Phương pháp chụp ảnh mang tính cách mạng của Lippmann và Gabor

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

58
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo chuyên đề vật lý học giải thích các hiện tượng tự nhiên và giúp các bạn mở rộng kiến thức vật lý học của bản thân

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Phương pháp chụp ảnh mang tính cách mạng của Lippmann và Gabor

Phương pháp ch p nh mang tính cách m ng c a Lippmann và Gabor Klaus Biedermann Các phương pháp ư c trao gi i thư ng Trong s các gi i Nobel v t lí, hai nhà khoa h c ã ư c tôn vinh cho phương pháp xu t s c c a h dùng ghi và hi n th hình nh: Gabriel Lippmann, trao gi i năm 1908 “cho phương pháp c a ông tái t o nh màu d a trên hi n tư ng giao thoa”, và Dennis Gabor, trao gi i năm 1971, “cho s phát minh và phát tri n c a ông v phương pháp ch p nh giao thoa”. C hai phương pháp u cùng m t m c tiêu mang l i s tái t o nh theo ki u hơi khác v i các n l c khác trư c ó v i m c ích tương t . t t i m c tiêu này, Lippmann và Gabor ch n m t phương pháp mang tính cách m ng i v i n n v t lí cơ s thay vì l n theo s ti n b ti n tri n t ng bư c trong kĩ thu t. Năm 1886, khi ngh thu t và công ngh ch p nh v n còn ang v t l n v i chuy n màu s c t nhiên sang nh ng giá tr tương x ng theo màu en và tr ng, thì Gabriel nghĩ t i m t phương pháp hai bư c ghi và tái t o nh màu tr c ti p qua các bư c sóng v t và nh ch p sau ó. Khi Lippmann c i ti n nh t tr ng en sang màu, thì kĩ thu t ch p nh giao thoa c a Gabor m r ng nh t hình ph ng sang nh không gian ba chi u. Th t c mang l i cho t ng m t c a ngư i nhìn th sai c a riêng nó – s nhìn nh n i – cũng mang tính l ch s như chính ngành ch p nh. Nhưng ý tư ng “ch p nh giao thoa” c a Gabor là lưu tr t t c thông tin trong toàn b không gian nh và không có trong b c nh th hai hơi khác m t chút. Ý tư ng c a phương pháp Th t thú v , cơ s v t lí c a hai phương pháp u có th hi u trên cùng m t nguyên t c, c th là s d ng b n ch t sóng c a ánh sáng, bao g m vi c mã hóa trư ng nh b ng s giao thoa, ghi l i c u trúc trên phim ch p, r i sau ó c trư ng nh tr l i b ng cách g i ánh sáng và cho nó i u bi n trong c u trúc này. 130 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
Quang h c sóng và s giao thoa Khi chúng ta nhìn vào nh quang h c, chúng ta thư ng nghĩ t i các tia sáng. C phép ch p nh c a Lippmann và phép ch p nh giao thoa c a Gabor u d a trên s truy n sóng c a ánh sáng. Sóng phát sinh và truy n i trong nư c. Hi n tư ng sóng có m t m i nơi trong v t lí h c. D th y nh t, chúng ta th y chúng trên m t nư c. Chúng ta có th th y sóng tr i ra v i m t hư ng truy n, m t v n t c hay t c truy n, và dài chu kì c a chúng. Khi hai hay nhi u sóng ch ng lên nhau, chúng ta ý th y k t qu là hình nh c trưng ư c g i là “s giao thoa”. M t c u trúc giao thoa như th ch a thông tin v t t c các trư ng ang tương tác. Khi ã bi t m t trư ng, thì thông tin v các trư ng khác cũng có th suy lu n ra. So v i sóng nư c hay âm thanh, b n ch t sóng c a ánh sáng khó quan sát hơn nhi u. Các bư c sóng nh (ví d 0,4 – 0,7 µm, t c là 0,0004 – 0,0007 mm, i v i ánh sáng kh ki n) và nh hơn, t n s c a dao ng sóng là 750 n 400 THz (1 terahertz là m t tri u tri u chu kì trong m t giây). T n s c a ánh sáng là cơ b n, nên không có cơ ch nào c ư c chuy n ng c a sóng ánh sáng. Tuy nhiên, m t chuy n ng sóng có th kh o sát b ng s tương tác v i m t sóng r t gi ng như nó, hi u ng g i là giao thoa, n m c d ng l i trong m t “sóng ng”. Sóng ng phát sinh t s giao thoa c a hai sóng có t n s chính xác b ng nhau nhưng có pha biên dao ng ngư c nhau. Trong nhà trư ng ph thông, sóng ng ư c ch ng minh b ng các sóng dao ng trên m t s i dây ph n x m t i m d ng và quay l i. i v i ánh sáng, i m d ng là gương, nơi sóng ch m t i b ph n x , như minh h a trong hình phía bên trái. T i gương kim lo i, t nhiên tránh h p th sóng b ng cách o pha cùng lúc khi hư ng truy n thay i. T i gương, trư ng thu ư c luôn b ng không; t i nơi cách gương m t ph n tư bư c sóng, t ng c a hai trư ng s bi n thiên tu n hoàn giá tr lên t i (+) và (-) 2 x biên . ây là cái trong âm h c ngư i ta ư c d y tương ng là “nút” và “b ng” c a dao ng âm. Trong quang h c, s giao thoa ư c quan sát th y dư i d ng vân sáng và vân t i và có th ghi trên phim ch p hay b t kì máy dò ánh sáng nào khác. Trong hình nh n nh c a vân giao thoa, các sóng có cùng bư c sóng – ánh sáng là ơn s c – và chúng ph i có cùng quan h pha, t c là thu c cùng m t ngu n – ánh sáng là k t h p. i u ki n này thu ư c khi sóng b tách ra t cùng m t ngu n và tr gi a sóng nguyên g c và sóng ph n x gương ch cách nhau vài bư c sóng. Sóng ng trong màng d u m ng trên nh a ư ng m ư t và trong nhũ tương s d ng trong phép ch p nh c a Lippman áp ng i u ki n này. Tuy nhiên, i v i phép ch p nh giao thoa ba chi u, Gabor t o ra các vân b ng cách cho trư ng v t giao thoa v i m t trư ng tham chi u ngoài. Ngu n sáng có m c ơn s c và k t h p tương x ng tr nên l n u tiên có s n trên th trư ng là laser. © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 131
S ph n x c a trư ng ánh sáng t i gương làm phát sinh sóng ng (hình bên trái). Gi n cho th y cách th c Lippmann s d ng sóng ng mã hóa màu s c trong nh ch p (hình bên ph i). Phương pháp ch p nh màu c a Lippmann Làm th nào Gabriel Lippmann có th s d ng hi u ng giao thoa thu ư c thu t ch p nh màu ? Sách v lòng v quang h c sóng và s giao thoa b o chúng ta r ng ánh sáng có bư c sóng khác nhau s t o ra hình nh sóng ng t i nh ng chi u dài chu kì tương ng. Lippmann b t u v i m t ki u sóng ng, trong ó trư ng sóng g p l i chính nó sau khi ph n x m t cái gương. Ông chi u nh quang như thư ng l lên t m phim, nhưng qua t m th y tinh c a nó v i ch t nhũ tương h u như trong su t có các h t r t tinh m t sau. R i ông thêm hi u ng giao thoa b ng cách t m t gương th y ngân ti p xúc v i nhũ tương. Hình nh i qua nhũ tương, ch m t i gương, và r i ph n x ánh sáng tr l i nhũ tương. Chi u dày thích h p c a l p phim này tương ng v i kho ng ch c bư c sóng ho c nhi u hơn. Hình nh chi u lên t m phim không phơi th ng trên nhũ tương theo s phân b chi u x c c b . Thay vì v y, s phơi sáng ư c mã hóa khi trư ng sóng quay tr l i bên trong nhũ tương và t o ra sóng ng, chúng có nút cho s phơi sáng ít, còn b ng thì cho hi u ng c c i. Vì th , sau khi phát tri n, l p phim ch a ch ng hai ch c ho c nhi u hơn l p h t b c v i chu kì khác nhau i v i nh ng màu khác nhau trong hình nh. Gabriel Lippmann 132 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
Khi, sau phát tri n, ánh sáng ư c chi u lên t m phim ph n x , nó s b tán x t i nh ng h t b c này theo m i hư ng. Theo hư ng sóng ng hình thành, trư ng ánh sáng tán x có bư c sóng b ng chu kì c a các lá kính s ng pha nhau, giao thoa tăng cư ng, và cùng t o ra nh màu s c nét. Các loài côn trùng và bư m tao nhã nh t nh có nh ng phi n m ng tu n hoàn như th mà không h bi t gì v cơ s quang h c c a s tán x hay nhi u x . Chúng ta th y th c ch t d ng ghi nh này xây d ng trên m t quá trình hai bư c có h th ng c a s giao thoa và nhi u x : ban u mã hóa hình nh thành vân giao thoa, và sau ó tái t o hình nh b ng s nhi u x trên vân giao thoa này. Phương pháp ch p nh ba chi u c a Gabor Cũng nguyên t c hai bư c ó áp d ng cho ý tư ng c a Gabor v vi c tái t o m t sóng. T Lippmann, chúng ta ã bi t làm th nào ghi và tái t o thông tin màu lên m t hình ph ng ti p xúc v i t m phim. N u Gabor mu n tái t o các m t sóng trong không gian ba chi u, ông c n m t trư ng nhìn, và chúng ta tư ng tư ng ông lo i b ư c ngư ng bư c sóng. Quá trình ư c th c hi n trong ánh sáng ơn s c. S tham chi u cho giao thoa không còn là s ph n x c a chính trư ng nh (trong kĩ thu t ch p nh giao thoa thư ng g i là trư ng v t) mà nó ư c mang l i b ng m t trư ng tham chi u c l p. Góc gi a trư ng tham chi u và b t kì i m nào tính t trư ng v t xác nh chu kì và s nh hư ng c a c u trúc giao thoa thu ư c, ph c t p hơn nhi u, cái ông g i là “ nh không gian giao thoa”. i u này cũng có nghĩa là thu ư c s giao thoa tươm t t, chi u dài k t h p ph i l n hơn hi u ư ng i gi a hai i m b t kì t i trư ng v t và trư ng tham chi u. Cơ c u th c hi n ch p nh giao thoa. Ánh sáng phát ra t laser phía dư i bên trái. T gương và th u kính phía trên bên trái, nó r i sáng v t, m t cái loa phóng thanh, chính gi a. Cái loa làm phân tán ánh sáng sang t m phim i di n v i nó. Vì không có th u kính nào t i nơi chi u nh, nên s r i sáng t loa sang t m phim khá u. Tuy nhiên, m t ph n c a chùm laser b tách ra làm trư ng tham chi u t i gương trong su t m t ph n, và nó g p trư ng v t t i b n phim sau cùng kho ng th i gian truy n. Hai trư ng khi ó giao thoa và cùng phơi sáng m t vân sóng ng ph c t p trong nhũ tương. Sau phát tri n, m t mình trư ng tham chi u r i lên phim và tr nên i u bi n c u trúc, t c là giao thoa ba chi u. Ánh sáng ư c phân b vào vài © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 133
trư ng nhi u x , trong ó có m t cái g i là trư ng tái t o truy n qua t m phim là b n sao c a trư ng v t trư c ó ch m t i phim. Theo cách này, thu t ch p nh giao thoa óng vai trò gi ng như m t c a s có trí nh . T i sao l i là nh ba chi u c a m t cái loa phóng thanh ? C u hình trên minh h a m t trong nh ng ng d ng kĩ thu t quan tr ng c a thu t ch p nh giao thoa ba chi u, ó là phép phân tích dao ng. B ng cách s d ng giao thoa k ch p nh ba chi u, hình nh mode dao ng có th làm cho nhìn th y trên b t c m t nào, gi ng h t như cát trên màng ph ng trong hình nh Chladni hơn 200 năm trư c ây. Khi Gabor nghĩ ra quá trình tái t o u sóng năm 1948, r i d nh hi u ch nh s c sai trong kính hi n vi i n t , thì èn h quang th y ngân có trên th trư ng khi ó ã h n ch tính kh thi quang h c c a ông mu n làm thí nghi m v i v t có kích thư c vài mili mét. t phá n l n u tiên vào năm 1963 khi Leith và Upatnieks t i i h c Michigan ch ng minh ư c hình nh ba chi u t thu t ch p nh giao thoa th c hi n b ng laser. M t i m sáng ngh thu t tr thành thu t ch p nh giao thoa chân dung c a Gabor th c hi n v i m t laser xung vào mùa xuân năm 1971; th tích c a không gian v t là vài mét kh i. Cơ c u ch p nh giao thoa ba chi u c l n tương t như cơ c u minh h a v i cái loa phóng thanh. ây chúng ta th y là u năm 1971, Dennis Gabor ng i t i bàn gi i thích thu t ch p nh giao thoa ba chi u và b o qu n s s ng vĩnh c u 3-D qua m t t m phim ki u Lippmann 50x60cm. T m phim gi trư c m t Gabor, ngay chính gi a cơ c u trong hình. Hình nh góc dư i: nh c a Gabor nhìn qua thu t ch p nh giao thoa ba chi u. Gabriel Lippmann Gabriel Lippmann là ngư i Pháp, sinh năm 1845 Hollerich, Luxembourg, và m t năm 1921. Ông trư ng thành và h c t p Paris. Trong s nhi u s thích c a ông, ông nghiên c u văn h c Pháp và c, và l y b ng ti n sĩ tri t h c c năm 1874. Năm 1875, ông l y m t b ng ti n sĩ n a, v khoa h c nói v i n k mao d n t i Sorbonne. Ông m nh n các v trí gi ng viên i h c Paris t 1878 n cu i i ông. 134 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
Có m t giai tho i phát sinh t các ho t ng c a Lippmann: Trong phòng thí nghi m c a ông, Lippmann ã dung dư ng m t sinh ngư i Ba Lan trong nghiên c u c a cô ta, Marie Sklodowska. Ông cũng gi i thi u cô ta v i ngư i c ng tác c a ông v hi n tư ng áp i n, Pierre Curie. Hai ngư i h l y nhau năm 1895, và k t qu nghiên c u c a gia ình Curie, g m c con gái Irène và con r Frédéric Joliot, cu i cùng mang l i năm gi i Nobel v s phóng x . Nh gi i Nobel, Lippmann n i ti ng trư c công chúng vì quá trình ch p nh màu mang tên ông. Trong khoa h c, ông n i ti ng v i nhi u phát tri n trong khoa h c o lư ng, thiên văn h c và a ch n h c. M t trong s chúng là coelostat, d ng c dùng trong kính thiên văn gi cho nh ngôi sao m t nơi trong th i gian phơi sáng lâu tùy ý. M t trong nh ng phát minh khác c a ông trong quang h c là “phép ch p nh toàn c nh” mà ông công b vào năm 1908. Khi kĩ thu t ch p nh giao thoa ba chi u vào cu i th p niên 1960 m t l n n a b ng lên ni m am mê l n i v i nh ba chi u, các nhà khoa h c và nhà phát minh l i nh t i ý tư ng c a Lippmann. M c tiêu c a ông là t o ra hình nh mà v i nó nhà quan sát có th ch u th sai bi n thiên khi di chuy n m t theo hư ng ngang và th ng ng. Gi i pháp c a ông là nhìn vào s hi n th o c a m t m u tu n hoàn g n như liên t c c a các b kính camera nh , t ng kính s ghi hình c a v t t i hư ng c a nó. Dennis Gabor Dennis Gabor là ngư i Hungary, sinh năm 1900 Budapest, tr thành ngư i Anh, qua i năm 1976 London. Ông l y m nh b ng phát minh u tiên c a ông lúc lên tu i 11, l y văn b ng kĩ sư i n năm 1924 t i Technishche Hochschule Berlin, và b ng ti n sĩ năm 1927 v i lu n án v dao ng kí tia cathode t c cao. Ông làm vi c t i Siemens & Halske, phát tri n các ng phóng i n khí. Có m t không khí nghiên c u r t sôi n i Berlin trong nh ng năm tháng này, v i nh ng ch nóng bao g m kính hi n vi i n t c a các nhà tiên phong Knoll và Ruska – Ernest Ruska nh n gi i Nobel v t lí năm 1986 – và kĩ thu t i n nh, nh ng lĩnh v c mà nhi u năm sau này, Gabor tr l i có óng góp l n. Khi Hitler lên n m quy n, Gabor r i Berlin và cu i cùng sang làm vi c Anh năm 1934 v i công ti Anh Thomson-Houston. Ông ti p t c phát tri n ng phóng i n khí. Sau chi n tranh, ông còn nghiên c u v lí thuy t truy n thông, kĩ thu t i n nh l p th , và m t ý tư ng m i, d ng l i m t sóng mà ông xem là cách gi i cho bài toán s c sai trong kính hi n vi i n t . T năm 1949, Gabor gia nh p trư ng Khoa h c và Công ngh Imperial College London, ó ông tr thành giáo sư v t lí i n t ng d ng. “D ng l i m t sóng” là m t trong nhi u ý tư ng c a Dennis Gabor, ngư i có tính ch t sau cùng ph i ch l i gi i c a nh ng bài toán, cùng tài năng và thành tích c a nh ng nhà nghiên c u khác. © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 135
ng hành trong cu c s ng Lippmann và Gabor có n n t ng trí tu như nhau, và trư ng thành và làm vi c trong môi trư ng a văn hóa. Trong s nghi p c a h , h không nghiên c u v m t câu h i l n t n t i trong cu c s ng mà v nhi u d án khác nhau, trong ó có vài d án r t thành công. Ngoài nghiên c u cơ b n trong khoa h c, b ph n quan tr ng trong nh ng n l c c a h là phát minh và h th ng hóa công ngh . C hai u l y nhi u b ng phát minh. Vi c th c thi y nh ng ý tư ng c a h òi h i nh ng gi i pháp m i, nh t là các ch t ghi nh và ngu n sáng: Trong nh ng năm tháng nghiên c u v t v , Lippmann ã trau chu t quá trình ch p nh riêng c a ông, “kính nh Lippmann” có phân gi i c c kì cao, v n ư c s n su t ngày nay. Ngoài ra, nhi p nh màu, t t nhiên, yêu c u các t m phim toàn s c; m r ng nh y trên toàn vùng ph kh ki n, Lippmann h p tác v i anh em Lumière, lúc ó dân u các nhà s n su t kính nh châu Âu. i v i phát minh c a Gabor, vi c ghi m t sóng c n b c x có mc k t h p cao không có s n trong t nhiên. May thay trong th h các nhà nghiên c u ti p theo, nguyên lí laser ã mang l i m t ánh sáng như th , và thu t ch p nh giao thoa ba chi u t ng t gây ti ng vang. i v i i u ki n tiên quy t khác, ó là kính nh có phân gi i c c kì cao, Lippmann ã t o ra chúng trư c năm 1900. Nhi u nhà nghiên c u nh t nh s , v i s hi u bi t, c th y ti ng th dài c a Lippmann cu i bài thuy t trình Nobel c a ông: “Cu c s ng thì ng n ng i và ti n b thì ch m ch p”. Cái gì xu t hi n trong cu c ua trư ng kì ? Kĩ thu t nhi p nh Lippmann không th nào tránh kh i s b t l i c a nh ng t m phim phân gi i cao yêu c u th i gian phơi sáng t hàng phút n hàng gi . Tuy nhiên, lu n ch ng c a Lippmann và tính kh thi c a vi c ch p nh màu t nhiên ã kích thích lòng khát khao vươn t i nh ng công ngh như th . Anh em nhà Lumière ã phát tri n, song song v i công vi c h th c hi n cho Lippmann, m t quá trình c a riêng h , d a trên nh ng b l c trong su t ba màu (trong c u trúc tương t như màn hình ti vi ngày nay). Phương pháp “kính nh màu” c a h chi m ưu th trong th p niên 1930, r i b thay th b i công ngh nhi p nh màu hi n nay, phát ra kh i thu c nhu m trong ba l p phim trong khi phát tri n. Tuy nhiên, kĩ thu t nhi p nh Lippmann v n gi ư c s quan tâm cao trong khoa h c và gi ng d y; không h có cách nào khác ghi nh ph m t cách chính xác. Năm 1962, ngư i Nga Y.N. Denisyuk ã nh n ra m i quan h c a các nguyên lí trong phương pháp ghi nh c a Lippmann và c a Gabor. Ông xu t m t k t h p s d ng kính nh Lippmann dùng cho t o nh ba chi u trong s ph n x . V i s xu t hi n c a kĩ thu t ch p nh giao thoa laser, phát minh c a Denisyuk tr thành th c ti n là “kĩ thu t ch p nh giao thoa ba chi u ánh sáng tr ng” hay “kĩ thu t ch p nh giao thoa ba chi u Lippmann”. Cơ c u d ng l i m t sóng c a Gabor là m t nguyên lí m i trong quang h c. Tuy nhiên, vi c áp d ng cho th u kính kính hi n vi i n t ã không ư c nh n ra, và ý tư ng ó ch gi i 136 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
h n trong các sách giáo khoa tiên ti n v quang h c. Tình hu ng thay i theo m t ki u b t ng khi Leith và Uptanieks vào năm 1963, ưa ra nh ng t m hình ba chi u th t s , gây xôn xao dư lu n th c hi n b ng kĩ thu t ghi nh giao thoa laser. S trông i l n m i b c nh tr thành ba chi u ư c khu y ng qua kĩ thu t ch p nh giao thoa. Công ngh ó t t i nh cao b c chân dung ba chi u ch p Dennis Gabor vào u năm 1971. Tuy nhiên, hình nh ba chi u không làm phát sinh nhu c u thương m i. Thay vì v y, chúng có nh ng ng d ng b t ng khác: v i thu t ch p nh giao thoa, m t sóng thu c b t kì lo i nào u có th so sánh b ng s giao thoa, không ch b ng th u kính và gương. K t cu i th p niên 1970, kĩ thu t giao thoa ba chi u là m t công ngh o lư ng tiêu chu n cho vi c phân tích bi n d ng và dao ng, ngày nay chúng ư c c i ti n thêm qua thu t ch p nh kĩ thu t s tr c tuy n và máy tính nhanh. Th t thú v , laser và máy tính ã mang thu t nhi p nh giao thoa tr l i g n v i áp d ng ban u c a Gabor, mang l i các b ph n quang nói chung, các cách t giao thoa ba chi u, th u kính tia X giao thoa ba chi u, quang h c nhi u x lai, nh n d ng m u quang, và vân vân. Nhi p nh ba chi u do máy tính t o ra có th nh c các b m t quang hay cơ kì l cho n m t m t sóng ch ư c công nh n trên toán h c, hay t o ra các b ph n quang kì l , ví d như máy hát CD, màn hình h i t hay d ng c t tiêu cho camera. Ngày nay, có nhu c u thương m i th t s v nhi p nh giao thoa dát m ng trên các lo i th , gi y t tùy thân, gi y b c, và xác minh lo i hàng hóa. Nh ng hình nh ba chi u này ư c d p n i trên b m t nhưng cũng ch m sâu vào như nhi p nh Lippmann. Hi n nay, các nhà mơ t i nh ng kh i tinh th nh khi nhi p nh giao thoa cho b nh d li u có dung lư ng c c cao và thông lư ng song song. Ngoài nh ng ng d ng hoàn toàn m i, nhi p nh c a Gabor ã có s óng góp l n cho vi c tìm hi u quang h c; h u như m i h c sinh trư ng ph thông u bi t t o nh giao thoa ba chi u như m t bài th c hành trong phòng thí nghi m. Ngu n: Lippmann’s and Gabor’s Revolutionary Approach to Imaging (nobelprize.org) hiepkhachquay d ch An Minh, ngày 24/02/2008, 21:22:30 © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 137