năm 1963 tại trường đại học Minnesota. Hiện nay ông là giáo sư Vật lý và giám đốc trung tâm nghiên cứu Quang tử tại trường cao đẳng Lake Forest. Ngoài việc điều hành nghiên cứu và các lớp học hè hàng năm về chụp ảnh nỗi, ông còn là cố vấn và giãng bài về chụp ảnh nổi, cho hàng trăm trường đại học trên toàn thế giới. Ông là hội viên của hội quang hoc Mỹ và là người được nhận huy chương Robert A Millikan của liên hiệp các thầy giáo Vật lí ở Mỹ. Sở thích của ông là trượt tuyết, quần vợt tàu lượn, chơi violông cho giàn nhạc giao hưởng bán chuyên nghiệp ở địa phương.
Nguyên lí của chụp ảnh toàn cảnh dựa trên ba khái niệm được giải Nôbel độc lập dối với nhau, trao tặng cho Lawrence Bragg (1915) và Dennic Gabor (1971)
Mặc dù Gabor đã phát hiện trước năm 1949, sự phát triển của chụp ảnh toàn cảnh chỉ mới có điều kiện thực hiện sau khi laser được phát minh năm 1960. Năm 1962 E .N. Leith và J. Upatnieks ở Mỹ và Yu . N Denisyuk ở Nga độc lập với nhau đã có những đóng góp đầu tiên và biểu diễn các ảnh toàn cảnh như chúng hiện nay.
Chụp ảnh toàn cảnh là gì và nó “làm việc ra sao” ?
Một ảnh toàn cảnh là sự ghi lại các ảnh giao thoa trên một môi trường nhạy sáng, như trên kính ảnh chẳng hạn, các ảnh giao thoa được tạo nên do hai hay nhiều chùm sáng bắt nguồn từ cùng một laser (xem tiểu luận 14).
Để thực hiện một ảnh toàn cảnh, một phần ánh sáng ra khỏi laser được một thấu kính hay một gương cong mở rộng chùm tia rồi hướng lên trên kính ảnh. Đó là chùm tựa R (quy chiếu). Phần còn lại của ánh sáng được dọi lên một vật ba chiều mà ảnh của nó sẽ được ghi lại. Ánh sáng tán xạ từ vật ấy về hướng kính ảnh được gọi là chùm vật (0). Do ánh sáng của hai chùm đều xuất phát từ cùng một laser nên chúng kết hợp với nhau tạo nên
ảnh giao thoa rõ nét.
Sau đó, khi được dọi bằng chùm tựa R, ảnh toàn cảnh tác dụng như một cách tử nhiễu xạ phức tạp. Ảnh nhiễu xạ phục hồi lại một cách chính xác mặt đầu sóng bắt nguồn từ vật ban đầu. Để hiểu rõ hơn quá trình ấy, đầu tiên hãy sét trường hợp dùng một vật đơn giản nhất, đó là một điểm trong không gian. Hình 1a cho thấy hai chùm tia từ xa đến kính ảnh và giao thoa với nhau dưới góc 900. Ảnh giao thoa giống hệt như ảnh giao thoa qua hai khe Young nhưng với khoảng cách giữa hai khe khá rộng. Kết quả có được là một tập hợp các vân rất mịn với khoảng cách không đổi giữa hai cực đại kế tiếp. Kính ảnh, sau khi phơi sáng và hiện hình, trở thành một cách tử nhiễu xạ có độ tán sắc rất cao.
Câu hỏi 1
Tìm khoảng cách giữa các cực đại kế tiếp theo bước sóng của ánh sáng. Biết rằng phim chụp ảnh thông thường có thể ghi được 200 vạch trên 1mm, hỏi phim ấy có thể để dùng để ghi toàn cảnh được không ?
Câu hỏi 2
Hãy tìm năng suất phân giải của cách tử nói trên, biết rằng cách ấy có kích thước 10 X 10 cm2.
Hình P.3401b cho thấy làm thế nào để hồi phục mặt sóng của chùm vật O. Ánh sáng laser từ chùm tựa R dọi lên ảnh toàn cảnh. Toàn bộ ánh sáng nhiễu xạ tạo thành một ảnh ảo của vật O . Nếu nhìn qua ảnh toàn cảnh theo hướng tới O chúng ta sẽ thấy một chấm sáng trong không gian ba chiều.
Chú ý rằng một mảnh nhỏ của ảnh toàn cảnh cũng có thể hồi phục cả ảnh thật và ảnh ảo. Như vậy ảnh toàn cảnh cơ bản tác dụng đồng thời như một thấu kính hội tụ và phân kì, hoặc như một cách tử nhiễu xạ.
Nếu chúng ta thay đổi điểm O bằng một vật ba chiều được dọi bằng ánh sáng laser, chùm vật O bây giờ gồm một tập hợp nhiều nguồn điểm, đại diện cho những tâm tán xạ của vật. Ảnh ghi bây giờ trên kính ảnh là một sự chồng chất nhiều cách tử. Khi người ta dọi ảnh ghi được bằng chùm R (hay R’ ) nguời ta có thể quan sát được ảnh ảo hay ảnh thật của vật.
Ảnh ghi trên được gọi là ảnh toàn cảnh khi dùng tia laser truyền qua. Ảnh này một tính chất đáng chú ý là một phần nhỏ bất kì của nó cũng có thể hồi phục được toàn bộ bức tranh của vật. Tuy nhiên ảnh toàn cảnh càng lớn thì độ phân giải của ảnh càng cao, nghĩa là càng chứa đựng nhiều thông tin.
Hình P.3402 biểu diễn ảnh giao thoa tổng quát giữa chùm tựa R và chùm vật O trên một mặt chứa các nguồn. Các đường biểu diễn vĩ trí của những cực đại giao thoa, ở giữa các đường này là những cực tiểu : Một hình ảnh tương tự khi dùng những sóng nước tạo nên trong một thùng nước gợn sóng. Đường trung trực của đọan R O là đường giao thoa bậc không, đó là quỹ tích những điểm có một lộ trình như nhau từ R và O.
Trong một không gian ba chiều, ảnh nhiễu xạ là một hình tròn xoay trục là RO. Đó là một họ các mặt hypecboloit tròn xoay có tiêu điểm là R và O.
Tại vùng A cách R và O đủ xa, ảnh hoàn toàn giống như ảnh có được trong giao thoa hai khe young như đã xét trước đây. Vùng B gồm những sóng chuyển động ngược chiều nhau tạo thành sóng đứng. Những bụng (antinode) dọc theo đường thẳng nối R và O cách nhau một khoảng bằng một nữa bước sóng. Vùng C biểu diễn những vân đạc thù của vân trong giao thoa kế Michelson.
Nói chung khoảng cách R O là vài nghìn bước sóng của ánh sáng còn các ảnh nhiễu xạ thì hết sức nhỏ. Để đơn giản hình P.3402 là trường hợp đặc biệt trong đó R và O chỉ cách nhau một số nhỏ bước sóng.
Câu hỏi 3
Để ghi lại ảnh giao thoa ở vùng B khi dùng ánh sáng từ laser He – Ne có bước sóng 633nm, hỏi độ phân giải nhỏ nhầt cần thiết cho nhũ tương kính ảnh tính theo vạch/mm ?
Nếu như ảnh toàn cảnh được tạo nên khi đặt một kính ảnh tại vùng B, song song với đường giao thoa bậc không của hình P.3402, thì kính ảnh ghi được hình ảnh của sóng đứng dưới dạng những mặt hypecboloit. Nhũ tương trên mặt của kính ảnh nói chung là có độ dày khoảng 6 mm ; như vậy kính ảnh ghi được khảng 20 mặt vì đó là một ảnh toàn phần “khối” nên nó có tác dụng giống như một tinh thể tia X với nhiều mặt nguyên tử và thể hiện sự nhiễu xạ Bragg.
Ảnh tòan cảnh “phản xạ ánh sáng trắng” dáng chú ý này có thể nhìn thấy khi dùng một nguồn điểm ánh sáng như đèn dây tóc “đốt nóng” từ R. Ảnh thật hay ảnh ảo được tạo nên có màu sắc của ánh sáng laser được dùng. Bằng cách này làm cho nhũ tương phình ra hay co lại, người ta có thể thu được các màu khác. Loại ảnh toàn cảnh này được dùng phổ biến trong kính lọc giao thoa.
Câu hỏi 4
Dùng một lớp nhũ tưong đủ dày để ghi lại một ảnh toàn cảnh truyền qua, bạn có thể hồi phục lại ảnh bằng ánh sáng của đèn đốt nóng được không ?
Chụp ảnh toàn cảnh
Hình 3 cho thấy một hệ đơn giản nhất để chụp ảnh toàn cảnh phản xạ ánh sáng trắng. Chùm ánh sáng từ lối ra của một laser He – Ne công suất 1 – 5 mW được mở rộng bằng một gương lõm. Một số tia đi thẳng đến kính ảnh làm nhiệm vụ chùm tựa, trong đó R là tiêu điểm của gương. Ánh sáng đi xuyên qua kính ảnh dọi sáng vật và bị tán xạ ngược lại về phía kính ảnh làm nhiệm vụ chùm vật.
Kính ảnh và vật được đặt trên mặt của một ống cao su bơm căng (như một chiếc săm ôtô chẳng hạn), để hấp thụ những dao động cơ học từ phía dưới. Toàn bộ các chi tiết được giữ chặt bằng nam châm hay bằng keo dán. Điều đó là cần thiết vì trong thời gian chụp có thể lâu đến nhiều giây, một chuyển động tương đối giữa vật và kính ảnh sẽ làm nhòe ảnh giao thoa và đưa đến thất bại …
Chú ý rằng ảnh toàn cảnh này được ghi trong vùng B của hình 2 ; ảnh giao thoa gồm những mặt suốt bề dày của nhũ tương. Sự nhiễu xạ Bragg cho phép hồi phục lại ảnh khi dùng một nguồn điểm ánh sáng trắng. Như đã nói ở trên, màu của ảnh được xác định bởi sự co lại hay giãn ra củ nhũ tương khi kết thúc. Có lẽ vì đó khi chỉ dùng một laser He – Ne,người ta có thể tạo màu cho ảnh bằng những kĩ thuật hóa học. Các nghệ sĩ tạo nên ảnh nhiều màu bằng cách chụp nhiều lần, giữa cá`c lần chụp phải cho nhũ tương phình ra một cách hợp lí.
Lí thuyết cơ bản để giải thích các ảnh màu ghi trên nhũ tương không có màu có thể hiểu được khi xem lại những vấn đề liên quan đến hiện tượng giao thoa trên các bong bóng xà phòng hay trên những bản mỏng khác. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ảnh tòan cảnh có nhiều màu thật có thể thu được bằng cách tổ hợp ánh sáng từ các laser có ba màu cơ bản : đỏ, của He – Ne, xanh lá cây của argon, xanh da trời của krypton. Chùm ánh sáng “trắng” ấy được thay cho chùm đỏ tía trong hình 3.
Hình 4 cho thấy chúng ta dùng một phân tử quang học ảnh toàn cảnh (HOE holographic optical element) như thế nào để tổ hợp ánh sáng từ ba laser. Phân tử này được chế tạo bằng cách sử dụng cấu hình của hình 1a.
Nói chung những cấu hình phức tạp hơn nhiều là cần thiết nhằm dọi sáng một quang cảnh khá rộng cho nghệ thuật hơn hay hiệu quả hơn.
Thông thường bộ phận tách chùm tia, như một gương bán mạ, được dùng để phân chia chùm tia thành hai chùm riêng biệt : chùm tựa và chùm vật. khi cả hai chùm tia đến kính ảnh từ cùng một phía, chúng ta có được ảnh tòan cảnh truyền qua
( ảnh Leith ). Khi chúng đến kính ảnh từ hai phía khác nhau, như cho thấy trên hình 3, chúng ta có được ảnh toàn cảnh phản xạ (ảnh Denisyuk ) dùng một laser hồng ngoại hay một laser YAG có một tần số gấp đôi, với một năng lượng 1 jun trong thời gian nhỏ hơn 1 s,người ta có thể chụp ảnh toàn cảnh của người đang hoạt động hoặc những vật đang chuyển động. Hình 5 cho thấy một cảnh với độ sâu trên 5 mét được ghi lại bằng một laser hồng học. Nó cho thấy tòan cảnh phòng thí nghiệm cùng với tác giả. Một người nào đó nhìn vào ảnh tòan cảnh truyền qua này có cảm giác như có một cửa sổ cho phép nhìn toàn cảnh với góc khối là 2 stêradian.
Hiện nay những ảnh tòan cảnh thường thấy nhất, như những ảnh màu rực rỡ in trên bìa của những tạp chí chụp những sinh vật đang chuyển động, là những phát triển lai tạo nhằm hi sinh hiện tượng thị sai dọc.
Sự phát triển mới nhất trong chụp ảnh toàn cảnh cho phép ghi cả trăm người đang họat động trên ảnh màu. Tuy nhiên sự ghi ba chiều chỉ là một phần của nhiều áp dụng hấp dẫn của chụp ảnh toàn cảnh.
Những ứng dụng trong khoa học và trong kĩ thuật
HOE. Các phân tử quang học ảnh toàn cảnh có thể được tạo ra bằng quang học hay như máy tính, lĩnh vực này của quang học nhiễu xạ được dùng như một đầu phát hiện (HUD) trong máy bay , trong các thấu kính tiếp xúc hai tròng, trong các máy quét và trong các quang phổ kế có năng xuất phân giải cao. Như một tổ hợp kính lọc không gian nó là một bộ phận hoàn chỉnh của bộ xử lí tín hiệu quang học.
Các thành phần của máy tính quang học
Các ảnh toàn cảnh được ghi trên những tinh thể khúc xạ quang có thể xóa được, đại diện cho một hệ lưu trữ và hồi phục các số liệu trong các máy tính. Sự truyền thông tin từ chíp này sang chíp khác được hoàn thành rất tốt nhờ các HOE kết hợp với các quang sợi tích phân. Dùng kĩ thuật “trộn bốn sóng” thông qua “sự kết hợp pha” một ảnh toàn cảnh thực hiện trên một tinh thể sẽ gửi ngược lại về phía vật nhiều ánh sáng hơn là nó nhận, như vậy tạo nên một “gương nghịch đảo thời gian”
có khếch đại.
Các phép đo y sinh và kĩ thuật
Phép đo giao thoa ảnh toàn cảnh so sánh hai trạng thái của một vật và cho thấy những thay đổi với độ chính xác rất cao. Bằng cách cho ánh sáng từ một ảnh toàn cảnh giao thoa với một ánh sáng từ một mẫu, những thay đổi “thời gian thực” có thể quan sát trực tiếp. Hình 6 cho thấy một cơ quan phức tạp (một cái nấm) đang phát triển với sự chuyển động của vật không biến dạng “được trừ đi” trên một bản ở phía trái bằng cách di chuyển chùm vật đi qua một sợi quang.
Các phép đo chính xác với tốc độ nhanh
Trong 1 ps ánh sáng đi được 1/1000 bộ. Như vậy một xung ps từ một laser đi qua một thấu kính phân kì truyền ra ngoài một dải ánh sáng khá định xứ.
Các ảnh toàn cảnh “ánh sáng đang bay” được tạo thành trong đó sự tiến triển của một mặt đầu sóng của ánh sáng đi qua không gian được bắt giữ lại. Bằng cách
tạo ra ảnh qua một môi trường trong mờ, như thịt con người để phát hiện ung thư vú là điều có thể thực hiện được.
Do các ảnh toàn cảnh truyền qua có độ sâu của trường thực tế là không có giới hạn nên các sự kiện thoảng qua trong một không gian rộng lớn có thể được ghi lại và sau đó đem ra nghiên cứu. Thí dụ những vết của các hạt có thời gian sống khoảng vài picogiây được ghi lại trong buồng bọt tại Phòng thí nghiệm quốc gia Enrico Fermi.
Ảnh toàn cảnh như một thú vui
Giống như chụp ảnh thường, chụp ảnh toàn cảnh có thể dễ dàng cho sinh viên với mọi lứa tuổi và mọi khuynh hướng học được. Cùng với sự vui thích và bổ ích các bạn tự nhiên sẽ bị quyến rũ để học tất cả những tư tưởng đã giành được giải Nobel.
Ứng dụng của laser