Camera gigapixel đẩy lùi giới hạn nhiễu xạ

Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa công bố một chiếc camera có độ phân giải 1 gigapixel, cao gấp khoảng năm lần so với những chiếc camera kĩ thuật số chuyên nghiệp tốt nhất hiện nay và cao gấp 100 lần loại camera di động. Ngoài ra, chiếc camera còn có khẩu độ nhỏ hơn nhiều so với những dụng cụ gigapixel khác – nghĩa là, không giống như những bộ cảm biến khác, chiếc camera mới nhất này đẩy lùi giới hạn phân giải cơ bản của các dụng cụ quang. Đội khoa học còn trình bày cách sử dụng chiếc camera trên trong một số ứng dụng như giám sát, thiên văn học và theo dõi môi trường.

Trước đây, những hình ảnh gigpixel được tạo ra bằng cách khâu vá 1000 hay nhiều hình ảnh megapixel lại với nhau, hoặc bằng cách quét một bộ cảm biến qua một hình ảnh định dạng lớn. Để có những hình ảnh gigapixel “chộp nhanh” thì đòi hỏi có thủ thuật, nhưng một số lựa chọn đã có hoặc đang trong giai đoạn phát triển. Một trong số này là chiếc camera kĩ thuật số 3.2 gigapixel sẽ lắp trong Kính thiên văn Khảo sát Tổng quan Lớn (LSST), một dụng cụ quang hiện đang được xây dựng ở miền bắc Chile.

Ảnh chụp ở Seattle bằng AWARE-2. Những khung hình nhỏ thể hiện những chi tiết khác nhau bên trong bức ảnh. (Ảnh: Duke University Imaging and Spectroscopy Program)

Khẩu độ lớn thì độ phân giải cao

Trên lí thuyết, những chi tiết nhỏ nhất có thể phân giải bởi một thấu kính bị giới hạn bởi sự nhiễu xạ, và thấu kính càng lớn – nghĩa là khẩu độ càng lớn – thì nó có thể nhận ra những chi tiết nhỏ hơn. Một khẩu độ 1 mm sẽ có thể phân giải khoảng 1 megapixel, còn một khẩu độ 1 cm sẽ có thể phân giải 100 megapixel. LSST, dụng cụ sẽ có khẩu độ vài mét, sẽ có thể phân giải những hình ảnh không chỉ cỡ gigapixel, mà còn cỡ terapixel.

Tuy nhiên, trên thực tế, những thấu kính lớn khó đạt tới giới hạn nhiễu xạ của chúng. Một trở ngại là những thấu kính lớn dễ bị quang sai hơn, làm giảm khả năng hội tụ. Các nhà chế tạo kính khắc phục vấn đề này bằng cách chia thấu kính ra làm nhiều phần nhỏ hơn và giảm trường nhìn. Tuy nhiên, những dụng cụ này thường vẫn không đạt tới gần giới hạn nhiễu xạ.

Camera AWARE-2. (Ảnh: Duke University Imaging and Spectroscopy Program)

Đẩy lùi giới hạn nhiễu xạ

Nay David Brady thuộc trường Đại học Duke ở Bắc Carolina và các đồng sự khẳng định vừa chế tạo một camera phân giải cao đạt tới giới hạn nhiễu xạ. Gọi tên là AWARE-2, camera của họ có khẩu độ chỉ 1,6 cm nhưng mang lại độ phân giải 1 gigapixel. Đối với ánh sáng nhìn thấy, giá trị này bằng một nửa giới hạn nhiễu xạ là 2 gigapixel.

AWARE-2 sử dụng một thiết kế “nhiều tầng”, trong đó một vật kính hình cầu chiếu một ảnh thô lên trên một quả cầu. Trên quả cầu này, một ma trận gồm 98 microcamera, mỗi cái có một bộ cảm biến 14 megapixel, làm hội tụ lại và thu ảnh. “Phương pháp thiết kế giống hệt với sự phát triển của siêu máy tính sử dụng các ma trận vi xử lí,” Brady nói. “Chúng tôi chế tạo siêu camera bằng những ma trận microcamera.”

Giảm giá thành

Phương pháp của nhóm Brady hoạt động vì nó thay một camera lớn bằng một tập hợp những camera nhỏ xíu, nên nó ít bị quang sai hơn. Điều đó cũng có nghĩa là chi phí được cắt giảm: thị trường điện thoại di động đã đưa giá thành của các bộ cảm biến xuống còn khoảng 1 đô la cho mỗi megapixel, như vậy các camera của thiết kế AWARE-2 một ngày nào đó có thể chỉ tiêu tốn 1000 đô la cho mỗi gigapixel. Brady nghĩ người ta có thể sản xuất các camera chưa tới 100.000 đô la cho mỗi gigapixel vào năm 2013. “Chúng tôi hi vọng hệ thống của chúng tôi sẽ đạt tới 10.000 đô la cho mỗi camera trong 5 đến 10 năm tới,” ông nói.

Tuy nhiên, không phải ai cũng thấy ấn tượng. Kĩ sư David Pollock thuộc trường Đại học Alabama ở Huntsville tin rằng camera AWARE-2 “bị thiếu tiêu cự”. Tiêu cự ngắn có xu hướng có “số-f” nhỏ hơn – nghĩa là khẩu độ tương đối rộng hơn – mang lại ít sự nhiễu nhiệt. Mặt khác, tiêu cự ngắn có nghĩa là độ phóng đại nhỏ: các vật ghi trên bộ cảm biến camera đó xuất hiện ở rất xa.

Tiêu cự tối thiểu

Điều này đúng với camera AWARE-2, nó mang lại một trường nhìn rất rộng 120^o. Nhưng Brady không xem đặc điểm này là nhược điểm. “Theo kinh nghiệm của tôi, các nhà chế tạo thấu kính thường xét khả năng thiết kế tiêu cự càng ngắn càng tốt,” ông nói.

Đội nghiên cứu cũng đã trình bày cách sử dụng camera đó trong một số ứng dụng khác nhau. Trong một ví dụ, chiếc camera chụp một bức ảnh của một cái hồ ở Bắc Carolina, sau đó người ta phân tích lại để xác định xem có bao nhiêu con thiên nga ở trên hồ. Trong một ví dụ khác, các chi tiết như số giấy phép lái xe và gương mặt từng người được nhận ra từ một bức ảnh giám sát.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature.

Hoài Ân – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email

Thêm ý kiến của bạn