Đại học Harvard sử dụng công nghệ nano để phát triển ống kính phẳng chống méo hình

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Harvard vừa phát minh ra thấu kính phẳng chống méo hình

Ngoài trừ mục đích tạo hiệu ứng nghệ thuật (ví dụ ống kính mắt cá), tất cả các ống kính quang học trên thị trường (đặc biệt là trên các máy ảnh) đều có gắng giảm độ méo ảnh ở rìa ống kính. Đáng tiếc là do đặc điểm vật lý và quá trình chế tạo, hiện tượng trên không thể được loại bỏ hoàn toàn. Tuy nhiên tình hình có thể thay đổi khi nghiên cứu mới nhất của các nhà khoa học tại Đại học Kỹ thuật và Khoa học ứng dụng, thuộc đại học Harvard vừa cho ra đời một thế hệ ống kính siêu mỏng và gần như nằm trên một mặt phẳng. Nhờ đó, ống kính này có thể hội tụ một chùm sáng mà không làm thay đổi tương quan giữa các pha truyền cho phép nó tạo ra các hình ảnh hoàn hảo trên các tấm phim hay cảm biến sáng.

Trước khi đi tìm hiểu chi tiết về loại ống kính mới, bạn hãy cùng Tinh Tế xem xét bản chất vật lý của thấu kính và hiện tượng việc hình ảnh bị méo sau khi truyền qua nó.

Bản chất vật lý của ống kính

Bản chất của thấu kính là do quá trình khúc xạ ánh sáng qua các lăng kính nhỏ, nó cũng là một trong những nguyên nhân khiến hình ảnh thu được không đồng dạng hoàn toàn với vật thật

Như chúng ta đã biết, mỗi thấu kính quang học truyền thống (phân kỳ hay hội tụ) là tập hợp của rất nhiều các lăng kính nhỏ. Mỗi lăng kính có tác dụng khúc xạ các tia sáng truyền qua nó. Nhờ đó chùm sáng có thể bị hội tụ hoặc phân kỳ tùy thuộc vào vật liệu, hình dạng và cách người ta sản xuât thấu kính. Tuy nhiên, để có thể tạo một thấu kính thì ít nhất một mặt của miếng vật liệu phải có dạng hình cầu (lõm hoặc lồi). Do đó, về mặt nguyên tắc toàn bộ thấu kính không có độ dày giống nhau.

Các hiện tượng quang học ảnh hưởng tới chất lượng hình ảnh

Việc tia sáng bị trễ pha khi đi qua ống kính giống như trường hợp nó truyền qua một bản mặt song song

Bản chất của các hiện tượng quang học không mong muốn xảy ra trên các thấu kính nằm ở chính hình dạng của chúng. Vì độ dày tại các khu vực khác nhau trên thấu kính không giống nhau nên tại mỗi vị trí nó sẽ bẻ đường đi của ánh sáng theo các cách khác nhau. Để dễ hình dung, các bạn hãy nhớ lại bài toán đặt một bản mặt song song trên đi của một chùm sáng trong thí nghiệm Young ở phổ thông. Do bản mặt này mà hai chùm sáng chiếu từ hai nguồn đồng pha sẽ có độ lệnh khác nhau khi đi tới màn chiếu. Ở trong trường hợp này cũng vậy, ngoài độ lệnh pha khi các chùm sáng đi qua thấu kính, đường đi của chúng cũng bị thay đổi tùy thuộc vào loại ánh sáng (đỏ, da cam, vàng ...) và độ dày. Vì thế, nếu không tính toán được chính xác thì khi các chùm sáng được hứng trên màn (hoặc phim cảm biến ...) chúng sẽ tạo ra các ảnh không hoàn toàn đồng dạng với vật phát sáng. Kết quả như chúng ta thấy là hình ảnh sẽ bị méo, và càng ở rìa thì độ méo càng lớn. Nguyên nhân là do ở vùng gần biên của thấu kính sự không tương đồng của tính chất quang học thể hiện rõ hơn.

Một nhược điểm nữa xuất hiện ở vùng rìa thấu kính là hiện tượng sắc sai. Đó là việc ánh sáng bị khúc xạ mạnh và tách thành các chùm sáng đơn sắc, khiến hình ảnh tạo ra ở khu vực này vốn đã không trung thực nay lại càng tệ hơn. Nếu mem nào của Tinhte.vn đã từng hì hục chế tạo các kính thiên văn loại nhỏ sẽ nhìn thấy hiện tượng này một cách rõ nét nhất (do các kính mua rời trên thị trường thường có chất lượng thấp hơn nhiều so với sản phẩm thương mại hoàn chỉnh).

Để khắc phục những bất tiện trên thì các nhà sản xuất (đặc biệt là các hãng máy ảnh) thường tạo ra các ống bằng cách ghép nhiều thấu kính liên tiếp. Họ cũng phủ lên mặt kính một lớp mỏng đặc biệt để giảm hiện tượng sắc sai, đó là lý do tại sao bạn thường thấy trên ống kính máy ảnh một lớp bóng với nhiều màu tím, xanh ... Với các ống fix (có tiêu cự cố định) việc tính toán bố trí hệ thấu kính và sử dụng chất giảm sắc sai tương đối chính xác (do chỉ có một tiêu cự) nên sự lệnh pha của các tia sáng được phân bố hợp lý và độ méo thấp. Vì thế bạn có thể thấy rõ chất lượng quang học của các ống này tốt hơn nhiều so với các ống đa năng (có thể zoom được) ngay cả thi chụp ở cùng tiêu cự.

Phương thức chế tạo ống kính mới tại Harvard

Cấu trúc vàng-silicon chỉ dày khoảng 60 nano mét làm cho ống kính gần như nằm trong một mặt phẳng hai chiều

Thay vì điều chỉnh độ trễ pha của ánh sáng dựa vào kích thước ngang của các thấu kính hoặc hệ thấu kính như các nhà sản xuất đang thực hiện, giáo sư Robert L. Wallace ở Harvard cho biết: sự khác biệt ở đây là chúng tôi thực hiện việc điều chỉnh pha trực tiếp ngay trên bề mặt của thấu kính. Để hiện thực hóa ý tưởng, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một thấu kính siêu mỏng với độ dày đồng nhất là 60 nano mét (1 nano mét=1/tỷ mét), cấu trúc gần như nằm hoàn toàn trong mặt phẳng hai chiều.

Biểu đồ độ trễ pha của laser khi đi qua các vùng của thấu kính

Đầu tiên các nhà khoa học mạ một lớp vàng có kích cỡ nano mét lên một đế silicon siêu mỏng. Tiếp theo họ loại bỏ một phần của lớp mạ vàng để tạo ra một bề mặt rất phẳng. Sau đó họ chiếu một chùm tia laser lên ống kính vàng-silicon, thiết bị này sẽ trở thành một ăng ten có kích thước nano giúp hấp thụ ánh sáng. Nó sẽ làm chậm pha các đường truyền tia tới trong thời gian ngắn trước khi giải phóng chùm tia ló. Do đặc tính của bề mặt ống kính, sự trễ pha tại mỗi điểm được điều chỉnh chính xác và cho phép thay đổi đường truyền của ánh sáng giống như các lens thông thường.

Tuy nhiên, nó tạo ra một sự khác biệt quan trọng là không làm méo hình ảnh. Các lỗi do độ không ổn định về độ dày cũng như hiện tượng quang sai và cầu sai cũng tự động biến mất. Nhờ đó, thấu kính nano vàng-silicon tránh được hiệu ứng mắt cá (fish-eye) thường thấy ở các ống kính siêu rộng (super-wide). Kết quả là các hình ảnh tượng tạo ra một cách mà không cần áp dụng thêm một kỹ thuật hiệu chỉnh phức tạp nào. Một ưu điểm nữa là quá trình chế tạo ống kính tương đối đơn giản nên nó cho phép sản xuất ra sản phẩm với giá thành không lớn và khả năng áp dụng rộng rãi.

Được biết, hiện ống kính nano trên có thể hoạt động tốt với với các bước sóng viễn thông (tức từ vùng hồng ngoại tới vài terahertz).

Nguồn: Harvard