Phương pháp chụp ảnh của Lippmann và Gabor

Các phương pháp được trao giải thưởng

Trong số các giải Nobel vật lí, hai nhà khoa học đã được tôn vinh cho phương pháp xuất sắc của họ dùng để ghi và hiển thị hình ảnh: Gabriel Lippmann, trao giải năm 1908 “cho phương pháp của ông tái tạo ảnh màu dựa trên hiện tượng giao thoa”, và Dennis Gabor, trao giải năm 1971, “cho sự phát minh và phát triển của ông về phương pháp chụp ảnh giao thoa”.
Cả hai phương pháp đều cùng một mục tiêu mang lại sự tái tạo ảnh theo kiểu hơi khác với các nỗ lực khác trước đó với mục đích tương tự. Để đạt tới mục tiêu này, Lippmann và Gabor chọn một phương pháp mang tính cách mạng đối với nền vật lí cơ sở thay vì lần theo sự tiến bộ tiến triển từng bước trong kĩ thuật.
Năm 1886, khi nghệ thuật và công nghệ chụp ảnh vẫn còn đang vật lộn với chuyển màu sắc tự nhiên sang những giá trị tương xứng theo màu đen và trắng, thì Gabriel nghĩ tới một phương pháp hai bước để ghi và tái tạo ảnh màu trực tiếp qua các bước sóng ở vật và ảnh chụp sau đó.
Khi Lippmann cải tiến ảnh từ trắng đen sang màu, thì kĩ thuật chụp ảnh giao thoa của Gabor mở rộng ảnh từ hình phẳng sang ảnh không gian ba chiều. Thủ tục mang lại cho từng mắt của người nhìn thị sai của riêng nó – sự nhìn ảnh nổi – cũng mang tính lịch sử như chính ngành chụp ảnh. Nhưng ý tưởng “chụp ảnh giao thoa” của Gabor là lưu trữ tất cả thông tin trong toàn bộ không gian ảnh và không có trong bức ảnh thứ hai hơi khác một chút.

Ý tưởng của phương pháp

Thật thú vị, cơ sở vật lí của hai phương pháp đều có thể hiểu trên cùng một nguyên tắc, cụ thể là sử dụng bản chất sóng của ánh sáng, bao gồm việc mã hóa trường ảnh bằng sự giao thoa, ghi lại cấu trúc trên phim chụp, rồi sau đó đọc trường ảnh trở lại bằng cách gửi ánh sáng và cho nó điều biến trong cấu trúc này.

Quang học sóng và sự giao thoa

Khi chúng ta nhìn vào ảnh quang học, chúng ta thường nghĩ tới các tia sáng. Cả phép chụp ảnh của Lippmann và phép chụp ảnh giao thoa của Gabor đều dựa trên sự truyền sóng của ánh sáng.



Hiện tượng sóng có mặt ở mọi nơi trong vật lí học. Dễ thấy nhất, chúng ta thấy chúng trên mặt nước. Chúng ta có thể thấy sóng trải ra với một hướng truyền, một vận tốc hay tốc độ truyền, và độ dài chu kì của chúng.
Khi hai hay nhiều sóng chồng lên nhau, chúng ta để ý thấy kết quả là hình ảnh đặc trưng được gọi là “sự giao thoa”. Một cấu trúc giao thoa như thế chứa thông tin về tất cả các trường đang tương tác. Khi đã biết một trường, thì thông tin về các trường khác cũng có thể suy luận ra.
So với sóng nước hay âm thanh, bản chất sóng của ánh sáng khó quan sát hơn nhiều. Các bước sóng nhỏ (ví dụ 0,4 – 0,7 mm, tức là 0,0004 – 0,0007 mm, đối với ánh sáng khả kiến) và nhỏ hơn, tần số của dao động sóng là 750 đến 400 THz (1 terahertz là một triệu triệu chu kì trong một giây). Tần số của ánh sáng là cơ bản, nên không có cơ chế nào đọc được chuyển động của sóng ánh sáng. Tuy nhiên, một chuyển động sóng có thể khảo sát bằng sự tương tác với một sóng rất giống như nó, hiệu ứng gọi là giao thoa, đến mức độ dừng lại trong một “sóng đứng”.
Sóng đứng phát sinh từ sự giao thoa của hai sóng có tần số chính xác bằng nhau nhưng có pha biên độ dao động ngược nhau. Trong nhà trường phổ thông, sóng đứng được chứng minh bằng các sóng dao động trên một sợi dây phản xạ ở một điểm dừng và quay lại. Đối với ánh sáng, điểm dừng là gương, nơi sóng chạm tới bị phản xạ, như minh họa trong hình phía bên trái. Tại gương kim loại, tự nhiên tránh hấp thụ sóng bằng cách đảo pha cùng lúc khi hướng truyền thay đổi.
Tại gương, trường thu được luôn bằng không; tại nơi cách gương một phần tư bước sóng, tổng của hai trường sẽ biến thiên tuần hoàn ở giá trị lên tới (+) và (-) 2 x biên độ. Đây là cái trong âm học người ta được dạy tương ứng là “nút” và “bụng” của dao động âm. Trong quang học, sự giao thoa được quan sát thấy dưới dạng vân sáng và vân tối và có thể ghi trên phim chụp hay bất kì máy dò ánh sáng nào khác.
Trong hình ảnh ổn định của vân giao thoa, các sóng có cùng bước sóng – ánh sáng là đơn sắc – và chúng phải có cùng quan hệ pha, tức là thuộc cùng một nguồn – ánh sáng là kết hợp.
Điều kiện này thu được khi sóng bị tách ra từ cùng một nguồn và độ trễ giữa sóng nguyên gốc và sóng phản xạ gương chỉ cách nhau vài bước sóng. Sóng đứng trong màng dầu mỏng trên nhựa đường ẩm ướt và trong nhũ tương sử dụng trong phép chụp ảnh của Lippman đáp ứng điều kiện này. Tuy nhiên, đối với phép chụp ảnh giao thoa ba chiều, Gabor tạo ra các vân bằng cách cho trường vật giao thoa với một trường tham chiếu ngoài. Nguồn sáng có mức độ đơn sắc và kết hợp tương xứng trở nên lần đầu tiên có sẵn trên thị trường là laser.



Sự phản xạ của trường ánh sáng tại gương làm phát sinh sóng đứng (hình bên trái). Giản đồ cho thấy cách thức Lippmann sử dụng sóng đứng để mã hóa màu sắc trong ảnh chụp (hình bên phải).

Phương pháp chụp ảnh màu của Lippmann

Làm thế nào Gabriel Lippmann có thể sử dụng hiệu ứng giao thoa để thu được thuật chụp ảnh màu ? Sách vở lòng về quang học sóng và sự giao thoa bảo chúng ta rằng ánh sáng có bước sóng khác nhau sẽ tạo ra hình ảnh sóng đứng tại những chiều dài chu kì tương ứng. Lippmann bắt đầu với một kiểu sóng đứng, trong đó trường sóng gặp lại chính nó sau khi phản xạ ở một cái gương. Ông chiếu ảnh quang như thường lệ lên tấm phim, nhưng qua tấm thủy tinh của nó với chất nhũ tương hầu như trong suốt có các hạt rất tinh ở mặt sau. Rồi ông thêm hiệu ứng giao thoa bằng cách đặt một gương thủy ngân tiếp xúc với nhũ tương. Hình ảnh đi qua nhũ tương, chạm tới gương, và rồi phản xạ ánh sáng trở lại nhũ tương. Chiều dày thích hợp của lớp phim này tương ứng với khoảng chục bước sóng hoặc nhiều hơn. Hình ảnh chiếu lên tấm phim không phơi thẳng trên nhũ tương theo sự phân bố chiếu xạ cục bộ. Thay vì vậy, sự phơi sáng được mã hóa khi trường sóng quay trở lại bên trong nhũ tương và tạo ra sóng đứng, chúng có nút cho sự phơi sáng ít, còn bụng thì cho hiệu ứng cực đại. Vì thế, sau khi phát triển, lớp phim chứa chừng hai chục hoặc nhiều hơn lớp hạt bạc với chu kì khác nhau đối với những màu khác nhau trong hình ảnh.



Khi, sau phát triển, ánh sáng được chiếu lên tấm phim phản xạ, nó sẽ bị tán xạ tại những hạt bạc này theo mọi hướng. Theo hướng sóng đứng hình thành, trường ánh sáng tán xạ có bước sóng bằng chu kì của các lá kính sẽ đồng pha nhau, giao thoa tăng cường, và cùng tạo ra ảnh màu sắc nét. Các loài côn trùng và bướm tao nhã nhất định có những phiến mỏng tuần hoàn như thế mà không hề biết gì về cơ sở quang học của sự tán xạ hay nhiễu xạ.
Chúng ta thấy thực chất dạng ghi ảnh này xây dựng trên một quá trình hai bước có hệ thống của sự giao thoa và nhiễu xạ: ban đầu mã hóa hình ảnh thành vân giao thoa, và sau đó tái tạo hình ảnh bằng sự nhiễu xạ trên vân giao thoa này.

Phương pháp chụp ảnh ba chiều của Gabor

Cũng nguyên tắc hai bước đó áp dụng cho ý tưởng của Gabor về việc tái tạo mặt sóng.
Từ Lippmann, chúng ta đã biết làm thế nào ghi và tái tạo thông tin màu lên một hình phẳng tiếp xúc với tấm phim. Nếu Gabor muốn tái tạo các mặt sóng trong không gian ba chiều, ông cần một trường nhìn, và chúng ta tưởng tượng ông loại bỏ được ngưỡng bước sóng. Quá trình được thực hiện trong ánh sáng đơn sắc. Sự tham chiếu cho giao thoa không còn là sự phản xạ của chính trường ảnh (trong kĩ thuật chụp ảnh giao thoa thường gọi là trường vật) mà nó được mang lại bằng một trường tham chiếu độc lập. Góc giữa trường tham chiếu và bất kì điểm nào tính từ trường vật xác định chu kì và sự định hướng của cấu trúc giao thoa thu được, phức tạp hơn nhiều, cái ông gọi là “ảnh không gian giao thoa”. Điều này cũng có nghĩa là để thu được sự giao thoa tươm tất, chiều dài kết hợp phải lớn hơn hiệu đường đi giữa hai điểm bất kì tại trường vật và trường tham chiếu.



Cơ cấu thực hiện chụp ảnh giao thoa. Ánh sáng phát ra từ laser ở phía dưới bên trái. Từ gương và thấu kính ở phía trên bên trái, nó rọi sáng vật, một cái loa phóng thanh, ở chính giữa. Cái loa làm phân tán ánh sáng sang tấm phim đối diện với nó. Vì không có thấu kính nào tại nơi chiếu ảnh, nên sự rọi sáng từ loa sang tấm phim khá đều. Tuy nhiên, một phần của chùm laser bị tách ra làm trường tham chiếu tại gương trong suốt một phần, và nó gặp trường vật tại bản phim sau cùng khoảng thời gian truyền. Hai trường khi đó giao thoa và cùng phơi sáng một vân sóng đứng phức tạp trong nhũ tương. Sau phát triển, một mình trường tham chiếu rọi lên phim và trở nên điều biến cấu trúc, tức là giao thoa ba chiều. Ánh sáng được phân bố vào vài trường nhiễu xạ, trong đó có một cái gọi là trường tái tạo truyền qua tấm phim là bản sao của trường vật trước đó chạm tới phim. Theo cách này, thuật chụp ảnh giao thoa đóng vai trò giống như một cửa sổ có trí nhớ.
Tại sao lại là ảnh ba chiều của một cái loa phóng thanh ? Cấu hình trên minh họa một trong những ứng dụng kĩ thuật quan trọng của thuật chụp ảnh giao thoa ba chiều, đó là phép phân tích dao động. Bằng cách sử dụng giao thoa kế chụp ảnh ba chiều, hình ảnh mode dao động có thể làm cho nhìn thấy trên bất cứ mặt nào, giống hệt như cát ở trên màng phẳng trong hình ảnh Chladni hơn 200 năm trước đây.
Khi Gabor nghĩ ra quá trình tái tạo đầu sóng năm 1948, rồi dự định hiệu chỉnh sắc sai trong kính hiển vi điện tử, thì đèn hồ quang thủy ngân có trên thị trường khi đó đã hạn chế tính khả thi quang học của ông muốn làm thí nghiệm với vật có kích thước vài mili mét. Đột phá đến lần đầu tiên vào năm 1963 khi Leith và Upatnieks tại Đại học Michigan chứng minh được hình ảnh ba chiều từ thuật chụp ảnh giao thoa thực hiện bằng laser. Một điểm sáng nghệ thuật trở thành thuật chụp ảnh giao thoa chân dung của Gabor thực hiện với một laser xung vào mùa xuân năm 1971; thể tích của không gian vật là vài mét khối.



Cơ cấu chụp ảnh giao thoa ba chiều cỡ lớn tương tự như cơ cấu minh họa với cái loa phóng thanh. Ở đây chúng ta thấy là đầu năm 1971, Dennis Gabor ngồi tại bàn giải thích thuật chụp ảnh giao thoa ba chiều và bảo quản sự sống vĩnh cửu 3-D qua một tấm phim kiểu Lippmann 50x60cm. Tấm phim giữ trước mặt Gabor, ngay ở chính giữa cơ cấu trong hình.
Hình nhỏ góc dưới: Ảnh của Gabor nhìn qua thuật chụp ảnh giao thoa ba chiều.

Gabriel Lippmann

Gabriel Lippmann là người Pháp, sinh năm 1845 ở Hollerich, Luxembourg, và mất năm 1921. Ông trưởng thành và học tập ở Paris. Trong số nhiều sở thích của ông, ông nghiên cứu văn học Pháp và Đức, và lấy bằng tiến sĩ triết học ở Đức năm 1874. Năm 1875, ông lấy một bằng tiến sĩ nữa, về khoa học nói về điện kế mao dẫn tại Sorbonne. Ông đảm nhận các vị trí giảng viên đại học ở Paris từ 1878 đến cuối đời ông.
Có một giai thoại phát sinh từ các hoạt động của Lippmann: Trong phòng thí nghiệm của ông, Lippmann đã dung dưỡng một sinh người Ba Lan trong nghiên cứu của cô ta, Marie Sklodowska. Ông cũng giới thiệu cô ta với người cộng tác của ông về hiện tượng áp điện, Pierre Curie. Hai người họ lấy nhau năm 1895, và kết quả nghiên cứu của gia đình Curie, gồm cả con gái Irène và con rể Frédéric Joliot, cuối cùng mang lại năm giải Nobel về sự phóng xạ.
Nhờ giải Nobel, Lippmann nổi tiếng trước công chúng vì quá trình chụp ảnh màu mang tên ông. Trong khoa học, ông nổi tiếng với nhiều phát triển trong khoa học đo lường, thiên văn học và địa chấn học. Một trong số chúng là coelostat, dụng cụ dùng trong kính thiên văn để giữ cho ảnh ngôi sao ở một nơi trong thời gian phơi sáng lâu tùy ý.
Một trong những phát minh khác của ông trong quang học là “phép chụp ảnh toàn cảnh” mà ông công bố vào năm 1908. Khi kĩ thuật chụp ảnh giao thoa ba chiều vào cuối thập niên 1960 một lần nữa bừng lên niềm đam mê lớn đối với ảnh ba chiều, các nhà khoa học và nhà phát minh lại nhớ tới ý tưởng của Lippmann. Mục tiêu của ông là tạo ra hình ảnh mà với nó nhà quan sát có thể chịu thị sai biến thiên khi di chuyển mắt theo hướng ngang và thẳng đứng. Giải pháp của ông là nhìn vào sự hiển thị ảo của một mẫu tuần hoàn gần như liên tục của các bộ kính camera nhỏ, từng kính sẽ ghi hình của vật tại hướng của nó.

Dennis Gabor

Dennis Gabor là người Hungary, sinh năm 1900 ở Budapest, trở thành người Anh, qua đời năm 1976 ở London. Ông lấy mảnh bằng phát minh đầu tiên của ông lúc lên tuổi 11, lấy văn bằng kĩ sư điện năm 1924 tại Technishche Hochschule ở Berlin, và bằng tiến sĩ năm 1927 với luận án về dao động kí tia cathode tốc độ cao. Ông làm việc tại Siemens & Halske, phát triển các ống phóng điện khí.
Có một không khí nghiên cứu rất sôi nổi ở Berlin trong những năm tháng này, với những chủ đề nóng bao gồm kính hiển vi điện tử của các nhà tiên phong Knoll và Ruska – Ernest Ruska nhận giải Nobel vật lí năm 1986 – và kĩ thuật điện ảnh, những lĩnh vực mà nhiều năm sau này, Gabor trở lại có đóng góp lớn.
Khi Hitler lên nắm quyền, Gabor rời Berlin và cuối cùng sang làm việc ở Anh năm 1934 với công ti Anh Thomson-Houston. Ông tiếp tục phát triển ống phóng điện khí. Sau chiến tranh, ông còn nghiên cứu về lí thuyết truyền thông, kĩ thuật điện ảnh lập thể, và một ý tưởng mới, dựng lại mặt sóng mà ông xem là cách giải cho bài toán sắc sai trong kính hiển vi điện tử. Từ năm 1949, Gabor gia nhập trường Khoa học và Công nghệ Imperial College ở London, ở đó ông trở thành giáo sư vật lí điện tử ứng dụng.
“Dựng lại mặt sóng” là một trong nhiều ý tưởng của Dennis Gabor, người có tính chất sau cùng phải chờ lời giải của những bài toán, cùng tài năng và thành tích của những nhà nghiên cứu khác.

Đồng hành trong cuộc sống

Lippmann và Gabor có nền tảng trí tuệ như nhau, và trưởng thành và làm việc trong môi trường đa văn hóa.
Trong sự nghiệp của họ, họ không nghiên cứu về một câu hỏi lớn tồn tại trong cuộc sống mà về nhiều dự án khác nhau, trong đó có vài dự án rất thành công. Ngoài nghiên cứu cơ bản trong khoa học, bộ phận quan trọng trong những nỗ lực của họ là phát minh và hệ thống hóa công nghệ. Cả hai đều lấy nhiều bằng phát minh.
Việc thực thi đầy đủ những ý tưởng của họ đòi hỏi những giải pháp mới, nhất là các chất ghi ảnh và nguồn sáng: Trong những năm tháng nghiên cứu vất vả, Lippmann đã trau chuốt quá trình chụp ảnh riêng của ông, “kính ảnh Lippmann” có độ phân giải cực kì cao, vẫn được sản suất ngày nay. Ngoài ra, nhiếp ảnh màu, tất nhiên, yêu cầu các tấm phim toàn sắc; để mở rộng độ nhạy trên toàn vùng phổ khả kiến, Lippmann hợp tác với anh em Lumière, lúc đó dân đầu các nhà sản suất kính ảnh ở châu Âu. Đối với phát minh của Gabor, việc ghi mặt sóng cần bức xạ có mức độ kết hợp cao không có sẵn trong tự nhiên. May thay trong thế hệ các nhà nghiên cứu tiếp theo, nguyên lí laser đã mang lại một ánh sáng như thế, và thuật chụp ảnh giao thoa ba chiều đột ngột gây tiếng vang. Đối với điều kiện tiên quyết khác, đó là kính ảnh có độ phân giải cực kì cao, Lippmann đã tạo ra chúng trước năm 1900.
Nhiều nhà nghiên cứu nhất định sẽ, với sự hiểu biết, đọc thấy tiếng thở dài của Lippmann ở cuối bài thuyết trình Nobel của ông: “Cuộc sống thì ngắn ngủi và tiến bộ thì chậm chạp”.

Cái gì xuất hiện trong cuộc đua trường kì ?

Kĩ thuật nhiếp ảnh Lippmann không thể nào tránh khỏi sự bất lợi của những tấm phim độ phân giải cao yêu cầu thời gian phơi sáng từ hàng phút đến hàng giờ. Tuy nhiên, luận chứng của Lippmann và tính khả thi của việc chụp ảnh màu tự nhiên đã kích thích lòng khát khao vươn tới những công nghệ như thế. Anh em nhà Lumière đã phát triển, song song với công việc họ thực hiện cho Lippmann, một quá trình của riêng họ, dựa trên những bộ lọc trong suốt ở ba màu (trong cấu trúc tương tự như màn hình ti vi ngày nay). Phương pháp “kính ảnh màu” của họ chiếm ưu thế trong thập niên 1930, rồi bị thay thế bởi công nghệ nhiếp ảnh màu hiện nay, phát ra khối thuốc nhuộm trong ba lớp phim trong khi phát triển. Tuy nhiên, kĩ thuật nhiếp ảnh Lippmann vẫn giữ được sự quan tâm cao độ trong khoa học và giảng dạy; không hề có cách nào khác ghi ảnh phổ một cách chính xác.
Năm 1962, người Nga Y.N. Denisyuk đã nhận ra mối quan hệ của các nguyên lí trong phương pháp ghi ảnh của Lippmann và của Gabor. Ông đề xuất một kết hợp sử dụng kính ảnh Lippmann dùng cho tạo ảnh ba chiều trong sự phản xạ. Với sự xuất hiện của kĩ thuật chụp ảnh giao thoa laser, phát minh của Denisyuk trở thành thực tiễn là “kĩ thuật chụp ảnh giao thoa ba chiều ánh sáng trắng” hay “kĩ thuật chụp ảnh giao thoa ba chiều Lippmann”.
Cơ cấu dựng lại mặt sóng của Gabor là một nguyên lí mới trong quang học. Tuy nhiên, việc áp dụng cho thấu kính kính hiển vi điện tử đã không được nhận ra, và ý tưởng đó chỉ giới hạn trong các sách giáo khoa tiên tiến về quang học. Tình huống thay đổi theo một kiểu bất ngờ khi Leith và Uptanieks vào năm 1963, đưa ra những tấm hình ba chiều thật sự, gây xôn xao dư luận thực hiện bằng kĩ thuật ghi ảnh giao thoa laser. Sự trông đợi lớn mọi bức ảnh trở thành ba chiều được khuấy động qua kĩ thuật chụp ảnh giao thoa. Công nghệ đó đạt tới đỉnh cao ở bức chân dung ba chiều chụp Dennis Gabor vào đầu năm 1971. Tuy nhiên, hình ảnh ba chiều không làm phát sinh nhu cầu thương mại. Thay vì vậy, chúng có những ứng dụng bất ngờ khác: với thuật chụp ảnh giao thoa, mặt sóng thuộc bất kì loại nào đều có thể so sánh bằng sự giao thoa, không chỉ bằng thấu kính và gương. Kể từ cuối thập niên 1970, kĩ thuật giao thoa ba chiều là một công nghệ đo lường tiêu chuẩn cho việc phân tích biến dạng và dao động, ngày nay chúng được cải tiến thêm qua thuật chụp ảnh kĩ thuật số trực tuyến và máy tính nhanh. Thật thú vị, laser và máy tính đã mang thuật nhiếp ảnh giao thoa trở lại gần với áp dụng ban đầu của Gabor, mang lại các bộ phận quang nói chung, các cách tử giao thoa ba chiều, thấu kính tia X giao thoa ba chiều, quang học nhiễu xạ lai, nhận dạng mẫu quang, và vân vân. Nhiếp ảnh ba chiều do máy tính tạo ra có thể định cỡ các bề mặt quang hay cơ kì lạ cho đến một mặt sóng chỉ được công nhận trên toán học, hay tạo ra các bộ phận quang kì lạ, ví dụ như máy hát CD, màn hình hội tụ hay dụng cụ tự tiêu cho camera. Ngày nay, có nhu cầu thương mại thật sự về nhiếp ảnh giao thoa dát mỏng trên các loại thẻ, giấy tờ tùy thân, giấy bạc, và xác minh loại hàng hóa. Những hình ảnh ba chiều này được dập nổi trên bề mặt nhưng cũng chạm sâu vào như nhiếp ảnh Lippmann. Hiện nay, các nhà mơ tới những khối tinh thể nhỏ khi nhiếp ảnh giao thoa cho bộ nhớ dữ liệu có dung lượng cực cao và thông lượng song song. Ngoài những ứng dụng hoàn toàn mới, nhiếp ảnh của Gabor đã có sự đóng góp lớn cho việc tìm hiểu quang học; hầu như mọi học sinh ở trường phổ thông đều biết tạo ảnh giao thoa ba chiều như một bài thực hành trong phòng thí nghiệm.