by
Đầu tháng 5 năm 2013 nhiều báo khoa học danh tiếng trên thế giới đưa tin là các nhà khoa học của Đại học Illinois ở Urbana, Champaign (Mỹ) đứng đầu là giáo sư John A. Roger đã phát triển kỹ thuật mới bắt chước mắt côn trùng chế tạo được máy ảnh có góc thu ảnh xấp xỉ và độ sâu gần như vô cực. Ứng dụng nổi bật nhất của máy ảnh mắt côn trùng này là ở lĩnh vực do thám và nội soi.
Để hiểu rõ hơn những khả năng đặc biệt cùa loại máy này ta xem lại hai hạn chế của máy ảnh vốn có lâu nay là góc thu ảnh và độ sâu có giới hạn.
1. Góc thu ảnh và độ sâu khi chụp ảnh.
Bộ phận quan trọng nhất của máy ảnh là ống kính, thực chất là thấu kính hội tụ tạo ra ảnh của cảnh vật trước ống kính hiện lên cảm biến ảnh để ghi lại. Ở máy ảnh chụp phim, cảm biến ảnh là phim ảnh, ở máy ảnh số cảm biến ảnh là cảm biến CCD hoặc CMOS. Để dễ hiểu cụ thể trong bài này ta lấy thí dụ về máy ảnh dùng phim, đối với máy ảnh số lập luận cũng tương tự.
Kích thước của tấm phim ảnh là nhất định nên không phải toàn bộ cảnh vật trước ống kính đều hiện lên phim mà chỉ là trong phạm vi một góc nhìn nào đó của ống kính, người ta gọi phạm vi đó là góc thu ảnh. Thường gần đúng xem như ảnh của cảnh vật hiện lên phim đặt ở mặt tiêu (mặt đi qua tiêu điểm của ống kính) nên với phim ảnh có kích thước là D, có thể tính ra được góc thu ảnh khi biết tiêu cự f của ống kính (xem hình 1).
Thí dụ ở máy ảnh phố biến 35mm, phim ảnh hình chữ nhật 36mm x 24mm, quy ước kích thước D của phim ảnh là đường chéo của hình chữ nhật D = 43,5 với ống kính thông thường (gọi là ống kính chuẩn) có tiêu cự f=50mm thì góc thu ảnh của ống kính tính ra là 46°. Với ống kính thông thường này, thí dụ muốn chụp ảnh nhóm người dàn hàng ngang cách máy ảnh 5 mét thì chỉ những người trong phạm vi rộng cỡ 5 mét mới có ảnh hiện lên phim. Nếu lùi máy ảnh ra xa thí dụ cách hàng người 10 mét thì chụp được ảnh của những người trong phạm vi rộng cỡ 10 mét. Chụp được nhiều người hơn nhưng ảnh của từng người nhỏ, không rõ. Để vẫn ở gần nhưng chụp được phạm vi rộng, phải dùng ống kính góc rộng (wide angle lens), tức là ống kính có tiêu cự f nhỏ hơn. Thực tế máy ảnh thông thường 35mm có ba loại ống kính góc rộng có tiêu cự là 35mm, 28mm và 24mm ứng với góc thu ảnh là 64°, 75° và 84°. Ống kính có tiêu cự dưới 24mm gọi là ống kính góc siêu rộng, nhưng tiêu cự ngắn nhất cũng chỉ là f=16 mm ứng với góc thu ảnh lớn nhất là 115°. Việc chế tạo ống kính góc càng rộng càng khó khăn vì ống kính góc càng rộng càng nhiều tia sáng rất nghiêng so với quang trục tham gia tạo ảnh trên phim ảnh, ảnh rất dễ bị méo mó biến dạng ở phần gần rìa.
Khi chụp ảnh một vấn đề cần quan tâm nữa là độ sâu của ảnh. Vì phim ảnh (cảm biến ảnh) là phắng nên về nguyên tắc với ống kính có tiêu cự f nhất định khi điều chỉnh ống kính tới lui, lúc ống kính cách phim ảnh một khoảng là p’ ta thấy vật cần chụp có ảnh trên phim rõ nhất thì vật đó cách ống kính một khoảng p nghiệm đúng công thức 1/p+1/p' = 1/f. Nói cách khác khi đã điều chỉnh thật rõ nét ở p thì chỉ những vật (những điểm) nằm trong mặt phẳng cách ống kính một khoảng p mới cho ảnh rõ nét trên phim. Tuy nhiên thực tế thì tùy theo khoảng cách lấy nét p và tùy theo khẩu độ chắn bớt ánh sáng để chụp, những vật ở trước và sau khoảng cách rõ nét p vẫn có ảnh ở phim với độ nét chấp nhận được. Người ta gọi khoảng cách giữa hai vị trí xa nhau nhất cho độ nét chấp nhận được là vùng rõ nét, vùng này càng lớn thì ảnh chụp có độ sâu càng lớn. Thí dụ ở máy ảnh phim 35 mm với ống kính chuẩn f= 50mm khi điều chỉnh đế lấy rõ nét nhất vật cách thấu kính p = 4m, nếu ống kính mở với khẩu độ 2,8 thì vùng rõ nét là từ 3,5m đến 4,5m, còn ống kính mở với khẩu độ 5,6, vùng rõ nét là từ 3m đến 6m nghĩa là độ sâu lớn hơn so với trường hợp ống kính mở với khẩu độ 2,8.
Góc thu ảnh và độ sâu của ảnh có giới hạn là hai hạn chế của máy ảnh vẫn dùng lâu nay (máy ảnh phim cũng như máy ảnh số) nguyên nhân chính là máy ảnh chỉ có một ống kính và cảm biến ảnh cũng chỉ có một và là phẳng.
Trong hoạt động theo dõi, giám sát chẳng hạn nếu bố trí một máy ảnh để tự động ghi lại những diễn biến xảy ra thì vì giới hạn của góc thu ảnh và độ sâu nên có những vùng trước ống kính máy ảnh không bị che lấp nhưng vẫn là khuất không ghi được ảnh hoặc có ảnh nhưng rất mờ.
Tương tự ở phương pháp nội soi, đưa một máy ảnh cực nhỏ vào cơ thể thì được nhưng không phải dễ dàng đưa máy ảnh tới lui nghiêng qua nghiêng lại đế có được ảnh rõ nét. Vì vậy trong nhiều trường hợp, rất cần máy ảnh có góc thu ảnh lớn và độ sâu cũng thật lớn.
2. Tuyệt diệu mắt của côn trùng
Con ruồi đậu một chỗ trên mặt đất. Rón rén cầm cái vỉ ruồi từ phía sau hoặc phía bên để đập ruồi. Ruồi không quay đầu ra sau, không xoay đầu ra hai bên nhưng khi cái vỉ ruồi ở cao trên lưng, ruồi rất dễ thấy và nhanh chóng bay thoát. Bản năng tự vệ, tìm mồi đã tạo cho ruồi không những nhìn rõ phía trước mà nhìn rõ cả ở xung quanh. Con kiến, con chuồn chuồn cũng vậy. Phân tích, tìm hiểu kỹ bằng kính hiển vi thì thấy nhiều loại côn trùng chân có đốt có mắt rất đặc biệt, gọi là mắt phức hợp. Tùy loài, mỗi mắt có đến hàng trăm đến hàng nghìn đơn vị tạo ảnh gọi là mắt con hay ommatidia.
Mỗi mắt con là một thấu kính nhỏ dưới đó là một tinh thể hình nón để chuyển ánh sáng đến tế bào nhạy sáng, tín hiệu tế bào thu được sẽ qua dây thần kinh về não phân tích, xử lý. Chưa thật hiểu não của côn trùng phân tích xử lý như thế nào nhưng chắc chắn cách bố trí không phải một thấu kính lớn mà là rất nhiều thấu kính nhỏ nằm trên một mặt hình bán cầu và dưới mỗi thấu kính nhỏ là một cảm biến nhỏ đã cho phép côn trùng thấy được ảnh với góc thu ảnh gần 180° và rõ ở khắp mọi vùng xung quanh nghĩa là độ sâu xem như vô hạn. Chính bắt chước những đặc điếm kỳ diệu này của mắt côn trùng giáo sư J.A.Roger mới chế tạo được máy ảnh mắt côn trùng như mô tả ở phần sau đây.
3. Máy ảnh mắt côn trùng
Để hiểu rõ hơn những khả năng đặc biệt cùa loại máy này ta xem lại hai hạn chế của máy ảnh vốn có lâu nay là góc thu ảnh và độ sâu có giới hạn.
Bộ phận quan trọng nhất của máy ảnh là ống kính, thực chất là thấu kính hội tụ tạo ra ảnh của cảnh vật trước ống kính hiện lên cảm biến ảnh để ghi lại. Ở máy ảnh chụp phim, cảm biến ảnh là phim ảnh, ở máy ảnh số cảm biến ảnh là cảm biến CCD hoặc CMOS. Để dễ hiểu cụ thể trong bài này ta lấy thí dụ về máy ảnh dùng phim, đối với máy ảnh số lập luận cũng tương tự.
Kích thước của tấm phim ảnh là nhất định nên không phải toàn bộ cảnh vật trước ống kính đều hiện lên phim mà chỉ là trong phạm vi một góc nhìn nào đó của ống kính, người ta gọi phạm vi đó là góc thu ảnh. Thường gần đúng xem như ảnh của cảnh vật hiện lên phim đặt ở mặt tiêu (mặt đi qua tiêu điểm của ống kính) nên với phim ảnh có kích thước là D, có thể tính ra được góc thu ảnh khi biết tiêu cự f của ống kính (xem hình 1).
Trên: ống kính có tiêu cự dài góc thu ảnh hẹp
Dưới: ống kính có tiêu cự ngắn góc thu ảnh rộng
Thí dụ ở máy ảnh phố biến 35mm, phim ảnh hình chữ nhật 36mm x 24mm, quy ước kích thước D của phim ảnh là đường chéo của hình chữ nhật D = 43,5 với ống kính thông thường (gọi là ống kính chuẩn) có tiêu cự f=50mm thì góc thu ảnh của ống kính tính ra là 46°. Với ống kính thông thường này, thí dụ muốn chụp ảnh nhóm người dàn hàng ngang cách máy ảnh 5 mét thì chỉ những người trong phạm vi rộng cỡ 5 mét mới có ảnh hiện lên phim. Nếu lùi máy ảnh ra xa thí dụ cách hàng người 10 mét thì chụp được ảnh của những người trong phạm vi rộng cỡ 10 mét. Chụp được nhiều người hơn nhưng ảnh của từng người nhỏ, không rõ. Để vẫn ở gần nhưng chụp được phạm vi rộng, phải dùng ống kính góc rộng (wide angle lens), tức là ống kính có tiêu cự f nhỏ hơn. Thực tế máy ảnh thông thường 35mm có ba loại ống kính góc rộng có tiêu cự là 35mm, 28mm và 24mm ứng với góc thu ảnh là 64°, 75° và 84°. Ống kính có tiêu cự dưới 24mm gọi là ống kính góc siêu rộng, nhưng tiêu cự ngắn nhất cũng chỉ là f=16 mm ứng với góc thu ảnh lớn nhất là 115°. Việc chế tạo ống kính góc càng rộng càng khó khăn vì ống kính góc càng rộng càng nhiều tia sáng rất nghiêng so với quang trục tham gia tạo ảnh trên phim ảnh, ảnh rất dễ bị méo mó biến dạng ở phần gần rìa.
Khi chụp ảnh một vấn đề cần quan tâm nữa là độ sâu của ảnh. Vì phim ảnh (cảm biến ảnh) là phắng nên về nguyên tắc với ống kính có tiêu cự f nhất định khi điều chỉnh ống kính tới lui, lúc ống kính cách phim ảnh một khoảng là p’ ta thấy vật cần chụp có ảnh trên phim rõ nhất thì vật đó cách ống kính một khoảng p nghiệm đúng công thức 1/p+1/p' = 1/f. Nói cách khác khi đã điều chỉnh thật rõ nét ở p thì chỉ những vật (những điểm) nằm trong mặt phẳng cách ống kính một khoảng p mới cho ảnh rõ nét trên phim. Tuy nhiên thực tế thì tùy theo khoảng cách lấy nét p và tùy theo khẩu độ chắn bớt ánh sáng để chụp, những vật ở trước và sau khoảng cách rõ nét p vẫn có ảnh ở phim với độ nét chấp nhận được. Người ta gọi khoảng cách giữa hai vị trí xa nhau nhất cho độ nét chấp nhận được là vùng rõ nét, vùng này càng lớn thì ảnh chụp có độ sâu càng lớn. Thí dụ ở máy ảnh phim 35 mm với ống kính chuẩn f= 50mm khi điều chỉnh đế lấy rõ nét nhất vật cách thấu kính p = 4m, nếu ống kính mở với khẩu độ 2,8 thì vùng rõ nét là từ 3,5m đến 4,5m, còn ống kính mở với khẩu độ 5,6, vùng rõ nét là từ 3m đến 6m nghĩa là độ sâu lớn hơn so với trường hợp ống kính mở với khẩu độ 2,8.
Góc thu ảnh và độ sâu của ảnh có giới hạn là hai hạn chế của máy ảnh vẫn dùng lâu nay (máy ảnh phim cũng như máy ảnh số) nguyên nhân chính là máy ảnh chỉ có một ống kính và cảm biến ảnh cũng chỉ có một và là phẳng.
Trong hoạt động theo dõi, giám sát chẳng hạn nếu bố trí một máy ảnh để tự động ghi lại những diễn biến xảy ra thì vì giới hạn của góc thu ảnh và độ sâu nên có những vùng trước ống kính máy ảnh không bị che lấp nhưng vẫn là khuất không ghi được ảnh hoặc có ảnh nhưng rất mờ.
Tương tự ở phương pháp nội soi, đưa một máy ảnh cực nhỏ vào cơ thể thì được nhưng không phải dễ dàng đưa máy ảnh tới lui nghiêng qua nghiêng lại đế có được ảnh rõ nét. Vì vậy trong nhiều trường hợp, rất cần máy ảnh có góc thu ảnh lớn và độ sâu cũng thật lớn.
2. Tuyệt diệu mắt của côn trùng
Con ruồi đậu một chỗ trên mặt đất. Rón rén cầm cái vỉ ruồi từ phía sau hoặc phía bên để đập ruồi. Ruồi không quay đầu ra sau, không xoay đầu ra hai bên nhưng khi cái vỉ ruồi ở cao trên lưng, ruồi rất dễ thấy và nhanh chóng bay thoát. Bản năng tự vệ, tìm mồi đã tạo cho ruồi không những nhìn rõ phía trước mà nhìn rõ cả ở xung quanh. Con kiến, con chuồn chuồn cũng vậy. Phân tích, tìm hiểu kỹ bằng kính hiển vi thì thấy nhiều loại côn trùng chân có đốt có mắt rất đặc biệt, gọi là mắt phức hợp. Tùy loài, mỗi mắt có đến hàng trăm đến hàng nghìn đơn vị tạo ảnh gọi là mắt con hay ommatidia.
Mỗi mắt con là một thấu kính nhỏ dưới đó là một tinh thể hình nón để chuyển ánh sáng đến tế bào nhạy sáng, tín hiệu tế bào thu được sẽ qua dây thần kinh về não phân tích, xử lý. Chưa thật hiểu não của côn trùng phân tích xử lý như thế nào nhưng chắc chắn cách bố trí không phải một thấu kính lớn mà là rất nhiều thấu kính nhỏ nằm trên một mặt hình bán cầu và dưới mỗi thấu kính nhỏ là một cảm biến nhỏ đã cho phép côn trùng thấy được ảnh với góc thu ảnh gần 180° và rõ ở khắp mọi vùng xung quanh nghĩa là độ sâu xem như vô hạn. Chính bắt chước những đặc điếm kỳ diệu này của mắt côn trùng giáo sư J.A.Roger mới chế tạo được máy ảnh mắt côn trùng như mô tả ở phần sau đây.
Hình 2. Mắt côn trùng (chuồn chuồn) gồm nhiều mắt con,
mỗi mắt con bên trên là thấu kính nhỏ dưới là tể bào cảm biến ảnh.
3. Máy ảnh mắt côn trùng
Trên một tấm silic mỏng đàn hồi các nhà chế tạo đã làm ra các cảm biến ánh sáng dưới dạng dãy ngang dọc các điốt quang (photodiode) nhỏ xíu. Trên các cảm biến ánh sáng này là một tấm các thấu kính con làm bằng chất polyme cũng co giãn được. Mỗi thấu kính con nằm trên một cảm biến ảnh con. Bước đầu đã làm được 180 thấu kính con đặt trên cảm biến con như vậy. Sau khi chuấn bị dưới dạng tấm phẳng, cả tấm phẳng được thổi ép thành dạng hình bán cầu như là một mắt côn trùng có 180 mắt con. Hệ thống các đường dẫn vi mô ở dưới thu tín hiệu từ các cảm biến con để đưa về bộ xử lý trung tâm tính toán ra ảnh.
Hình 3: Cấu tạo của máy ảnh mắt côn trùng
Nói chung là ảnh hiện lên mặt bán cầu, nhưng có thể xử lý để in ra ảnh phẳng trên giấy được.
Thực tế thử nghiệm cho thấy máy ảnh này có góc thu ảnh đến và ảnh ở rìa không bị xoắn, bị méo, và vật ở xa cũng như ở gần đều rõ như nhau, độ sâu gần như vô tận.
Đây mới chỉ là ảnh đen trắng, xem như chỉ 180 pixel, tương đương với số mắt con của mắt kiến lửa. Tương lai sẽ bắt chước mắt bọ ngựa có 15.000 mắt con và mắt chuồn chuồn có 28.000 mắt con và việc tạo ảnh màu về nguyên tắc không phải là quá khó khăn.
Tác giả: Nguyễn Xuân Chánh
0 comments: