Camera không thấu kính cho ra hình ảnh 3D

Dựa trên nguyên lý hình ảnh lỗ kim đã có từ hàng thế kỷ, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Tăng Hòa Bình (Đại học Sư phạm Hoa Đông, Trung Quốc) dẫn đầu đã phát triển hệ thống hình ảnh hồng ngoại tầm trung hiệu suất cao, hoạt động không cần thấu kính.

Hệ thống mới cho ra hình ảnh cực kỳ sắc nét ở nhiều khoảng cách lẫn điều kiện ánh sáng yếu, vì vậy rất phù hợp với những môi trường mà camera thông thường gặp khó khăn. Theo ông Tăng: “Nhiều tín hiệu hữu ích nằm ở vùng hồng ngoại tầm trung, chẳng hạn nhiệt hay dấu hiệu phân tử. Nhưng camera hoạt động trong bước sóng này thường bị nhiễu, tốn kém hoặc cần được làm mát. Hơn nữa thiết lập truyền thống dựa trên thấu kính có độ sâu trường ảnh hạn chế và đòi hỏi được thiết kế cẩn thận để giảm thiểu biến dạng quang học . Giờ đây chúng tôi phát triển thành công phương pháp độ nhạy cao, không cần thấu kính, đem lại độ sâu trường ảnh và trường nhìn lớn hơn nhiều so với các hệ thống khác”.

Nhóm sử dụng ánh sáng tạo lỗ kim quang học cực nhỏ bên trên một tinh thể phi tuyến tính. Tinh thể này chuyển đổi hình ảnh hồng ngoại thành hình ảnh nhìn được. Với kỹ thuật này họ cho ra hình ảnh hồng ngoại tầm trung rõ nét đạt độ sâu trường ảnh lớn hơn 35cm và trường nhìn lớn hơn 6cm. Thiết lập tương tự cũng cho phép chụp ảnh 3D .

Nghiên cứu sinh Hoàng Khôn thành viên nhóm nghiên cứu cho biết: “Phương pháp mới có thể tăng cường an toàn ban đêm, kiểm soát chất lượng công nghiệp cũng như giám sát môi trường. Vì sử dụng quy trình quang học đơn giản cùng cảm biến silicone tiêu chuẩn, nên phương pháp sẽ giúp các hệ thống hình ảnh hồng ngoại trở nên hợp túi tiền hơn, di động hơn, tiết kiệm năng lượng hơn. Nó thậm chí có thể được áp dụng với các dải quang phổ khác như bước sóng hồng ngoại xa hoặc terahertz – khoảng mà thấu kính khó chế tạo hoặc hoạt động kém”.

Hệ thống hình ảnh hồng ngoại không cần thấu kính – Ảnh: Kun Huang, East China Normal University

Nguyên lý hình ảnh lỗ kim

Chụp ảnh qua lỗ kim là phương pháp tạo ảnh sớm nhất được biết đến, lần đầu tiên được mô tả bởi triết gia người Trung Quốc Mặc Tử vào thế kỷ thứ 4 trước Công nguyên. Ở máy ảnh truyền thống, ánh sáng đi vào qua một lỗ nhỏ trong hộp kín và chiếu hình ảnh ngược của cảnh bên ngoài lên bề mặt bên trong đối diện với lỗ. Không như hệ thống dựa vào thấu kính, hình chụp bằng phương pháp lỗ kim không bị biến dạng, cung cấp độ sâu trường ảnh không giới hạn và hoạt động trên phổ bước sóng rộng.

Để công nghệ hình ảnh hồng ngoại hiện đại có được những lợi ích trên, nhóm tạo lỗ kim quang học trên tinh thể phi tuyến tính bằng tia laser mạnh. Nhờ đặc tính quang học độc đáo của tinh thể mà hình ảnh hồng ngoại được chuyển đổi thành hình ảnh thấy được, cho phép camera silicone thông thường chụp lại.

Theo nhóm nghiên cứu, tinh thể với cấu trúc chu kỳ chirp (tiếp nhận ánh sáng từ nhiều góc độ khác nhau) đóng vai trò then chốt việc tạo ra trường nhìn rộng. Ngoài ra phương pháp phát hiện chuyển đổi ngược giúp giảm nhiễu, cho phép hệ thống hoạt động hiệu quả ngay cả ở điều kiện ánh sáng rất yếu.

Sau khi xác định lỗ kim quang học bán kính khoảng 0,20mm cho ra hình ảnh rõ nét, nhóm sử dụng kích thước khẩu độ này để chụp mục tiêu cách xa 11cm, 15cm, 19cm. Ở mọi khoảng cách họ đều chụp được ảnh rõ nét với bước sóng hồng ngoại trung bình 3,07m. Ảnh chụp mục tiêu xa 35cm cũng không mờ nhòa, chứng tỏ độ sâu trường ảnh lớn.

Chụp ảnh 3D

Dùng hệ thống mới chụp 3D, nhóm nghiên cứu thu về hình ảnh với độ chính xác cao dù ở điều kiện ánh sáng yếu. Hiện tại hệ thống mới chỉ ở giai đoạn phát triển ban đầu, vẫn cần thiết lập laser tương đối phức tạp và cồng kềnh. Tuy nhiên khi có vật liệu phi tuyến tính cùng nguồn sáng tích hợp mới, công nghệ sẽ trở nên nhỏ gọn và dễ triển khai hơn.

Nhóm đang cố gắng cải tiến để hệ thống hoạt động nhanh hơn, nhạy hơn và thích ứng với nhiều tình huống chụp ảnh khác nhau. Họ đặt mục tiêu tăng hiệu suất chuyển đổi, bổ sung tính năng điều khiển động nhằm điều chỉnh lỗ kim quang học, mở rộng phạm vi hồng ngoại có thể hoạt động.