Giải thưởng dành cho những con người làm chủ ánh sáng

Khi Giải Nobel Vật lý được công bố tại Stockholm , phần lớn những người quan tâm trên thế giới đã nhận được thông điệp này gần như tức thời. Với tốc độ gần bằng tốc độ của ánh sáng, tốc độ cao nhất của mọi tốc độ, thông điệp đã lan truyền khắp thế giới. Văn bản, các hình ảnh, các diễn văn và các video chảy trong sợi quang học và lan truyền trong không gian, và được thu nhận gần như tức thời tại các thiết bị nhỏ và tiện nghi. Đó chính là điều mà nhiều người đã được hưởng lợi. Sợi quang học đã trở thành một điều kiện tiên quyết đối với sự phát triển cực nhanh trong lĩnh vực kết nối và truyền dẫn, một sự phát triển đã được Charles Kao tiên đoán từ hơn 40 năm trước.

Vài năm sau, Willard Boyle và George Smith đã thay đổi một cách gốc rễ các điều kiện đối với lĩnh vực nhiếp ảnh, vì phim giờ đây không còn cần thiết trong các thiết bị ghi hình (camera) mà tại đó các hình ảnh được bắt giữ một cách điện tử với một thiết bị có tên là cảm biến ghi hình. Con mắt điện tử, CCD, trở thành công nghệ thành công thực sự đầu tiên đối với việc truyền tải kỹ thuật số của các hình ảnh. Điều này đã mở ra một cánh cửa cho dòng chảy hàng ngày của các hình ảnh đang lấp đầy các cáp sợi quang học. Chỉ sợi quang học mới có đủ khả năng đáp ứng việc truyền tải một lượng lớn các dữ liệu mà công nghệ cảm biến ghi hình điện tử thu được.

Nắm bắt ánh sáng

Các hiệu ứng của ánh sáng trong thuỷ tinh hay trong nước đã được phát hiện ra sớm hơn nhiều. Từ khoảng 4500 năm trước, thuỷ tinh đã được chế tạo tại Mesopotamiavà Ai Cập. Những người thợ thuỷ tinh lành nghề ở Venise dường như đã không bỏ qua những biến đổi lộng lẫy và kỳ diệu của những tia sáng xuất hiện trong những hình trang trí xoắn ốc của họ. Những sản phẩm thuỷ tinh có nhiều mặt cắt đã được sử dụng trong các giá đỡ nến và trong những đèn chùm pha lê và bí mật huyền diệu của cầu vồng đã kích thích trí tưởng tượng của nhiều người từ trước khi các định luật quang học đưa ra câu trả lời trong thế kỷ 17. Tuy nhiên, cũng phải đến hơn 100 năm sau đó, những ý tưởng này mới bộc lộ và con người đã bước đầu thành công trong các cố gắng để nắm bắt được các tia sáng.

Một tia sáng Mặt trời chiếu vào nước bị bẻ gẫy khi nó chạm vào bề mặt phân cách giữa hai môi trường vì chiết suất của nước cao hơn chiết suất của không khí. Nếu hướng của chùm sáng bị đảo ngược, hành trình từ nước vào không khí, chùm sáng hoàn toàn có thể sẽ không đi vào không khí mà thay vì nó phản xạ ngược lại nước và tạo nên hiện tượng phản xạ toàn phần. Chính hiện tượng này thiết lập cơ sở của công nghệ dẫn sóng quang học mà trong đó ánh sáng bị bắt giữ bên trong một sợi dẫn quang với chiết suất cao hơn môi trường xung quanh.

Những sợi quang học thô sơ và ngắn dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần đã được chế tạo và được sử dụng trong các thiết bị nội soi từ những năm 30. Tuy nhiên, đối với sự truyền dẫn ánh sáng khoảng cách xa, những sợi thuỷ tinh này đã từng được xem là vô dụng. Sự bùng nổ của các nhu cầu truyền thông và viễn thông đòi hỏi những năng lực truyền dẫn cao hơn vượt quá khả năng của công nghệ vô tuyến. So sánh với sóng vô tuyến, ánh sáng nhìn thấy hay hồng ngoại có năng lực tải được lượng thông tin gấp hàng chục nghìn lần, như vậy, triển vọng của các sóng ánh sáng quang học không thể bị bỏ qua lâu hơn nữa.

Truyền tải ánh sáng

George E. Smith

Tất cả các thông tin giờ đây có thể được mã hoá trong các xung ánh sáng cực ngắn, biểu diễn các chuỗi liên tiếp của các số 0 và 1. Tuy nhiên, vào những năm đó, làm thế nào để các tín hiệu đó có thể được truyền tải vượt qua các khoảng cách xa vẫn là những điều chưa được biết tới và cũng chưa được nghiên cứu – sau khoảng 20 mét, chỉ một phần trăm ánh sáng đã được đưa vào sợi quang học còn được duy trì.

Việc làm giảm sự suy hao ánh sáng trong các sợi quang học đã trở thành một thách thức đối với một người có tầm nhìn như Charles Kuen Kao. Sinh ra năm 1933 tại Thượng Hải, năm 1948 ông cùng gia đình đến định cư tại Hồng Kông. Được đào tạo ngành kỹ nghệ điện tử, ông đã bảo vệ thành công luận án tiến sĩ năm 1965 tại London . Vào thời gian đó, ông đang làm việc tại Phòng thí nghiệm viễn thông tiêu chuẩn, nơi ông tiến hành các nghiên cứu một cách tỷ mỷ về sợi thuỷ tinh cùng với một đông nghiệp trẻ là George A. Hockham. Mục đích của họ làm cách nào để một phần trăm ánh sáng đã được đưa vào sợi thuỷ tinh được duy trì sau khi nó đã được truyền đi xa 1 km. Vào tháng 1 năm 1966, Kao đã trình bày kết luận của ông rằng sự không hoàn hảo của sợi thuỷ inh là nguyên nhân chính của sự suy hao của ánh sáng được truyền tải trong sợi thuỷ tinh. Do vậy, thuỷ tinh cần phải được làm tinh khiết. Nhiệt huyết của Kao đã thúc đẩy các nhà khoa học đương thời chia sẻ cách nhìn nhận của ông về tiềm năng của quang học sợi. Và để sản xuất thuỷ tinh tinh khiết nhất trên thế giới, Kao đã chỉ ra rằng có thể sử dụng thạch anh nóng chảy, silicát nóng chảy. Các nguyên liệu này nóng chảy tại nhiệt độ xấp xỉ 2000 độ C. Người ta, từ đó, có thể kéo được những sợi thuỷ tinh siêu mảnh. Bốn năm sau, vào năm 1971, các nhà khoa học tại Corning Glass Work (doanh nghiệp chế tạo thuỷ tinh với hơn 100 năm kinh nghiệm), Mỹ, đã chế tạo thành công một sợi quang học dài 1 km.

Năm 1988, trục cáp quang đầu tiên được rải dưới đáy của Đại Tây Dương nối liền Bắc Mỹ và châu Âu. Trục kết nối và truyền dẫn quang học này có độ dài 6.000 km. Ngày nay, các dòng truyền dẫn điện thoại và dữ liệu chảy trong mạng của các sợi thuỷ tinh quang học có độ dài tổng cộng đã vượt quá 1 tỷ km.

Mắt điện tử

Trong lịch sử phát triển của khoa học và công nghệ, nhiều phát minh ra đời ngoài sự mong đợi của chính những cha đẻ của chúng. Cảm biến ghi hình CCD (thiết bị điện tích liên kết) là một ví dụ điển hình của những trường hợp đó. Không có CCD, sự phát triển của các camera kỹ thuật số sẽ được hiện thực hoá muộn hơn. Không có CCD, chúng ta sẽ không thể nhận được những hình ảnh kỳ diệu từ những miền xa xăm của vũ trụ được thực hiện bởi kính viễn vọng không gian Hubble và những hình ảnh về sa mạc đỏ của sao Hoả, hành tinh láng giềng của chúng ta.

Nhưng đó không phải là điều mà những nhà phát minh ra CCD là Willard Boyle và George Smith hình dung khi họ bắt đầu suy nghĩ về công việc của mình. Một ngày tháng 9 năm 1969, họ đã cùng phác hoạ cơ sở của một cảm biến ghi hình lên chiếc bảng đen trong văn phòng của Boyle. Vào thời điểm đó, họ hoàn toàn không có ý niệm gì về những bức ảnh. Mục đích nguyên thuỷ của họ về CCD là thiết kế một thiết bị nhớ tốt hơn, thiết bị nhớ đó ngày nay đã bị lãng quên. Thay vào đó, họ đã thành công trong việc sáng tạo nên một bộ phận cốt yếu nhất của công nghệ ghi hình hiện đại. CCD là một câu chuyện thành công khác trong kỷ nguyên điện tử của chúng ta.

Hình ảnh được số hoá

Tương tự như nhiều thiết bị khác trong công nghiệp điện tử, một cảm biến ghi hình kỹ thuật số CCD được chế tạo từ silicon. Nó có kích thước cỡ một con tem. Tấm silicon đó chứa hàng triệu các tế bào quang nhạy cảm với ánh sáng. Kỹ thuật ghi hình sử dụng hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng này xảy ra khi chùm ánh sáng chiếu vào tấm silicon và làm các điện tử văng ra. Các electron tự do, khi đó, được thu thập trong những tế bào như những chiếc giếng nhỏ đối với các electron. Lượng ánh sáng càng lớn, số electron được thu thập trong giếng càng nhiều.

Khi điện áp được đặt vào CCD, các electron trong từng giếng dịch chuyển tạo thành dòng điện, và thao tác này diễn ra liên tục theo từng hàng ngang trên CCD. Các electron lần lượt trượt ra khỏi lưới của các giếng vào một thiết bị có dạng băng chuyền. Chẳng hạn, một lưới 10x10 điểm ảnh được chuyển thành một chuỗi gồm 100 điểm. Theo tinh thần này, quá trình số hoá các ảnh quang học được thực hiện, chuyển đổi hình ảnh quang học của chùm sáng ban đầu thành các tín hiệu điện, một cách tuần tự, được dịch thành các chuỗi của các số 1 và 0. Mỗi tế bào có thể được tái tạo như một điểm ảnh (pixel). Khi độ rộng của CCD biểu diễn theo pixel được nhân với chiều cao của nó, khả năng ghi hình của cảm biến được xác định, chẳng hạn một CCD với 1280 x 1024 điểm ảnh có khả năng thu được 1.3 megapixel.

CCD hoàn trả một ảnh dưới dạng đen trắng, như vậy, các bộ lọc cần phải được sử dụng để thu được màu sắc của ánh sáng. Một dạng của bộ lọc chứa một tập hợp các màu cơ sở: đỏ, lục, lam (RGB) được đặt trên mỗi tế bào của cảm biến ghi hình. Để đáp ứng độ nhạy của mắt người, số điểm ảnh lục cần phải gấp hai lần số điểm ảnh của màu lục hay màu đỏ. Đối với kỹ thuật ghi hình tiên tiến, một số bộ lọc khác nhau có thể được sử dụng.

Khi thiết kế cơ bản của CCD được hoàn thành, người ta chỉ cần một tuần để các kỹ thuật viên lắp đặt xong phiên bản mẫu đầu tiên. Trong khi bộ nhớ đã bị bỏ quên từ lâu, CCD lại trở thành trung tâm của các kỹ thuật ghi hình kỹ thuật số.

George Smith vào làm việc tại phòng thí nghiệm Bell vào năm 1959 và đã thực hiện 30 sáng chế trong thời gian ông làm việc tại công ty. Khi nghỉ hưu vào năm 1986, ông đã có thể dành phần đời còn lại của ông cho một đam mê cả cuộc đời, đó là dạo chơi bằng thuyền buồm trên biển.

Năm 1969, Willard Boyle đã thực hiện nhiều khám phá quan trọng liên quan đến sự phát triển của laser ánh sáng đỏ liên tục đầu tiên trên thế giới. Boyle sinh tại vùng xa của Nova Scotiaở Canada và được mẹ giáo dục tại nhà cho đến khi ông 15 tuổi. Ông bắt đầu làm việc tại phòng thí nghiệm Bell vào năm 1953 và năm 1960, ông đã cùng với 400.000 nhà khoa học Mỹ làm việc trong những nỗ lực đưa con người đầu tiên lên Mặt Trăng vào ngày 20 tháng 6 năm 1969.

Camera nhiếp ảnh cho mọi người

Những ưu việt của cảm biến ghi hình điện tử đã mau chóng trở thành hiển nhiên. Vào năm 1970, nghĩa là khoảng 1 năm sau phát minh, Smith và Boyle đã có thể trình bày một CCD trong thiết bị ghi hình động (video camera) lần đầu tiên. Năm 1975, Boyle và Smith tự phát triển thiết bị ghi hình động kỹ thuật số với độ phân giải đủ cao để thực hiện các buổi truyền phát truyền hình.

Năm 1981, camera tích hợp CCD đã xuất hiện trên thị trường. Bất chấp các đặc tính nặng nề và sơ khởi của nó so với các camera hiện đại ngày nay, nó ngay lập tức thúc đẩy một quá trình số hoá mạnh mẽ định hướng thương mại trong lĩnh vực nhiếp ảnh. Năm năm sau, tức là vào năm 1986, cảm biến ghi hình 1.4 megapixel đã ra đời và cần thêm chín năm nữa, vào năm 1995, camera nhiếp ảnh kỹ thuật số tương đương phim 36mm đầu tiên trên thế giới xuất hiện. Các nhà sản xuất thiết bị nhiếp ảnh khắp thế giới nhanh chóng vào cuộc và chẳng mấy chốc, thị trường tràn ngập với các sản phẩm rẻ hơn và gọn hơn bao giờ hết. Với các camera được trang bị các cảm biến ghi hình thay vì phim, một kỷ nguyên trong lịch sử nhiếp ảnh đã kết thúc. Kỷ nguyên đó bắt đầu vào năm 1839, khi Louis Daguerre giới thiệu phát minh của ông về nhiếp ảnh dùng phim trước Viện Hàn lâm Khoa học Pháp. Ba năm trước đây, CCD đã đạt được giới hạn 100 megapixel, và, mặc dù chất lượng hình ảnh không chỉ phụ thuộc vào số điểm ảnh, việc vượt qua giới hạn này được nhìn nhận như một sự kiện mang đến cho nhiếp ảnh kỹ thuật số một bước tiến xa hơn tới tương lai.

Các điểm ảnh nhạy sáng

Ban đầu, không ai có thể dự báo rằng CCD có thể trở thành thiết bị không thể thiếu trong lĩnh vực nghiên cứu thiên văn học. Tuy nhiên, công nghệ kỹ thuật số khi các camera góc rộng trên kính viễn vọng không gian Hubble có thể gửi về Trái đất những bức ảnh kỳ diệu. Ban đầu, các cảm biến của camera chỉ chứa 0.64 megapixel. Tuy nhiên, khi bốn cảm biến được kết nối, chúng cung cấp một độ phân giải 2.56 megapixel. Đây là độ phân giải tuyệt diệu vào những năm 1980, khi kính viễn vọng không gian Hubble được thiết kế. Ngày nay, vệ tinh Kepler được trang bị một cảm biến với độ phân giải 95 megapixel và hy vọng nó sẽ khám phá các hành tinh tương tự như Trái đất xung quanh các ngôi sao ngoài hệ Mặt trời.

Ngay từ ban đầu, các nhà thiên văn học đã sớm nhận thức được các đặc tính ưu việt của các cảm biến ghi hình kỹ thuật số. Nó trải trên toàn phổ ánh sáng, từ tia X cho đến tia hồng ngoại. Các cảm biến ghi hình kỹ thuật số nhạy hơn hàng nghìn lần so với phim ảnh truyền thống. Từ một trăm hạt ánh sáng đến, một CCD bắt được 90 trong khi đó một phim nhiếp ảnh hay mắt người chỉ bắt được có 1. Trong một vài giây, ánh sáng từ các vật thể ở xa được thu gom, một quá trình như vậy trước đây phải kéo dài hàng nhiều giờ. Hiệu ứng cũng tỷ lệ trực tiếp với cường độ của ánh sáng - lượng ánh sáng đến càng lớn, số điện tử càng nhiều.

Năm 1974, cảm biến ghi hình đầu tiên đã được sử dụng để thu nhận các hình ảnh về Mặt Trăng - những hình ảnh thiên văn đầu tiên được ghi nhận với một camera kỹ thuật số. Với tốc độ ánh sáng, các nhà thiên văn đã chấp nhận công nghệ mới; năm 1979, một chiếc camera đầu tiên với độ phân giải 320 x 512 pixel được gắn lên một trong các kính viễn vọng tại Kitt Peak ở Arizona, Mỹ.

Công nghệ CCD được sử dụng trong các ứng dụng y học như ghi hình bên trong cơ thể người phục vụ các thao tác chẩn đoán và phẫu thuật. Các cảm biến ghi hình kỹ thuật số trở thành một thiết bị được sử dụng rộng rãi trong các dịch vụ khoa học kể cả dưới đáy đại dương và trên vũ trụ. Chúng có thể tái hiện các chi tiết tinh tế của các vật thể cực nhỏ và cực xa.

Theo cách này, các đột phá về khoa học và công nghệ ngày càng trở nên gắn kết và đan xen lẫn nhau. Kết luận thay lời kết này cũng chính là thông điệp mà Viện Hàn lâm khoa học hoàng gia Thụy Điển muốn gửi đến toàn thể nhân loại.

Charles K. Kao