Phân tích vai trò của phân cực ánh sáng trong công nghệ xử lí hình ảnh

1 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Quang học lĩnh vực vật lý học, lĩnh vực chun nghiên cứu ánh sáng Chính mà ánh sáng nhà khoa học nghiên cứu sớm Các khía cạnh ánh sáng làm sáng tỏ lý thuyết sóng ánh sáng Huyghens hay ánh sáng hạt Newton… Bên cạnh tượng liên quan đến ánh sáng bao gồm khúc xạ, phản xạ, giao thoa, nhiễu xạ… đặc biệt phân cực ánh sáng làm rõ Về mặt lịch sử, tượng phân cực ánh sáng, tượng khúc xạ kép tinh thể băng lan Bactolinus phát năm 1669, trước Young thực thí nghiệm giao thoa ánh sáng Nhưng đến 100 năm sau, Malus khám phá tượng phân cực phản xạ ông người đưa thuật ngữ phân cực để đặt tên tượng này.Phân cực ánh sáng tượng ánh sáng tự nhiên biến thành ánh sáng phân cực phần hay ánh sáng phân cực toàn phần Hiện tượng nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu giúp giải thích cách dễ dàng chất sóng ánh sáng Đồng thời tượng phân cực ánh sáng mang lại nhiều ứng dụng hiệu đời sống người khoa học công nghệ Những nghiên cứu lí thuyết vấn đề phân cực ánh sáng nghiên cứu gần hoàn thiện tìm giáo trình Quang học Con người biết ánh sáng phân cực, cách tạo ánh sáng phân cực, ánh sáng phân cực elip, phân cực tròn, dụng cụ phân cực ánh sáng Tuy nhiên tài liệu viết ứng dụng cịn hạn chế lĩnh vực khoa học công nghệ Đã có tác giả viết đề tài phân cực sáng Nguyễn Thị Hảo [2], Nguyễn Ngọc Vân Tâm [6],… họ tập trung làm rõ tượng phân cực ánh sáng phương diện lí thuyết mà chưa sâu vào việc phân tích vai trị tượng phân cực ánh sáng ứng dụng lĩnh vực khoa học cơng nghệ Từ lí nêu đồng thời với mong muốn hiểu sâu sắc ứng dụng vai trò tượng phân cực ánh sáng lĩnh vực khoa học công nghệ, nên chọn đề tài: “Phân tích vai trị phân cực ánh sáng cơng nghệ xử lý hình ảnh” Mục đích nghiên cứu Mục đích đề tài làm sáng tỏ vai trò tượng phân cực ánh sáng lĩnh vực cơng nghệ xử lí hình ảnh Nhiệm vụ nghiên cứu -Tổng hợp kiến thức phân cực ánh sáng -Tìm hiểu linh kiện quang học cho phép kiểm sốt tính phân cực ánh sáng: kính phân cực, kính trễ pha,mơi trường lưỡng chiết… - Phân tích vai trị phân cực ánh sáng cơng nghệ xử lý hình ảnh Đối tượng phạm vi nghiên cứu -Ứng dụng tượng phân cực ánh sáng công nghệ xử lý hình ảnh -Các kiến thức phân cực ánh sáng -Phân tích vai trị phân cức ánh sáng cơng nghệ xử lý hình ảnh Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp tổng hợp phân tích tài liệu để thu kiến thức cần thiết Bên cạnh chúng tơi sử dụng phương pháp chuyên gia tức gặp gỡ trao đổi với giáo viên hướng dẫn giáo viên môn Vật lý vấn đề liên quan đến đề tài Giả thuyết khoa học Đóng góp đào tạo, nghiên cứu khoa học Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu phần kết luận chung , tài liệu tham khảo nội dung luận văn trình bày gồm hai chương: Chương 1: Lý thuyết phân cực ánh sáng Trình bày tổng quát lý thuyết phân cực ánh sáng Chương 2: Phân tích vai trị phân cực ánh sáng cơng nghệ xử lý hình ảnh Tập trung vào vấn đề phân tích vai trị phân cực ánh sáng cơng nghệ xử lí hình ảnh: hình LCD, kỹ thuật chóng chói điện thoại di động, nghệ thuật nhiếp ảnh, đặc biệt công nghệ phim 3D… CHƯƠNG LÝ THUYẾT VỀ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG Hiện tượng giao thoa nhiễu xạ ánh sáng cho thấy rõ chất sóng ánh sáng phương diện phương truyền mà không đề cập đến phương dao động, chưa xác định sóng ánh sáng sóng ngang hay sóng dọc Nhưng qua tượng phân cực ánh sáng, chứng minh ánh sáng sóng ngang Ta biết sóng điện từ sóng ngang, sóng có véc tơ cường độ điện trường véc tơ cường độ từ trường dao động vng góc với phương truyền sóng Chỉ có sóng ngang thể tính phân cực nên nghiên cứu phân cực ánh sáng, lần khẳng định chất sóng điện từ ánh sáng 1.1 Phân cực ánh sáng a Ánh sáng tự nhiên Ta biết ánh sáng có tính chất sóng ngang với hai vectơ cường độ ⃗ vng góc vng góc với điện trường 𝐸⃗ vectơ cảm ứng từ 𝐵 phương truyền, nhiên tượng quang học đa phần liên quan đến thành phần cường độ điện trường 𝐸⃗ Ánh sáng phát dạng đồn sóng nối tiếp Trong đồn sóng vector điện trường 𝐸⃗ ln dao động theo phương xác định, vng góc với tia sáng (hình 1.1) Tia sáng Hình 1.1: Dao động vector cường độ điện trường đồn sóng Ánh sáng có vector cường độ điện trường dao động đặn theo phương vng góc với tia sáng gọi ánh sáng tự nhiên Tia sáng Hình 1.2: Biểu diễn ánh sáng tự nhiên Để biểu diễn ánh sáng tự nhiên người ta vẽ mặt phẳng vng góc với tia sáng vector cường độ điện trường có trị số nhau, phân bố đặn xung quanh tia sáng đầu mút chúng nằm đường trịn có tâm tia sáng (hình 1.2) b Ánh sáng phân cực Khi chiếu ánh sáng tự nhiên vào môi trường bất đẳng hướng mặt quang học (ví dụ tuamalin), điều kiện định tác động mơi trường nên véc tơ cường độ điện trường 𝐸⃗ dao động theo phương xác định Ta nói ánh sáng bị phân cực Khi ánh sáng bị phân cực, xảy trường hợp sau đây: 1) Ánh sáng phân cực tồn phần: Ánh sáng có vector cường độ điện trường dao động theo phương xác định gọi ánh sáng phân cực thẳng hay ánh sáng phân cực tồn phần, hình 1.3 [1, 3, 4] Hình 1.3: Ánh sáng phân cực toàn phần [5] 2) Ánh sáng phân cực phần: Trong số trường hợp tác dụng môi trường lên ánh sáng truyền qua nên véc tơ cường độ điện trường 𝐸⃗ dao động theo phương vng góc với tia sáng có phương dao động yếu, phương dao động mạnh Loại ánh sáng gọi ánh sáng phân cực phần Hình 1.4: Sơ đồ biểu diễn ánh sáng phân cực phần Nếu ánh sáng phân cực đầu mút véc tơ cường độ điện trường 𝐸⃗ chuyển động đường tròn (elip) gọi ánh sáng phân cực trịn (elip) Tóm lại, tượng ánh sáng tự nhiên biến thành ánh sáng phân cực gọi tượng phân cực ánh sáng Trong mặt phẳng chứa tia sáng phương dao động 𝐸⃗ gọi mặt phẳng dao động (P), mặt phẳng phân cực (Q) mặt phẳng chứa tia sáng vng góc với mặt phẳng dao động, hình 1.5 Hình 1.5: Mặt phẳng phân cực (Q) mặt phẳng dao động (P) [1, 4] 1.2 Định luật Malus phân cực ánh sáng Giả sử đặt nối tiếp hai tuamalin T1, T2 cho chùm sáng song song có cường độ I0 qua hai tuamalin trục tinh thể hai hợp với góc 𝛼 Sau qua T1 ánh sáng bị phân cực Gọi OV thành phần véc tơ dao động sáng qua T1 có biên độ dao động sáng a Do chất tuamalin, tới T2 véc tơ dao động sáng ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑂𝑉 không truyền qua T2 hồn tồn ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑂𝑉 khơng song song với trục ∆2 T2 Ta phân tích ⃗⃗⃗⃗⃗ thành thành phần: 𝑂𝑉 ⃗⃗⃗⃗⃗ =𝑂𝑉 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗1 + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ véc tơ 𝑂𝑉 𝑂𝑉2 Hình 1.6: Sự truyền ánh sáng qua hai tuamalin [1, 4] Như vậy, sau qua T2 có thành phần véc tơ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑂𝑉1 Ta có: ̅̅̅̅̅ 𝑂𝑉1 = ̅̅̅̅ 𝑂𝑉 𝑐𝑜𝑠𝛼 = 𝑎 cos 𝛼 (1.1) Do cường độ sáng tỷ lệ với bình phương biên độ Nên ta có: ̅̅̅̅̅̅2 = 𝑎2 𝑐𝑜𝑠 𝛼 I ~𝑂𝑉 Hay I = I0 𝑐𝑜𝑠 𝛼 (1.2) với I0 cường độ ánh sáng phân cực qua kính phân cực, I cường độ ánh sáng qua kính phân cực kính phân tích Đây định luật Malus phát biểu sau: Khi cho chùm tia sáng phân cực qua hai tuamalin có quang trục hợp với góc 𝛼 cường độ sáng nhận tỉ lệ với 𝑐𝑜𝑠 𝛼 Nhận xét: Khi quay kính phân tích: - Nếu 𝛼=00 cos 𝛼 =1: cường độ sáng sau kính phân tích đạt giá trị cực đại Imax=I0 - Nếu 𝛼=900 cos 𝛼 =0: cường độ sáng sau kính phân tích đạt cực tiểu Imin=0 1.3 Định luật Brewster phân cực ánh sáng Thực nghiệm cho thấy ánh sáng phân cực bị phân cực toàn phần hay phần trình phản xạ từ mặt phẳng Hình 1.7 minh họa tia sáng tới không phân cực đập mặt thủy tinh Hình 1.7: Góc Brewster  Các vector E ánh sáng phân tích thành thành phần vng góc (vng góc với mặt phẳng tới) thành phần song song (nằm mặt phẳng tới) Đối với ánh sáng tự nhiên hai thành phần có độ lớn Với góc đặc biệt gọi góc Brewster 𝜃B thành phần song song tia tới bị khúc xạ hoàn toàn Kết ánh sáng phản xạ không chứa thành phần song song phân cực hoàn toàn vng góc với mặt phẳng tới (ở mặt phẳng trang giấy) Tia khúc xạ bị phân cực phần bao gồm thành phần song song mạnh thành phần vng góc yếu Đối với thủy tinh hay vật liệu điện môi khác có góc tới đặc biệt, gọi góc Brewster 𝜃B , mà thành phần song song không phản xạ Điều chứng tỏ ánh sáng phản xạ từ thủy tinh góc tới Brewster phân cực hồn tồn với mặt phẳng dao động thẳng góc với mặt phẳng tới (mặt phẳng hình vẽ) Do thành phần song song tia tới góc Brewster khơng thể phản xạ nên chúng khúc xạ hoàn toàn Đối với góc tới khác, ánh sáng phản xạ bị phân cực phần thay khơng có phản xạ lại có phản xạ thành phần song song Hình 1.8: Tia phản xạ bị phân cực toàn phần, tia khúc xạ bị phân cực phần 10 Định luật Brewster: Một tia sáng tự nhiên đến đập lên mặt phân cách hai mơi trường góc tới Brewster 𝜃B , thực nghiệm cho thấy tia phản xạ khúc xạ vuông góc với Do tia phản xạ hình vẽ phản xạ góc Brewster cịn tia khúc xạ góc 𝜃r nên có:  B   r  90 (1.3) Hai góc liên hệ với theo phương trình n1 sin 1  n2 sin  (khúc xạ) (1.4) Tia khúc xạ nằm mặt phẳng tới Tùy ý chọn số phương trình (1.4) cho vật liệu chứa tia tới tia phản xạ, có phương trình n1 sin  B  n2 sin  r (1.5) Kết hợp phương trình dẫn đến n1 sin  B  n2 sin(90   B )  n2 cos  B  n2   (góc Brewster )  n1   B  tan 1   n2   n1 (1.6)   chiết suất tỉ đối môi trường hai (n2) môi trường (n1)  Nếu tia tới phản xạ truyền không khí, lấy n1=1 thay n2 = n, phương trình (1.6) viết lại  B  tan 1 (n) (Định luật Brewster) (1.7) Phương trình (1.7) dạng đơn giản phương trình (1.6) biết định luật Brewster, người tìm thấy thực nghiệm năm 1812 33 cho thành phần ánh sáng có phương dao động song song với quang trục kính phân cực qua, cịn thành phần ánh sáng có phương dao động vng góc với quang trục kính phân cực bị chặn lại Ánh sáng phân cực tiếp tục truyền qua lớp tinh thể lỏng Khi khơng có điện áp đặt vào hai lớp tinh thể lỏng phân tử tinh thể lỏng trạng thái tự do, ánh sáng truyền qua không đổi phương phân cực Cho nên ánh sáng truyền đến lớp kính phân cực thứ hai có quang trục phân cực ngang bị chặn lại hồn tồn quang trục củahai kính phân cực vng góc với Lúc hình LCD trạng thái tắt mắt điểm tối.Trường hợp, đặt điện áp vào hai đầu lớp tinh thể lỏng, phân tử liên kết xoắn lại với định hướng phân tử tinh thể lỏng thay đổitừ phương thẳng đứng trở thành phương ngang Đồng thời làm cho phương dao động điện trường tia sáng thay đổi từ phương thẳng trở thành phương ngang, từ ánh sáng truyền qua phân cực hai Lúc này, hình LCD bật sáng Tùy theo mã lệnh đóng mở điện cực mà thiết bị hiển thị thông tin theo ý muốn (hiển thị số “8” hình 2.5) Hình 2.5: Màn hình tinh thể lỏng máy tính bỏ túi Ngồi ra, cường độ sáng điểm ảnh phụ thuộc vào lượng ánh sáng truyền qua kính lọc phân cực thứ hai Lượng ánh sáng lại phụ thuộc vào 34 góc phương phân cực quang trục phân cực Mà góc lại phụ thuộc vào độ xoắn phân tử tinh thể lỏng Độ xoắn phân tử tinh thể lỏng phụ thuộc vào điện áp đặt vào hai đầu tinh thể lỏng Như vậy, điều chỉnh cường độ sáng điểm ảnh cách điều chỉnh điện áp đặt vào hai đầu lớp tinh thể lỏng Trước điểm ảnh có kính lọc màu, cho ánh sáng màu đỏ, xanh xanh lam Với điểm ảnh, tuỳ thuộc vào cường độ ánh sáng tương đối ba điểm ảnh dựa vào nguyên tắc phối màu phát xạ mà điểm ảnh có màu định Khi muốn thay đổi màu sắc điểm ảnh, ta thay đổi cường độ sáng tỉ đối ba điểm ảnh với Muốn thay đổi độ sáng tỉ đối này, ta phải thay đổi độ sáng điểm ảnh cách thay đổi điện áp đặt lên hai đầu lớp tinh thể lỏng Bên cạnh ưu điểm hình tinh thể lỏng nhược điểm tồn khoảng thời gian để điểm ảnh chuyển từ màu sang màu khác (thời gian đáp ứng – response time) Nếu thời gian đáp ứng cao gây tượng bóng ma với số cảnh có tốc độ thay đổi khung hình lớn Khoảng thời gian sinh sau điện áp đặt lên hai đầu lớp tinh thể lỏng thay đổi, tinh thể lỏng phải khoảng thời gian chuyển từ trạng thái xoắn ứng với điện áp cũ sang trạng thái xoắn ứng với điện áp Từ đó, thơng qua việc tái tạo lại màu sắc điểm ảnh, tái tạo lại tồn hình ảnh 2.2 Kỹ thuật giảm chói hình cảm ứng điện thoại di động Trong trình sử dụng điện thoại di động, thường gặp bất lợi quan sát nội dung hiển thị nguồn sáng mạnh chẳng hạn ánh sáng mặt trời Vì lúc ánh sáng chiếu vào hình bị phản xạ lại mạnh, dẫn đến tượng chói sáng Trước tình này, người sử dụng thường tăng độ sáng hình thực điều làm máy mau hết pin hình lớn Do để giảm chói hình điện thoại di động 35 đồng thời khơng làm hao pin kỹ thuật giảm chói hình cảm ứng điện thoại di động đời Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động hình chống chói điện thoại Dựa vào tượng phân cực ánh sáng, nhà sản xuất chế tạo hình chóng chói gồm nhiều lớp phân cực để chống lại phản chiếu ánh sáng mạnh gây Các lớp có nhiệm vụ loại bỏ ảnh phản chiếu, giống tác dụng kính mát phân cực hay kính lọc phân cực dùng máy ảnh ta nhìn vào gương hay mặt nước Loại hình thường có cấu tạo ba lớp: lớp phân cực phẳng, lớp làm chậm phần tư lớp cuối lớp phản xạ, hình 2.6 Mỗi lớp có nhiệm vụ chức riêng biệt Lớp phân cực thẳng có nhiệm vụ chuyển ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực thẳng Còn lớp làm chậm phần tư chuyển ánh 36 sáng phân cực thẳng thành phân cực tròn ngược lại Ánh sáng bị phản xạ lại lớp phản xạ Nguyên tắc hoạt động hình diễn sau: ánh sáng mặt trời chiếu đến hình ánh sáng khơng phân cực, qua lớp phân cực phẳng có phương dao động sáng theo hướng thẳng đứng truyền qua, thành phần dao đông sáng theo phương khác bị chặn lại Lúc ánh sáng tự nhiên chuyển thành ánh sáng phân cực thẳng Ánh sáng phân cực thẳng tiếp tục lan truyền qua lớp làm chậm phần tư Tại đây, ánh sáng lại phân cực lần theo góc phần tư hệ tọa độ dao động Oxy hình thành ánh sáng phân cực trịn phải Ánh sáng phân cực tròn phải bị phản xạ lại mặt phản xạ, đồng thời chuyển thành ánh sáng phân cực tròn trái Ánh sáng phân cực tròn trái lại chuyển thành ánh sáng phân cực thẳng theo phương ngang gặp lớp làm chậm phần tư lần Cuối ánh sáng phân cực bị chặn lại lớp phân cực thẳng ban đầu, ánh sáng phân cực có phương vng góc với phương lớp phân cực, hình 2.7 Chính mà tia sáng phản xạ từ mặt trời chiếu vào hình khơng thể đập vào mắt người sử dụng điện thoại Cho nên khơng gây cảm giác khó chịu khó quan sát hình ảnh hình Cịn ánh sáng từ hình đến với mắt người dùng khơng bị chặn nửa đoạn đường, tức từ hình xuyên qua lớp chậm phần tư đến lớp phân cực thẳng Do ánh sáng tự nhiên nên truyền qua lớp phần tư, ánh sáng không bị phân cực truyền qua lớp phân cực thẳng đến mắt ta 37 Hình 2.7: Mơ tả chi tiết ánh sáng giai đoạn hình cảm ứng Giai đoạn hai ngược lại, bị chặn lại lớp cuối 2.3 Nâng cao độ tương phản nghệ thuật nhiếp ảnh Nguyên lý hoạt động máy ảnh hiểu cách đơn giản sau: máy ảnh thu ánh sáng phản xạ vật tới máy ảnh Nhưng có thành phần ánh sáng khơng mong muốn xuất làm giảm chất lượng hình ảnh,cụ thể ánh sáng phản xạ từ mặt biển, mặt đất,… Ngồi cịn có ánh sáng tán xạ từ đám mây, phân tử khơng khí thời tiết có sương mù Rồi ánh sáng phản xạ từ mặt gương, mặt kính đó: ta chụp cảnh vật có chứa cánh cửa sổ, người ngồi phòng chụp ảnh xuyên qua cửa kính, hay đơn giản số người ảnh đeo kính Chính thành phần khơng làm cho hình bị chói xuất hình ảnh phản xạ khơng mong muốn mà cịn làm cho chất lượng màu sắc, độ tương phản, độ nét hình giảm xuống đáng kể Tuy nhiên, việc loại bỏ thành phần khơng đơn giản thành phần tương đối phức tạp Do để loại bỏ thành phần khơng mong 38 muốn này, máy ảnh có sử dụng thiết bị lọc phân cực Bộ lọc phân cực có nhiệm vụ làm giảm cường độ sáng thành phần ánh sáng phân cực không mong muốn Đồng thời giữ cho hình ảnh sau qua lọc trung thực Bộ lọc phân cực chia làm hai loại: lọc phân cực thẳng lọc phân cực trịn Bộ lọc phân cực thẳng kính phân cực giống kính râm Do tác dụng lọc lọc phân cực thẳng không cao.Để nâng cao hiệu lọc giữ cho chất lượng hình ảnh tốt hơn, người ta sử dụng lọc phân cực tròn Cấu tạo lọc phân cực trịn kính phân cực thẳng có phương phân cực nằm hai mặt phẳng phân đơi phần tư bước sóng đặt phía sau Ánh sáng sau qua lọc phân cực tròn ánh sáng phân cực tròn giúp ảnh trung thực Vì hình ảnh bình thường chứa đầy ánh sáng phân cực theo phương x phương y đó, dùng lọc phân cực thẳng ta loại bỏ toàn phần y hình ảnh làm hình ảnh khơng chân thật Ngược lại dùng lọc phân cực tròn giúp ta tái tạo lại hình ảnh theo phương y với cường độ tương đương phương x giúp hình ảnh trung thực với thực tế Khi máy ảnh sử dụng lọc phân cực giúp giảm thiểu hình ảnh phản chiếu khơng mong muốn, giảm độ chói, độ sáng khơng hình ảnh Bên cạnh làm cho hình ảnh rõ nét hơn, tăng độ bão hòa màu sắc, tăng độ tương phản mây giảm thiểu màu xanh bầu trời Nhưng lợi ích nêu sử dụng lọc phân cực có vài nhược điểm Nhược điểm làm hình ảnh trở nên tối hơn.Thứ hai lọc phân cực đòi hỏi đặt trước ống kính cho phương phân cực vng góc với phương lọc phân cực hiệu nhất, không dùng lọc phân cực góc chụp rộng 39 Hình 2.8: Ảnh chụp bầu trời máy ảnh có gắn kính phân cực Thơng qua hai ảnh, hình 2.8, ảnh bên trái chụp bình thường ảnh bên phải sử dụng kính phân cực, ta nhận thấy ánh sáng chói bị tán xạ tầng khí ánh sáng Mặt trời bị phản xạ bề mặt đường dùng kính phân cực loại bỏ, thành phần ánh sáng có phương dao động vng góc với định hướng lọc phân cực máy ảnh Mà theo nội dung định luật Malus I=I0 𝑐𝑜𝑠 𝛼, lúc góc 𝛼 900 dẫn đến cường độ sáng thành phần ánh sáng tán xạ, phản xạ sau qua lọc phân cực khơng Vì bầu trời hình bên phải xanh hơn, có độ sâu, mây trời khối cuồn cuộn so với hình bên trái Đồng thời tăng độ tương phản đám mây, tăng độ bão hòa màu khơng sử dụng kính phân cực Ngồi ra, sử dụng kính phân cực giúp nhà nhiếp ảnh điều chỉnh cường độ sáng màu sắc theo ý muốn để có ảnh ý Tiếp theo chúng tơi phân tích khác biệt màu sắc, độ tương phản ánh sáng hình 2.9 Khi dùng ống kính có gắn kính phân cực, người chụp hình loại bỏ tia sáng phản xạ từ mặt kính xe, sóng ánh sáng phản xạ dao động mặt phẳng nhất, ánh sáng phân cực Mà kính phân cực có cấu tạo đặc biệt cho ánh sáng 40 chưa bị phân cực qua, ngăn không cho ánh sáng phân cực theo phương vng góc với định hướng lọc phân cực qua Nhờ mà thành phần ánh sáng phản xạ từ mặt kính xe qua lọc phân cực máy ảnh bị chặn lại Cho nên hình ảnh xe chụp hình bên phải khơng bị chói nhìn rõ hình ảnh phía sau kính xe Bên cạnh màu sắc xe thay đổi, ảnh vừa nét vừa có màu sắc đẹp mắt Từ đó, ta thấy kính phân cực có tác dụng thay đổi màu sắc hình ảnh, tăng độ sắc nét hình ảnh Hình 2.9: Ảnh chụp xe máy ảnh có gắn kính phân cực 2.4 Tạo hình ảnh cơng nghệ phim 3D Khi xem phim bình thường, hình ảnh vật, tượng thể hình khơng gian hai chiều chiều rộng chiều cao, chiều sâu khơng gian khơng thể Do đó, ta nhìn hình ảnh góc độ nằm mặt phẳng Ngược lại, xem phim 3D thơng qua kính phân cực, người xem cảm nhận “hình 41 nhân vật bước khỏi hình”, thứ tự trước sau vật xác định rõ, tức chiều sâu khơng gian thể hiện, hình 10 Hình 2.10: Sự vật phim 3D "lồi" Hình 2.11: Ảo giác chụp khỏi hình hình Quan sát hình 2.11 khơng thể cảm nhận chiều sâu không gian nên ta bị ảo giác người phụ nữ nhỏ người đàn ông, thực tế người phụ nữ đứng phía sau người đàn ơng khoảng cách thích hợp để ảnh nhỏ lại Qua ta nhận thấy rõ khác biệt phim 3D với phim thông thường Vậy phim 3D hình thành nào, dựa nguyên tắc tượng nào? Như biết, cảm nhận giới xung quanh theo không gian ba chiều có hai mắt đặt cách nhau.Chính khoảng cách làm cho hình ảnh mắt thâu tóm có độ lệch tương đối so với mắt lại Dễ 42 dàng nhận điều ta quan sát vật cách nhắm mắt lại Nếu vật thể gần mắt độ lệch lớn Bộ não người tiếp nhận thông tin tự động nhận khác biệt này, đánh giá khoảng cách đến vật phụ thuộc vào độ lệch nhận Bình thường, ống kính máy quay thu ảnh phim với hai chiều Vậy để sản xuất phim 3D ta cần thêm ống kính máy quay khác Hệ hai ống kính máy quay thu nhận hình ảnh tương tự mắt trái mắt phải người xem, hình 2.12 Khoảng cách hai thấu kính phải 64mm - khoảng cách trung bình hai mắt Mỗi thấu kính quay thành hai cuộn phim riêng biệt - cho mắt phải, cho mắt trái chiếu lên đồng thời ảnh khiến khác giả dường cảm nhận chiều sâu hình phẳng Nhưng vấn đề xảy ta thể thông tin ba chiều ảnh phẳng hai chiều, có chồng chập hai ảnh khác gửi đến mắt người xem Khi vỏ não tổng hợp hai ảnh thành “khối” hoàn chỉnh nên ta thấy ảnh rối rắm, hình 2.13 Hình 2.12: Máy quay phim 3D Hình 2.13: Hai ảnh chồng chập lên với ống kính làm rối mắt Trước vấn đề đặt ra, để giải quyết, ta phải từ ảnh hai chiều, gửi ảnh đến mắt Từ mắt nhận 43 ảnh, vỏ não tổng hợp hai ảnh thành ảnh “khối” ba chiều, ta cảm nhận khơng chiều cao, chiều rộng mà cịn chiều sâu vật thể, hình 2.14.Dựa vào ý tưởng mà hệ thống chiếu phim 3D công nghệ phân cực đời Nó hoạt động nguyên tắc lọc phân cực ánh sáng, dùng lọc phân cực thụ động chiếu bạc không khử cực cặp máy chiếu song song Đây công nghệ tiên tiến chất lượng nay, sử dụng hầu hết rạp chiếu phim 3D thương mại giới Hình 2.14: Hai ảnh khác đến hai mắt tạo nên cảm giác vật khối não # Tạo phim 3D dựa vào tượng phân cực ánh sáng Ta chuyển trạng thái phân cực ánh sáng theo phương dao động điện trường khác kính trễ pha (từ phân cực thẳng sang phân cực tròn, elip ngược lại) từ tượng phân cực ánh sáng Và ta tùy ý cho phép ánh sáng phân cực truyền qua tùy theo trạng thái phân cực ánh sáng Ta biết ánh sáng phân cực thẳng có phương dao động điện trường vng góc với quang trục kính phân cực khơng thể truyền 44 qua kính phân cực, ngược lại ánh sáng truyền qua quang trục kính phân cực song song với phương dao động điện trường ánh sáng Vậy ánh sáng từ hai ảnh trở thành ánh sáng phân cực thẳng có phương dao động điện trường vng góc nhau, ta đặt trước hai ống kính máy chiếu hai kính phân cực có quang trục vng góc (ví dụ máy chiếu ảnh bên trái muốn phát ánh sáng phân cực thẳng có phương thẳng đứng ta đặt trước ống kính kính phân cực có quang trục thẳng đứng) hai máy chiếu phải đồng hóa Hình 2.15: Hai máy chiếu song song Hình 2.16: Màn chiếu bạc silver để chiếu hai ảnh khác screen chống khử cực Do ánh sáng phát từ máy chiếu phân cực hệ thống lọc phân cực, theo hai hướng vng góc nên muốn quan sát hình ảnh cách rõ nét ta cần sử dụng kính phân cực Cụ thể ảnh từ máy chiếu bên trái phát ánh sáng phân cực thẳng có phương thẳng đứng mắt trái người xem đeo kính phân cực có quang trục thẳng đứng Còn ảnh từ máy chiếu bên phải phát ánh sáng phân cực phẳng có phương ngang mắt phải người xem phải đeo kính phân cực có quang trục ngang Từ mắt nhìn thấy ảnh, cảm nhận phim 3D 45 vô ấn tượng.Vậy để xem phim 3D ta phải sử dụng kính phân cực có quang trục phân cực vng góc với Như biết, ánh sáng phản xạ không khí đa số phân cực theo phương ngang để giảm cường độ sáng ánh sáng tự nhiên khơng cho ánh sáng phân cực theo phương vng góc qua, người ta chế tạo kính râm phân cực có hai phương phân cực trịng kính song song với Ưu điểm kính râm phân cực chống ánh sáng chói phản xạ cho phép nhìn hình ảnh sau kính 2.5 Kết luận chương Trong chương này, trình bày ứng dụng tượng phân cực ánh sáng cơng nghệ xử lí hình Cụ thể tượng phân cực ánh sáng ứng dụng hình tinh thể lỏng, kỹ thuật giảm chói hình cảm ứng điện thoại di động, nâng cao độ tương phản nghệ thuật nhiếp ảnh đặc biệt công nghệ phim 3D Từ việc đưa ứng dụng, tiến hành phân tích vai trị tượng phân cực ánh sáng ứng dụng Qua cho thấy, tượng phân cực ánh sáng có vai trị quan trọng việc chế tạo dụng cụ, thiết bị kĩ thuật phục vụ cho đời sống người Hiện tượng phân cực ánh sáng giúp nâng cao độ nét, độ tương phản xử lý hình ảnh Nhưng điều ngạc nhiên tượng khả thay đổi màu sắc ảnh chụptheo góc quay kính phân cực hay sử dụng lọc phân cực khác Bên cạnh dựa nguyên lý phân cực ánh sáng chế tạo phim 3D, nhà sản xuất chế tạo kính phân cực hai một: vừa dùng để nắng vừa để xem phim 3D 46 KẾT LUẬN CHUNG Trong nghiên cứu này, chúng tơi tìm hiểu trình chuyển đổi từ ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực Ánh sáng phân cực tồn dạng sau: ánh sáng phân cực thẳng, ánh sáng phân cực tròn ánh sáng phân cực elip Khi ánh sáng phân cực hình thành chúng tham gia vào hiệu ứng giao thoa hay nhiễu xạ giống ánh sáng tự nhiên Nhưng để chuyển ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực ta phải sử dụng linh kiện kính phân cực, kính trễ pha Do luận văn chúng tơi tìm hiểu linh kiện nêu Khi có đầy đủ sở mặt lý thuyết, chúng tơi tìm hiểu phân tích vai trị tượng phân cực ánh sáng cơng nghệ xử lí hình ảnh Hiện tượng phân cực ánh sáng ứng dụng hình tinh thể lỏng (LCD) giúp cho người xem quan sát hình ảnh sáng, sắc nét tiết kiệm lượng Đồng thời dựa tượng này, người ta loại bỏ thành phần ánh sáng không mong muốn nghệ thuật nhiếp ảnh kĩ thuật chóng chói hình điện thoại di động Đặc biệt ứng dụng vào công nghệ phim 3D để người xem quan sát hình ảnh không gian chiều sinh động, hấp dẫn chế tạo kính phân cực có trịng xoay để xem phim 3D lẫn ngồi nắng Loại kính mở bước ngoặc cho lĩnh vực chế tạo kính phân cực Kết nghiên cứu đưa ứng dụng phân tích vai trị tượng phân cực ánh sáng cơng nghệ xử lý hình ảnh Cho nên cần tiếp tục nghiên cứu để mở rộng đề tài sang ứng dụng lĩnh vực khác 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lương Duyên Bình (Chủ biên), Vật lý đại cương, tập phần 1, Nhà xuất Giáo dục, 2004 [2] Nguyễn Thị Hảo, Lịch sử tượng phân cực ánh sáng, ĐHSPTPHCM [3] Trần Ngọc Hợi (Chủ biên), Phạm Văn Thiều, Vật lý đại cương - Các nguyên lý ứng dụng, tập 3; Nhà xuất Giáo dục, 2006 [4] Đặng Thị Mai, Quang học, Nhà xuất Giáo dục, 1999 [5] Lê Công Nhân, Laser kĩ thuật đo quang phổ, Tài liệu tham khảo cấp trường, ĐH Sài Gòn 2012 [6] Nguyễn Ngọc Vân Tâm, Sự phân cực ánh sáng ứng dụng, ĐH Cần Thơ [7] A M Shuvaev, G V Astakhov, A Pimenov, C Brüne, H Buhmann, and L W Molenkamp; Giant Magneto-Optical Faraday Effect in HgTe Thin Films in the Terahertz Spectral Range; Phys Rev Lett 106, 107404 (2011) [8] Iris Crassee, Julien Levallois, Andrew L Walter, Markus Ostler, Aaron Bostwick, Eli Rotenberg,Thomas Seyller, Dirk van der Marel& Alexey B Kuzmenko; Giant Faraday rotation in single- and multilayer grapheme; Nature Physics 7,48–51 (2011) [9] Hugen Yan, Xuesong Li, Bhupesh Chandra, George Tulevski, Marcus Freitag, Wenjuan Zhu, Phaedon Avouris& Fengnian Xia; Tunable infrared plasmonic devices using graphene/insulator stacks; Nature Nanotechnology 7,330–334 (2012) [10] Ian Delaney; Clear, black and super bright; 2012 [11] D.J.R Cristaldi, S Pennisi, F Pulvirenti, Liquid Crystal Display Drivers - Techniques and Circuits, Springer, Mar., 2009 ... chuyển đổi từ ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực Ánh sáng phân cực tồn dạng sau: ánh sáng phân cực thẳng, ánh sáng phân cực tròn ánh sáng phân cực elip Khi ánh sáng phân cực hình thành chúng... thuyết phân cực ánh sáng Trình bày tổng quát lý thuyết phân cực ánh sáng Chương 2: Phân tích vai trị phân cực ánh sáng cơng nghệ xử lý hình ảnh Tập trung vào vấn đề phân tích vai trị phân cực ánh sáng. .. phân cực ánh sáng: kính phân cực, kính trễ pha,mơi trường lưỡng chiết… - Phân tích vai trị phân cực ánh sáng công nghệ xử lý hình ảnh Đối tượng phạm vi nghiên cứu -Ứng dụng tượng phân cực ánh sáng