Máy ảnh số bán rộng rãi Kodak DSC-100 năm 1991 Nó có độ phân giải 1,3MP giá 13.000$ Máy chụp ảnh số có hình tinh thể lỏng Casio QC-10 năm 1995 Máy chụp ảnh số dùng Compact Flash Kodak DC-25 năm 1996 Máy chụp ảnh số loại bình dân đạt đến độ phân giản 1MP vào năm 1997 Máy chụp ảnh số ghi ảnh động Ricoh RCD-1 năm 1995 Năm 1999, Nikon giới thiệu Nikon D1, máy chụp ảnh DS LR với độ phân giải 2,74MP, có giá 6.000$ Máy dùng ống kính theo chuẩn Nikon F-mount giống máy chụp ảnh phim Năm 2003, Canon cho đời Canon Digital Rebel, gọi 300D, có độ phân giải 6MP DSLR có giá 1.000$ Ngày nay, có hàng loạt loại máy ảnh với thiết kế chức ngày cải thiện Đồng thời, với đời smartphone, việc chụp ảnh trở nên dễ dàng Tuy nhiên mặt chất ngun tắc hoạt động khơng có thay máy ảnh thật Nhờ mà công nghệ sản xuất máy ảnh phát triển không ngừng Cấu trúc máy ảnh nguyên tắc hoạt động Các máy ảnh truyền thống sử dụng phim để ghi lại hình ảnh có cấu tạo giống nhau, gồm phận: Ống kính (lens) Gương phản xạ và hệ thống gương phức hợp ngắm chụp (relex mirror and prism) Ống ngắm (view finder) Cửa chập có chập (shutter/ shutter curtains) Bản phim (film/ film plane) 2.1 Các nút điều khiển Hình Các nút điều khiển máy ảnh 2.2 Cảm biến máy ảnh Từ thuở đầu đời, máy ảnh lưu hình ảnh kính phim Ngày nay, máy ảnh số tái tạo hình ảnh cảm biến hình ảnh Các cảm biến tạo thành từ hàng triệu photodiode cảm nhận ánh sáng thiết kế thành lưới Mỗi photodiode ghi lại điểm nhỏ hình ảnh tất chúng tạo thành ảnh Hiện có hai loại cảm biến ảnh CCD CMOS, chúng hoạt động Kích thước cảm biến quan trọng số lượng điểm ảnh cảm biến Hình Hai loại cảm biến máy ảnh 2.3 Ống kính Ống kính cấu tạo nhiều thấu kính (lens) Trên ống kính có hệ thống nét để điều chỉnh hình ảnh phản chiếu lên phim cho rõ nét (focusing) Trong ống kính có lỗ cho ánh sáng lọt qua (apature) cấu tạo để điều chỉnh mở to nhỏ điều tiết ánh sáng nhiều hay qua Các ống phóng (zoom) có hệ thống mở to hay thu nhỏ góc ảnh cách điều chỉnh tiêu cự ống (focal length) 2.4 Gương phản xạ hệ thống gương phức hợp ngắm chụp Do người chụp ngắm chụp trực đường thẳng xun qua ống kính vướng phim, để người chụp nhìn thấy hình ảnh góc chụp trước bấm máy, người ta phải bố trí gương phản xạ (relex mirror) sau ống kính (thường theo góc 45 độ Hình ảnh hắt vào gương phản xạ lên hệ thống gương phức hợp (prism), thường đặt phía máy, để từ tới ống ngắm (view finder) đặt phía phim nhìn xun phía sau thân máy Khi bấm chụp, gương phải lật lên để hình ánh theo đường thẳng qua cửa chập tới phim Sau chụp, gương hạ xuống vị trí ban đầu để người chụp ngắm chụp kiểu ảnh 2.5 Ống ngắm Như nói trên, ống ngắm (view finder) thiết kế giúp người chụp nhìn hình ảnh trước bấm chụp Để ngắm chụp xác hình ảnh ngắm qua ống ngắm phải giống hồn tồn với hình ảnh ghi lên phim Vì phải bố trí hệ thống gương nói để người chụp ngắm qua ống kính – loại máy ảnh gọi máy ảnh ống kính đơn phản xạ (single lens relex / SLR) có ống kính phục vụ mục đính ngắm chụp đồng thời thu nhận hình ảnh chụp lên phim Ở số thiết kế khác, máy ảnh bố trí hai ống kính khác nhau, ống thu hình ảnh lên phim ống phụ dùng cho ống ngắm chụp – máy khơng cần gương phản xạ nên cấu tạo thường mỏng nhỏ gọn hơn; máy này, vị trí ống ngắm ống chụp lệch nên tạo tượng thị sai (parallax) nhìn thấy qua ống ngắm khơng hồn tồn giống với hình ảnh thể phim góc nhìn lệch Hình Sơ đồ cấu tạo máy ảnh số 2.6 Cửa chập chập Cửa chập (shutter) phận gồm hay nhiều chập (shutter curtains) gắn trước phim, sau gương (và sau ống kính) có nhiệm vụ ngăn ánh sáng không cho tới phim lúc chưa bấm chụp mở (rồi đóng vào nhanh) chụp Cửa chập đóng mở nhanh hay chậm (shutter speed) có mục đính quan trọng điều tiết ánh sáng tới phim; tốc độ kết hợp với độ mở ống kính (apature) để tạo giá trị phơi sáng hình ảnh (exposure value), tức độ sáng tối hình ảnh ghi lại phim Do tốc độ đòi hỏi cửa chập phải đóng mở khoảng thời gian ngắn (thường tính phần giây đồng hồ) nên để đạt tốc độ học nhanh, thường phải bố trí hai hay nhiều chập (shutter curtains) có mành mở lên đóng xuống mặt học, đạt tốc độ cao mong muốn Công nghệ học cho phép cửa chập máy ảnh ngày đạt tới tốc độ mở – đóng – lên tới 1/8000 giây 2.7 Bản phim Bản phim – hay gọi ngắn gọn phim – bố trí sau máy ảnh tính theo hướng ánh sáng phản xạ từ hình ảnh chụp: hình ảnh > ống kính > gương phản xạ > (gương lật lên) > cửa chập > (cửa chập mở ra) > phim Phim nhựa chế tạo cách phủ lên nhựa suốt loại hóa chất – thường có chứa bạc kim loại (silver halide) – có khả phản ứng hóa học gặp ánh sáng để ghi nhận hình ảnh qua ánh sáng phản xạ từ vật thể chụp lên phim Đặc tính hạt hóa chất (particles) độ mịn cao khả bắt sáng thấp, từ có khái niệm ISO, Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế qui định (International Organization for Standardization / ISO) Chỉ số ISO qui định độ nhạy (bắt sáng) phim Phim có ISO cao có khả bắt sáng cao giúp chụp hình ảnh điều kiện ánh sáng – dùng phim ISO cao, tăng tốc độ chụp lên cao, giúp dừng hình (freeze motions) hình ảnh chuyển động nhanh – ví dụ thể thao Điều cần lưu ý để chế tạo phim khả bắt sáng cao phải sử dụng hóa chất có độ mịn thấp (các hạt hóa chất to hơn) nên phóng to hình ảnh bị nhiễu (noise) tức hình ảnh bị sần với chấm điểm ánh sáng không đồng màu sắc ảnh hưởng độ mịn hạt hóa chất sử dụng làm phim Đối với phim màu, thay phủ lớp hóa chất, người ta phải phủ chồng lên ba lớp hóa chất có khả phản ứng (hóa học) với ba màu ánh sáng khác (3 màu bản) để từ tạo màu sắc cho hình ảnh ghi nhận phim Ngày nay, với công nghệ kỹ thuật số (KTS) người ta thay phim cảm biến (sensor) có khả phản ứng với ánh sáng phim, hình ảnh số hóa lưu vào nhớ máy ảnh (memory) thẻ nhớ (memory stick) Các khái niệm phim áp dụng y nguyên cho cảm biến số, máy KTS có giá trị ISO (độ nhạy) nhiễu màu (noise) phim nhựa truyền thống Tất chế khác hầu hết tương tự máy ảnh ống kính đơn phản xạ (SLR) nên máy ảnh KTS gọi máy ảnh KTS ống kính đơn phản xạ (DSLR/ DSLR/ dSLR) Cơ cấu quang học Hệ thống quang học (Optical System) bao gồm thành phần giúp truyền phản xạ ánh sáng bên cạnh hai module cảm biến làm nhiệm vụ đo sáng Hệ thống quang học máy DSLR cấu truyền tải ánh sáng từ ống kính tới cảm biến thu nhận hình ảnh từ ống kính tới kính ngắm quang học sử dụng hệ thống gương phản xạ lăng kính Dưới thành phần hệ thống quang học máy ảnh KTS DSLR 3.1 Màn lấy nét thấu kính tụ sáng Màn lấy nét thực chất thủy tinh mỏng mà hiển thị hình ảnh lộn ngược vật thể tạo gương lật Thấu kính tụ sáng giúp dẫn hình ảnh tới buồng lăng kính năm mặt 3.2 Module đo sáng Thành phần cấu cảm quang CCD độ phân giải 1.005 pixel giúp phân tích liệu bao gồm thông tin màu sắc, độ tương phản khoảng cách tới đối tượng Thuật toán đo sáng ma trận màu 3D so sánh liệu với sở gồm 30.000 ảnh lưu trữ sẵn nhớ để điều chỉnh phơi sáng cho phù hợp 3.3 Lăng kính năm mặt Có tác dụng giống hai gương phẳng, giúp đưa ánh sáng tới thị kính mà khơng làm đảo ngược ảnh Hình Cơ chế phản xạ lăng kính năm mặt 3.4 Gương thứ cấp Một phần gương phản xạ phủ bạc nửa (bán mạ) để vừa phản xạ vừa cho phép ánh sáng truyền qua Gương thứ cấp nằm phía sau gương phản xạ bẻ hướng tia sáng xuống module lấy nét 3.5 Gương phản xạ Gương phản xạ nằm nghiêng 45 độ so với phương truyền sáng, giúp phản xạ hình ảnh từ ống kính ngược lên buồng chứa lăng kính năm mặt Hình ảnh bị đảo ngược trình Gương phản xạ lật lên nhanh để ánh sáng truyền vào cảm quang lại trở vị trí ban đầu 3.6 Cảm quang module lấy nét Cảm quang Giúp thu nhận hình ảnh tạo ống kính Trước cảm quang có cấu trập giúp điều khiển thời gian phơi sáng Tại đây, hình ảnh chia làm đơi thấu kính tách Một cảm biến nhỏ nhận nhiệm vụ đo khoảng cách hai ảnh so sánh với giá trị chuẩn để điều chỉnh việc lấy nét Tại module lấy nét, hình ảnh chia làm đơi thấu kính tách Một cảm biến nhỏ nhận nhiệm vụ đo khoảng cách hai ảnh so sánh với giá trị chuẩn để điều chỉnh việc lấy nét Hình Cơ chế lấy nét máy ảnh DSLR 10 Phân loại, cấu tạo nguyên tắc hoạt động 2.1 Kính hiển vi quang học Kính hiển vi quang học loại kính hiển vi sử dụng ánh sáng khả kiến để quan sát hình ảnh vật thể nhỏ phóng đại nhờ hệ thống thấu kính thủy tinh Kính hiển vi quang học dạng kính hiển vi đơn giản, lâu đời phổ biến Các kính hiển vi quang học cũ thường phải quan sát hình ảnh trực tiếp mắt nhìn qua thị kính, kính đại gắn thêm CCD camera phim ảnh quang học để chụp ảnh Hình 10 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo kính hiển vi quang học Một kính hiển vi quang học gồm có nhiều phận, chia thành phần sau: • • • • Nguồn sáng; Hệ hội tụ tạo chùm sáng song song; Giá mẫu vật; Vật kính (có thể thấu kính hệ thấu kính) phận tạo nên phóng đại; • Hệ lật ảnh (lăng kính, thấu kính); • Thị kính thấu kính tạo ảnh quan sát cuối cùng; • Hệ ghi ảnh Như hình ảnh dưới, phần (theo đánh số) mơ tả sau: Thị kính: Có thể từ đến thấu kính thủy tinh cho phép tạo ảnh cuối vật qua hệ quang học Độ phóng đại thị kính nhỏ, thường 10x, lắp đặt ống trụ, cho phép thay đổi dễ dàng Giá điều chỉnh vật kính Vật kính: thấu kính quan trọng hệ tạo ảnh nhờ thấu kính, (hoặc hệ nhiều thấu kính) có tiêu cự ngắn, cho phép phóng đại vật với độ phóng đại lớn Nhờ có giá điều chỉnh, vật kính khác xoay để thay đổi trị số phóng đại Trên vật kính ghi trị số phóng đại 4x, 5x, 10x, 20x, 40x, 50x hay 100x Trong số vật kính đặc biệt, người ta sử dụng dầu nhằm tăng độ phân giải hệ thống 12 4, Giá vi chỉnh, cho phép điều chỉnh độ cao mẫu vật để lấy nét trình tạo ảnh Giá đặt mẫu vật Hệ thống đèn, gương tạo ánh sáng để chiếu sáng mẫu vật Hệ thống độ, thấu kính hội tụ để hội tụ tạo chùm sáng song song chiếu qua mẫu vật Vi chỉnh cho phép dịch chuyển mẫu vật theo chiều ngang để quan sát phần khác theo ý muốn Hình 11 Hình ảnh kính hiển vi với số đánh thể vị trí phận Kính hiển vi quang học hoạt động hồn toàn nguyên tắc khúc xạ ánh sáng qua hệ thấu kính thủy tinh Vật kính, loại thấu kính có tiêu cự ngắn, phận tạo nên phóng đại ảnh mẫu vật Ảnh tạo qua thấu kính ảnh thật, ngược chiều so với vật mẫu ban đầu Ảnh quan sát thị kính lật chiều nhờ hệ thấu kính (hoặc lăng kính) trung gian đóng vai trò hệ lật ảnh Tùy theo cách thức quan sát, ghi nhận ảnh mà ảnh tạo thị kính ảnh thật ảnh ảo Ảnh ảnh ảo hệ thị kính thiết kế để quan sát trực tiếp mắt thường, ảnh thật hệ thị kính ghép vào thiết bị ghi nhận phim quang học CCD camera Trên nguyên lý, kính hiển vi quang học tạo độ phóng đại lớn tới vài ngàn lần, độ phân giải kính hiển vi quang học truyền thống bị giới hạn tượng nhiễu xạ ánh sáng cho bởi: d= λ NA λ với bước sóng ánh sáng, NA thơng số độ Vì thế, độ phân giải kính hiển vi quang học tốt vào khoảng vài trăm nm 13 2.2 Kính hiển vi quang học quét trường gần Kính hiển vi quang học quét trường gần (SNOM) kỹ thuật soi kính hiển vi cho phép nghiên cứu cấu trúc nano với độ phân giải vượt qua giới hạn phân giải (giới hạn nhiễu xạ) cách ứng dụng tính chất sóng suy biến (evanescent wave) Kỹ thuật thực cách đặt đầu dò gần với mẫu (khoảng cách đầu dò mẫu nhỏ nhiều lần so với bước sóng λ) Nó cho phép quan sát bề mặt mẫu với độ phân giải hình ảnh cao (độ phân giải khơng gian, độ phân giải thời gian độ phân giải xạ) Với kỹ thuật này, độ phân giải hình ảnh bị giới hạn kích thước lỗ dò khơng phụ thuộc vào bước sóng tia sáng đầu dò Đặc biệt đạt độ phân giải ngang 20nm độ phân giải đứng từ 2-5 nm [5] Nguyên lý SNOM lợi dụng sóng suy biến để tái tạo hình ảnh Sóng suy biến (evanescent waves) sóng trường gần tạo kích thích ánh sáng lên bề mặt mặt kim loại liền với mặt lưỡng cực điện (thường khơng khí kính), ánh sáng chiếu tới có góc nhỏ 41.8 độ (góc tiêu cực) nguyên lý phản xạ tồn phần (total internal reflection) Sóng suy biến tạo chiếu ánh sáng vào vật (nguyên tử, phân tử cấu trúc) độ có kích thước/đường kính nhỏ bước sóng ánh sáng Theo vật lý cổ điển, điều cho ánh sáng xạ điện từ nói chung khơng thể qua độ nhỏ bước sóng xạ Tuy nhiên, vật lý lượng tử cho thấy điều hồn tồn bề mặt kim loại có tần số dao động điện tử trùng với tần số xạ chiếu tới Những điện tử lấy lượng photon ánh sáng "mang" chúng sang mặt bên kia, phát thành photon có bước sóng tần số với photon ban đầu Đây nguyên lý kính hiển vi quang học quét trường gần nhằm tạo chùm sáng có kích thước nhỏ giới hạn nhiễu xạ cho phép hội tụ kích thước chùm sáng (xuống tới 10 nm nhỏ so với giới hạn nhiễu xạ đưa Ernst Abbe, tức vào khoảng 200 nm) Do đó, độ phân giải thiết bị tăng lên đáng kể Tồn hệ thống thu-nhận kính hiển vi quang học quét trường gần đặt gần với mẫu vật, sóng suy biến suy giảm them cấp lũy thừa so với khoảng cách (sóng suy biến tồn tối đa tới 200 nm khỏi bề mặt mẫu vật, cường độ tối đa nó, đủ để thiết bị đo thu được, tồn khoảng cách 10 - 15 nm khỏi mẫu vật) Do đó, mũi dò dùng để chiếu sáng thu tín hiệu đặt khoảng cách gần với mẫu vật nhằm tận dụng tối đa sóng suy biến để tạo ảnh Đơi lúc, mũi dò dùng để chiếu sáng mẫu vật, việc thu ảnh thực cánh dùng thấu kính thủy tinh (vật kính) có số độ lớn dùng dầu để ghi ảnh Kính hiển vi quang học qt trường gần có khả ghi ảnh với độ phân giải cao, lên tới 20 - 50 nm (theo chiều ngang/dọc - x,y) khoảng - nm (theo chiều thẳng đứng - z) Do đó, NSOM hữu dụng nghiên cứu "chiều cao" chi tiết điện tử, đặc biệt quan trọng công nghiệp bán dẫn mà mẫu vật yêu cầu bảo tồn (kính hiển vi điện tử TEM thường yêu cầu phá vỡ vật liệu để tạo chi tiết mỏng) Hơn nữa, độ phân giải thoát khỏi hạn chế giới hạn nhiễu xạ gây kính trường xa, phụ thuộc vào kích thước độ bước quét mũi dò Về mặt chất, kính hiển vi NSOM/SNOM thực chất giống với kính hiển vi quang học thông thường, không yêu cầu phá hủy mẫu vật hay mơi trường chân khơng 14 kính hiển vi điện tử, có dòng điện truyền qua mẫu kính STM nên phù hợp với mẫu vật sinh học Khả ghi lại phổ: phổ lực, phổ Raman với độ xác cao Có khả ghi ảnh topo (topography) bề mặt mẫu nhằm phân biệt phân bố thành tố mẫu vật Bị giới hạn nghiên cứu bề mặt mẫu vật Ánh sáng phát mũi dò thường yếu mũi dò nhỏ, đồng thời bước quét ngắn nên tốc độ ghi ảnh NSOM cực chậm, gây hạn chế cho kiểu quay hình động (có thể tới vài chục phút để có ảnh chất lượng tốt Sự phát triển ăng ten quang học nano (nantenna) hứa hẹn bổ sung cho điểm yếu NSOM có ứng dụng lớn ứng dụng sinh học, bán dẫn chưa phổ biến loại kính hiển vi quang học thông thường giá thành cao điều khiển phức tạp 2.3 Kính hiển vi điện tử Kính hiển vi điện tử tên gọi chung nhóm thiết bị quan sát cấu trúc vi mô vật rắn, hoạt động dựa nguyên tắc sử dụng sóng điện tử tăng tốc hiệu điện cao để quan sát (khác với kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng khả kiến để quan sát) Hai loại kính hiển vi điện tử phổ biến nay: • Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope, viết tắt TEM) • Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, viết tắt SEM) 2.3.1 Kính hiển vi điện tử truyền qua Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng sử dụng thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh tạo huỳnh quang, hay film quang học, hay ghi nhận máy chụp kỹ thuật số Đối tượng sử dụng TEM chùm điện tử có lượng cao, cấu kiện TEM đặt cột chân không siêu cao tạo nhờ hệ bơm chân không (bơm turbo, bơm iôn ) Trong TEM, điện tử sử dụng thay cho ánh sáng (trong kính hiển vi quang học) Điện tử phát từ súng phóng điện tử Xét nguyên lý, ảnh TEM tạo theo chế quang học, tính chất ảnh tùy thuộc vào chế độ ghi ảnh Điểm khác ảnh TEM so với ảnh quang học độ tương phản khác so với ảnh kính hiển vi quang học loại kính hiển vi khác Nếu ảnh kính hiển vi quang học có độ tương phản chủ yếu đem lại hiệu ứng hấp thụ ánh sáng độ tương phản ảnh TEM lại chủ yếu xuất phát từ khả tán xạ điện tử Dù phát triển từ lâu, đến thời điểm tại, TEM công cụ nghiên cứu mạnh đại nghiên cứu cấu trúc vật rắn, sử dụng rộng rãi vật lý chất rắn, khoa học vật liệu, công nghệ nanơ, hóa học, sinh học, y học q trình phát triển với nhiều tính độ mạnh 15 Hình 12 Nguyên lý STEM: Sử dụng chùm điện tử hẹp quét mẫu Điểm mạnh TEM - Có thể tạo ảnh cấu trúc vật rắn với độ tương phản, độ phân giải (kể không gian thời gian) cao đồng thời dễ dàng thông dịch thông tin cấu trúc Khác với dòng kính hiển vi quét đầu dò, TEM cho ảnh thật cấu trúc bên vật rắn nên đem lại nhiều thông tin hơn, đồng thời dễ dàng tạo hình ảnh độ phân giải tới cấp độ nguyên tử - Đi kèm với hình ảnh chất lượng cao nhiều phép phân tích hữu ích đem lại nhiều thông tin cho nghiên cứu vật liệu Điểm yếu TEM - Đắt tiền: TEM có nhiều tính mạnh thiết bị đại giá thành cao, đồng thời đòi hỏi điều kiện làm việc cao ví dụ chân không siêu cao, ổn định điện nhiều phụ kiện kèm - Đòi hỏi nhiều phép xử lý mẫu phức tạp cần phải phá hủy mẫu (điều khơng thích hợp với nhiều tiêu sinh học) - Việc điều khiển TEM phức tạp đòi hỏi nhiều bước thực xác cao [6] 2.3.2 Kính hiển vi điện tử quét Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, viết tắt SEM), loại kính hiển vi điện tử tạo ảnh với độ phân giải cao bề mặt mẫu vật cách sử dụng chùm điện tử (chùm electron) hẹp quét bề mặt mẫu Việc tạo ảnh mẫu vật thực thông qua việc ghi nhận phân tích xạ phát từ tương tác chùm điện tử với bề mặt mẫu vật Việc phát chùm điện tử SEM giống việc tạo chùm điện tử kính hiển vi điện tử truyền qua, tức điện tử phát từ súng phóng điện tử 16 (có thể phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường ), sau tăng tốc Tuy nhiên, tăng tốc SEM thường từ 10 kV đến 50 kV hạn chế thấu kính từ, việc hội tụ chùm điện tử có bước sóng nhỏ vào điểm kích thước nhỏ khó khăn Điện tử phát ra, tăng tốc hội tụ thành chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau quét bề mặt mẫu nhờ cuộn quét tĩnh điện Độ phân giải SEM xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước chùm điện tử bị hạn chế quang sai, mà SEM khơng thể đạt độ phân giải tốt TEM Ngoài ra, độ phân giải SEM phụ thuộc vào tương tác vật liệu bề mặt mẫu vật điện tử Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, có xạ phát ra, tạo ảnh SEM phép phân tích thực thơng qua việc phân tích xạ Hình 13 Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử qt Mặc dù khơng thể có độ phân giải tốt kính hiển vi điện tử truyền qua kính hiển vi điện tử qt lại có điểm mạnh phân tích mà khơng cần phá hủy mẫu vật hoạt động chân khơng thấp Một điểm mạnh khác SEM thao tác điều khiển đơn giản nhiều so với TEM khiến cho dễ sử dụng Một điều khác giá thành SEM thấp nhiều so với TEM, SEM phổ biến nhiều so với TEM 2.4 Kính hiển vi qt đầu dò Kính hiển vi qt đầu dò (Scanning probe microscopy, viết tắt SPM) tên gọi chung nhóm kính hiển vi mà việc tạo ảnh bề mặt mẫu vật thực cách quét mũi dò nhỏ bề mặt mẫu vật Nhóm kính hiển vi đời vào năm 1981 với phát minh Gerd Binnig Heinrich Rohrer (IBM Zürich) kính hiển vi quét chui hầm (cả hai giành giải Nobel Vật lý năm 1986 cho phát minh này) Khác với loại kính hiển vi khác quang học, hay hiển vi điện tử, kính hiển vi quét đầu dò khơng sử dụng nguồn xạ để tạo ảnh, mà tạo ảnh thơng qua tương tác đầu dò bề mặt mẫu vật Do đó, độ phân giải kính hiển vi đầu dò bị giới hạn kích thước đầu dò 17 PHẦN III KÍNH VIỄN VỌNG Lịch sử đời Người nộp đơn xin sáng chế kính viễn vọng người làm kính Hans Lippershey (hoặc Lipperhey) Hình 14 Hans Lippershey Trong lịch sử, kính viễn vọng chế tạo sử dụng dụng cụ quang học, để thu nhận ánh sáng đến từ vật thể xa tạo hình ảnh phóng đại dễ dàng quan sát mắt người Chúng kính viễn vọng quang học Sau này, loại kính viễn vọng khác chế tạo, sử dụng xạ điện từ nằm bước sóng khác, đến từ vật thể xa, radio, hồng ngoại, tử ngoại, tia X, gamma,… Kính viễn vọng dụng cụ giúp quan sát vật thể nằm khoảng cách xa so với kích thước người Kính viễn vọng ứng dụng quan sát thiên văn học, hay công tác hoa tiêu ngành hàng hải, hàng không hay công nghệ vũ trụ, quan sát thám quân Trong ứng dụng thiên văn, chúng gọi kính thiên văn Kính viễn vọng phát minh quan trọng lồi người Thiết bị đơn giản giúp nhìn rõ vật xa Khi người tò mò nhìn bầu trời qua kính viễn vọng, làm thay đổi quan điểm Trái đất vũ trụ Phân loại, cấu tạo nguyên tắc hoạt động 2.1 Độ phân giải kính viễn vọng Độ phân giải kính viễn vọng phụ thuộc vào độ nhiễu xạ 18 Hình 15 Hiện tượng nhiễu xạ Một sóng phẳng qua hai khe bị nhiễu xạ, tạo sóng lan toả phía từ hai khe, hai luồng sóng lan từ hai khe lại giao thoa tiếp với Nhiễu xạ tượng quan sát sóng lan truyền qua khe nhỏ mép vật cản (rõ với vật cản có kích thước tương đương với bước sóng), sóng bị lệch hướng lan truyền, lan toả phía từ vị trí vật cản, tự giao thoa với sóng khác lan từ vật cản 2.2 Phân loại kính viễn vọng theo chế hoạt động 2.2.1 Kính viễn vọng khúc xạ Hình 16 Sơ đồ nguyên lý kính viễn vọng khúc xạ Hình 17 Sơ đồ cấu tạo kính viễn vọng khúc xạ Kính viễn vọng khúc xạ loại kính viễn vọng dùng thấu kính để thay đổi đường truyền xạ điện từ, thông qua tượng khúc xạ, tạo ảnh rõ nét vật thể xa Một kính viễn vọng khúc xạ Galileo (1564–1642) chế tạo, sử dụng vật kính, thấu kính hội tụ để gom tia sáng vào mặt phẳng cách thấu kính hội tụ khoảng gọi tiêu cự Ánh sáng bị khúc xạ tạo ảnh nhỏ hay hành tinh Kế tiếp, ảnh qua thị kính, kính Galileo thấu kính phân kì Hiện nay, ảnh qua vật kính phóng đại qua thị kính thấu kính hội tụ [7] Kính viễn vọng khúc xạ có trở ngại tán sắc Vì thủy tinh hay vật liệu làm thấu kính có chiết suất khác cho bước sóng xạ điện từ khác 19 Ví dụ, kính viễn vọng quang học hoạt động với chế khúc xạ, điều khiến hình ảnh vật xa, ví dụ hành tinh, bao quanh vòng tròn có màu sắc khác 2.2.2 Kính viễn vọng phản xạ Kính viễn vọng phản xạ hoạt động dựa tảo ảnh vật xa gương, thông qua tượng phản xạ xạ điện từ Một kính viễn vọng phản xạ nhà thiên văn người Scotland James Gregory phát minh năm 1663, dùng mặt gương lõm hội tụ thay thấu kính hội tụ để thu gom ánh sáng tới tạo ảnh Ảnh thu thập hay phóng đại thêm qua gương phụ trợ Kính viễn vọng phản xạ có ưu điểm lớn tránh tượng tán sắc Với kính viễn vọng, số photon thu tỷ lệ thuận với diện tích phần thu (gương kính viễn vọng phản xạ thấu kính với kính viễn vọng khúc xạ) Đồng thời độ phân giải tỷ lệ với đường kính phần thu Ví dụ, dùng gương có bán kínhgấp đơi, khả thu gom ánh sáng lên gấp bốn lần độ phân giải tăng hai lần Việc tăng kích thước gương thực dễ dàng so với tăng kích thước thấu kính Đây ưu điểm kính viễn vọng phản xạ Đa số kính viễn vọng ngày nay, có đường kính cỡ từ vài chục xentimét trở lên, phục vụ cho quan sát thiên văn, kính viễn vọng phản xạ [8] Hình 18 Sơ đồ kiểu kính viễn vọng phản xạ quang học 2.2.3 Kính viễn vọng quang phổ Quang phổ học môn nghiên cứu phổ vật chất, dựa sở nguyên tố hóa học có phổ đặc trưng Điều quan sát qua hệ thống kính quang phổ, tia sáng qua khe hẹp, đến thấu kính chuẩn trực (collimating lens) chỉnh thành tia sáng song song, qua lăng kính (prism), sau phân tích qua kính lấy nét (focusing lens) thị kính Qua kính quang phổ, thấy chuỗi hình ảnh, hình ảnh có màu khác nhau, ánh sáng phân tích qua phổ màu khác Kính quang phổ thường tách ánh sáng thành dải màu tiếp nối nhau, với nhiều đường sậm chạy ngang gọi đường Fraunhofer Mỗi tổ hợp đường sậm tương ứng với nguyên tố hấp thụ màu bị Ví dụ: nguyên tố H cho đường đỏ sậm, Na cho cặp đường vàng sậm, Fe cho đường hầu hết màu Mỗi ngun tố tầng khí quanh tạo nên đường phổ 20 đậm đặc trưng, tùy thuộc vào nhiệt độ áp suất khí Vì thế, quan sát phổ hàng trăm ngàn Phân tích quang phổ ánh sáng chiếu từ cho phép phân tích thành phần hóa học Ví dụ: nguyên tố helium khám phá Mặt Trời nhiều năm trước tìm thấy Trái Đất Gần đây, nghiên cứu quang phổ Mặt Trời cho thấy chứng vững diện ion hydrogen âm Vì thế, nghiên cứu quang phổ cung cấp nhiều tư liệu quý giá Ví dụ, tinh vân (nebula) cho thấy nguyên tố mới, tạm thời đặt tên nebulium, Trái Đất Sau vào năm 1927, vạch quang phổ xác định ion Oxy dương Cũng nhờ nghiên cứu quang phổ vòng quanh Sao Thổ, biết vòng chủ yếu tạo thành mảnh băng ammonia Quang phổ học ứng dụng để phân tích thành phần hóa học khí Mộc Tinh sau chổi Shoemaker-Levy va đập vào Quang phổ học giúp khám phá thiên thể xa Ví dụ: phổ vài xa bị tách rời nhau, sau hợp lại Hiệu ứng diện đơi, quay gần đến đỗi kính viễn vọng thơng thường khơng thể phân biệt Các đường phổ dịch chuyển vị trí nguồn ánh sáng di chuyển tiến gần rời xa thiết bị quan sát Sự dịch chuyển giúp tính tốn xác vận tốc tương đối nguồn phát xạ Nói chung, đường phổ dịch chuyển phía màu đỏ, rời xa Trái Đất, vận tốc tính tốn từ mức độ dịch chuyển Ngược lại, tiến gần Trái Đất, phổ dịch chuyển phía màu tím Qua cách này, có kết luận dẫn đến thuyết vũ trụ giãn nở 2.3 Phân loại kính viễn vọng theo bước sóng 2.3.1 Kính viễn vọng quang học Kính viễn vọng quang học chủ yếu dựa thu thập xử lý ánh sáng Kính viễn vọng quang học loại kính viễn vọng thiên văn thu thập tập trung ánh sáng, chủ yếu từ phần quang phổ điện từ nhìn thấy lân cận, tạo hình ảnh phóng to để xem trực tiếp, chụp ảnh thu thập liệu qua cảm biến hình ảnh điện tử Có ba loại kính viễn vọng quang học: • Khúc xạ, sử dụng thấu kính; • Phản xạ, sử dụng gương; • Kết hợp ống kính gương 21 Hình 19 Kính thiên văn khúc xạ lõm inch Trung tâm Khoa học Vũ trụ Chabot 2.3.2 Kính viễn vọng vơ tuyến Kính viễn vọng vơ tuyến hay kính thiên văn vơ tuyến dạng ăng ten hướng tính sử dụng thiên văn vô tuyến Các loại ăng ten tương tự sử dụng việc theo dõi thu thập liệu từ vệ tinh tàu thăm dò khơng gian Trong vai trò thiên văn họ, chúng có khác biệt với kính thiên văn quang học chỗ chúng hoạt động phần tần số vô tuyến điện quang phổ điện từ, nơi chúng phát thu thập liệu nguồn sóng vơ tuyến Kính thiên văn vơ tuyến thường có hình ăng ten parabol ("chảo") lớn sử dụng đơn lẻ mảng Đài thiên văn vô tuyến ưu tiên nằm xa trung tâm lớn dân để tránh nhiễu điện từ (EMI) từ đài phát thanh, truyền hình, radar thiết bị phát EMI khác Điều tương tự định vị kính thiên văn quang học để tránh nhiễm ánh sáng, với khác biệt đài quan sát vô tuyến thường đặt thung lũng để tiếp tục che chở chúng khỏi EMI trái ngược để xóa núi khơng khí cho đài thiên văn quang học Kính viễn vọng vơ tuyến hoạt động với chế kính viễn vọng giao thoa kính viễn vọng phản xạ, dải sóng vơ tuyến Do ứng dụng chủ yếu quan sát thiên văn liên lạc thông tin công nghệ vũ trụ Đối với quan sát thiên văn, kính viễn vọng quang học, ứng dụng quan sát bầu trời từ Trái Đất, dùng đêm bầu trời khơng có mây ban ngày khơng quan sát Mặt Trời chiếu sáng Các kính viễn vọng vơ tuyến giúp vượt qua trở ngại này, tín hiệu vơ tuyến bị nhiễu vào ban ngày xuyên qua đám mây 22 Hình 20 Hai kính thiên văn vơ tuyến Đài thiên văn Parkes, Úc Trở ngại kính viễn vọng vơ tuyến bước sóng sóng vơ tuyến thường dài cỡ mét, để đạt độ phân giải cao, cần xây dựng gương có đường kính khổng lồ Cách giải dùng kỹ thuật kính viễn vọng giao thoa, sử dụng tín hiệu đồng thu từ kính viễn vọng phản xạ nằm xa Khoảng cách lớn kính viễn vọng phản xạ đơn lẻ coi tương đương với "đường kính" hệ kính Ví dụ, mạng lưới gồm 25 đĩa thu tín hiệu có đường kính 25 m, trải dài từ đảo Hawaii đến quần đảo Virgin, tương đương với kính viễn vọng vơ tuyến có đường kính gần 8.000 km Một hạn chế khác kính viễn vọng vô tuyến nhiễu loạn từ hoạt động người, kể việc sử dụng điện thoại di động Một số kính xây lòng thung lũng để tránh nhiễu sóng, ví dụ kính viễn vọng vơ tuyến thung lũng Arecibo, Puerto Rico, có đĩa an-ten với đường kính 305m 2.3.3 Kính viễn vọng hồng ngoại Kính viễn vọng hồng ngoại thường áp dụng thiết kế kính viễn vọng phản xạ, có phận tiêu điểm để ghi nhận tia hồng ngoại Các vật thể có nhiệt độ khoảng vài trăm độ K có xạ vật đen với cực đại thường nằm dải hồng ngoại Do kính viễn vọng hồng ngoại giúp quan sát vật thể nóng ấm xa, đặc biệt đêm tối, khơng có xạ hồng ngoại Mặt Trời gây nhiễu Kính viễn vọng hồng ngoại ứng dụng quan sát ban đêm sinh vật, ngườihay vật thể có nhiệt độ cao hay thấp môi trường; đặc biệt thám quân Đối với quán sát thiên văn học, loại kính có ứng dụng Trái Đất do, vào ban đêm, tín hiệu đến từ khơng gian vũ trụ bên ngồi bị hấp thụ mạnh khí Trái Đất Ngồi ra, tín hiệu bị nhiễu nguồn nhiệt Trái Đất Chúng dùng nhiều cho quan sát thiên văn từ không gian; thường kèm theo kỹ thuật loại bỏ xạ hồng ngoại môi trường xung quanh Bức xạ thu riêng ghi nhớ lại; sau hình ảnh khơng gian trừ phần xạ Kính 23 viễn vọng hồng ngoại thường giữ nhiệt độ thấp vận hành, để hạn chế xạ phát từ 2.3.4 Kính viễn vọng tử ngoại Kính viễn vọng tử ngoại tương tự kính viễn vọng phản xạ, mặt gương tráng thêm lớp đặc biệt để phản chiếu tốt tia tử ngoại, đồng thời có đầu thu nhạy với tia tử ngoại đặt phặt phẳng tạo ảnh hệ gương Trong ứng dụng thiên văn học, bầu khí Trái Đất, đặc biệt tầng ozon, hấp thụ mạnh tia tử ngoại, kính viễn vọng tử ngoại ứng dụng với trạm quan sát bên ngồi khí Trái Đất Các vật thể nóng khoảng 10.000 độ K vũ trụ thường phát xạ vật đen có cực đại vùng tử ngoại Do vậy, kính viễn vọng tử ngoại cung cấp nhiều thơng tin nóng (thường trẻ) Tia tử ngoại hay phát từ vùng khí xung quanh thiên hà hay thiên thể hoạt động mạnh 2.3.5 Kính viễn vọng tia X Kính viễn vọng tia X đặt vệ tinh phóng vào khơng gian để bắt lấy tia X phát từ vật thể khơng gian Năm 1999, hai kính viễn vọng tia X quan trọng phóng, Chandra X-ray NASA XMM Cơ quan Không gian châu Âu (ESA) Vài kính viễn vọng quang tuyến X có thiết kế tương tự kính viễn vọng phản xạ, có điều khác biệt gương phản chiếu có hình thể gần hình trụ thay mặt thấu kính Các tia X từ vật thể cần quan sát phóng đến gương phản hồi đến phận thu thập tia X Để ngăn chặn tia X không xuất phát từ vật thể cần quan sát (do gây nhiễu), phận thu tia X bao bọc ống chì có đặc tính thu hút tia X 2.3.6 Kính viễn vọng tia gamma Tia gamma xạ điện từ với độ dài sóng ngắn tia X Vì tia gamma khơng thể thâm nhập bầu khí Trái Đất, phải đưa kính viễn vọng tia gamma vào không gian Vài tượng phá hủy to tát vũ trụ, trung tính va đập lỗ đen, phóng khơng gian tia gamma có lượng cao Vào đầu thập niên 1990, kính viễn vọng tia gamma Compton phát luồng tia gamma phân bố đồng khơng gian Vì phân bố này, có ý kiến cho kết tượng lớn không gian, việc va đập hai trung tính, định trung tính lỗ đen Kính viễn vọng tia gamma gồm có nhiều phận phát tia gamma đặt thẳng hàng Một phận kích động có tia gamma chiếu đến cho dù theo góc độ Để quan sát tia gamma chiếu từ vật thể, cần có phận phát đặt theo đường thẳng hướng đến vật thể Chỉ tia gamma phát từ vật thể cần quan sát xuyên qua phận phát 24 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hirsch, Robert, Seizing the Light: A History of Photography, New York: McGrawHill Companies, Inc, 2002 [2] Microscopes, Time Line [3] David, "see Wootton," p 119, 2006 [4] Ernst Ruska, "The Early Development of Electron Lenses and Electron Microscopy.," translation my T Mulvey [5] U D a other, "Near-field optical scanning microscopy," J Appl Phys, vol 59, no 3318, 1986 [6] "Learn to use TEM," [Online] Available: http://www.rodenburg.org/guide/index.html [7] Heinz Herbert Mann, Optische Instrumente, In: Erkenntnis, Erfindung, Konstruktion Studien zur Bildgeschichte von Naturwissenschaften und Technik vom 16 bis zum 19 Jahrhundert Hrsg von Hans Holländer [8] Stephen G Lipson, Ariel Lipson, Henry Lipson, Optical Physics 4th Edition, Cambridge University 26 ... loại kính viễn vọng theo chế hoạt động 2.2.1 Kính viễn vọng khúc xạ Hình 16 Sơ đồ ngun lý kính viễn vọng khúc xạ Hình 17 Sơ đồ cấu tạo kính viễn vọng khúc xạ Kính viễn vọng khúc xạ loại kính viễn. .. 2.3 Phân loại kính viễn vọng theo bước sóng 2.3.1 Kính viễn vọng quang học Kính viễn vọng quang học chủ yếu dựa thu thập xử lý ánh sáng Kính viễn vọng quang học loại kính viễn vọng thiên văn... gian trừ phần xạ Kính 23 viễn vọng hồng ngoại thường giữ nhiệt độ thấp vận hành, để hạn chế xạ phát từ 2.3.4 Kính viễn vọng tử ngoại Kính viễn vọng tử ngoại tương tự kính viễn vọng phản xạ, mặt