Cách toán học giải quyết vấn đề 2.000 năm tuổi trên ống kính máy ảnh

Viền mềm (soft edge) vẫn luôn là vấn đề của nhiếp ảnh kể từ khi camera được phát minh. Camera dù chất lượng cao đến mấy thì theo toán học đường cong của ống kính quang học (optical lens) luôn luôn tạo ra những bức ảnh có viền và góc không nét bằng khu vực trung tâm. Vấn đề vẫn tồn tại cho đến khi Rafael G. González-Acuña, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Tecnológico de Monterrey của Mexico giải quyết được.

Vấn đề xảy ra từ hàng ngàn năm trước và được nhắc đến đầu tiên bởi nhà toán học người Hy Lạp, Diocles. Ông sinh ra cùng thời với nhà triết học và bác học thời Hy Lạp cổ đại – Aristotle. Diocles từng viết một cuốn sách có tựa đề Burning Mirrors trong đó có mô tả về thuật ngữ ‘cầu sai'.

Trên lý thuyết, những thành phần kính cong có thể thu nhận được ánh sáng từ nhiều hướng, sau đó hội tụ tại một điểm (ở máy ảnh thì điểm đó chính là cảm biến). Thế nhưng ánh sáng khi đi xuyên qua kính thường gặp hiện tượng phản xạ, khúc xạ; tệ hơn là các hiện tượng này diễn ra ở các mức độ khác nhau ở những vị trí ống kính. Chính vì vậy khi chụp hình, ánh sáng sẽ được hội tụ tốt hơn ở tâm ảnh khi ánh sáng chạy thẳng, nhưng sẽ không hề hoàn hảo ở những phần khác. Khiếm khuyết này của ống kính, ngay cả trên model cao cấp nhất, cũng không loại bỏ hoàn toàn được quang sai.

Kể từ khi Diocles đưa ra vấn đề, chưa có ai trong lịch sử có thể tìm thấy câu trả lời thỏa đáng.

Cho đến khi Héctor A. Chaparro-Romo, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học tự trị quốc gia Mexico (UNAM), linh cảm vấn đề có thể giải quyết được. Vì vậy, từ năm 2016 Chaparro-Romo bắt đầu nghiên cứu giải pháp và cuối cùng đã mời González-Acuña tham gia cùng.

"Tôi còn nhớ, một buổi sáng khi đang dùng bữa thì đột nhiên tôi hét to lên rằng: Mẹ ơi ! Tìm ra rồi!", González-Acuña nói.

Vậy, González-Acuña đã làm thế nào để giải quyết được vấn đề quang sai? Bằng cách sử dụng một công thức toán học cực kỳ phức tạp. Công thức này đã được đăng lên một bài báo với tiêu đề General Formula for Bi-Aspheric Singlet Lens Design Free of Spherical Aberration (Tạm dịch: Công thức chung cho thiết kế thấu kính đơn hình cầu không có cầu sai) trên tạp chí Applied Optics (Ứng dụng Quang học). Và trông nó cồng kềnh giống như hình dưới đây:

González-Acuña chia sẻ: "Trong phương trình này, chúng tôi mô tả cách thức bề mặt phẳng thứ hai của một ống kính cho trước được trang bị thêm mặt phẳng số một, do người dùng cung cấp, cũng như khoảng cách hình ảnh chủ thể. Bề mặt thứ hai sửa được tất cả các quang sai sinh ra từ bề mặt thứ nhất, giúp loại bỏ vấn đề cầu sai".

Công thức của González-Acuña có khả năng ứng dụng cao trên thực tế. Vượt trên cả nhu cầu của người dùng bình thường, nó có thể tạo ra các ống kính sắc nét hơn cho các thiết bị khoa học và y tế, từ kính viễn vọng đến kính hiển vi.

Đông Mai theo Popular Mechanics