Thực ra, máy ảnh, camera hay các thiết bị tạo hình ảnh quang học đều có thể được coi là những “kính điện tử” hoặc “kính quang học”, và nguyên lý tạo hình ảnh của chúng cũng giống hệt với kính thông thường.

Tuy nhiên, cho đến nay, chúng ta vẫn chưa thể chế tạo ra những thiết bị tạo hình ảnh có chất lượng vượt trội hơn so với khả năng tạo hình ảnh của mắt người.

Thực ra, khả năng tạo hình ảnh của mắt người trong tự nhiên chỉ ở mức trung bình; giống như khi chúng ta khen ngợi đôi mắt của ai đó là “đôi mắt sắc bén như đại bàng”.

Trong tự nhiên, đôi mắt của đại bàng thực sự rất phi thường. Chúng có thể nhìn thấy các con vật trên mặt đất từ khoảng cách hàng kilômét trên cao, sau đó lao xuống để bắt chúng.

Mực là loài động vật có đôi mắt tiến hóa cao nhất trong giới động vật; đồng tử của chúng có hình dạng kỳ lạ, hình chữ W, không thể phân biệt màu sắc nhưng lại có thể nhận biết được sự phân cực của ánh sáng. Vì vậy, ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu, chúng vẫn có thể nhìn thấy các vật thể với độ tương phản rõ ràng.

Mặc dù con người có thể thay đổi hình dạng thấu kính của mắt để tập trung tốt hơn, nhưng mực lại có thể thay đổi toàn bộ hình dạng của đôi mắt mình.

Ngoài ra, các cơ quan cảm biến bên trong cơ thể chúng giúp chúng có thể quan sát cùng lúc những vật thể ở phía trước và phía sau.

Đặc biệt là loài mực khổng lồ nổi tiếng, nhờ vào đôi mắt to lớn của mình, chúng có thể sống ở độ sâu hàng nghìn mét dưới đại dương và thậm chí còn có thể đối đầu với cá mập voi.

Bướm (chuồn chuồn) cùng với nhiều loài côn trùng khác cũng có đôi mắt kép, được tạo thành từ hàng trăm thấu kính hình lục giác nhỏ, do đó chúng có thể quan sát được mọi hướng cùng lúc.

Hơn nữa, bướm còn có thể nhìn thấy ánh sáng tia cực tím – thứ mà mắt người không thể nhìn thấy được. Chính ánh sáng này đã giúp chúng xác định hướng đi và tìm ra những bông hoa chứa mật hoa ngon lành.

Mắt của loài thằn lằn biến màu không có mí trên hay mí dưới, nhưng lại có những cấu trúc hình nón vừa đủ để chứa đồng tử của chúng. Mỗi cấu trúc hình nón này đều có thể xoay độc lập, vì vậy thằn lằn biến màu thực sự có thể quan sát hai vật thể ở hai hướng hoàn toàn khác nhau cùng lúc.

Lợi thế về thị giác này giúp chúng đặc biệt giỏi trong việc bắt các loài côn trùng bay với tốc độ cao. Thực tế, ếch cũng có khả năng tương tự; chúng có khả năng quan sát các vật thể di chuyển nhanh một cách rất nhạy bén.

Mắt của chim óc đào cũng rất phi thường; chúng có khả năng cảm nhận

Chúng ta loài người luôn là những học trò giỏi của thiên nhiên, không ngừng học hỏi những kiến thức phong phú mà thiên nhiên mang lại. Cũng chính bằng cách bắt chước những đặc điểm đặc biệt của mắt các loài động vật khác nhau, con người đã phát triển ra nhiều thiết bị quang học dùng để tạo hình ảnh.

Ví dụ như ống kính tele, cho phép chúng ta nhìn thấy những sự kiện diễn ra ở khoảng cách rất xa. Một số vệ tinh trinh sát quang học quân sự tiên tiến có thể nhìn thấy rõ số biển xe trên đường từ hàng trăm km trong không gian.

Hoặc như máy quay tốc độ cao, giúp chúng ta theo dõi được những viên đạn bay với tốc độ rất lớn. Thậm chí, các nhà khoa học còn phát triển ra những máy quay siêu tốc độ cao có thể ghi lại được quỹ đạo chuyển động của ánh sáng.

Các nhà khoa học tại Đại học California, Hoa Kỳ, đã phát triển một loại máy quay siêu tốc độ cao có thể chụp được 6,1 triệu bức ảnh trong vòng một giây; tốc độ màn trập của nó lên tới 440 tỷ phần giây. Các nhà khoa học hy vọng sử dụng loại máy quay này để giải quyết nhiều vấn đề nghiên cứu khoa học phức tạp.

Ngoài ra, còn có thiết bị nhìn đêm, máy quay hồng ngoại, v.v. Thiết bị nhìn đêm giúp chúng ta nhìn thấy rõ mục tiêu trong bóng tối; những thiết bị nhìn đêm màu hiện đại thậm chí còn có thể hiển thị màu sắc. Còn công nghệ hình ảnh nhiệt hồng ngoại thì giúp chúng ta nhận biết được nhiệt độ phát ra từ các vật thể khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

Về mắt đôi, thực tế các nhà khoa học cũng đã lấy đó làm nguồn cảm hứng để phát triển ra nhiều công nghệ liên quan đến mắt đôi. Có thể điều này còn khá xa lạ đối với mọi người, nhưng thực tế chúng ta đều đã sử dụng công nghệ này. Công nghệ chụp ảnh đa ống kính trên điện thoại thông minh hiện nay chính là dựa trên nguyên lý này: kết hợp các hình ảnh được chụp bởi nhiều ống kính lại với nhau để tạo thành một bức ảnh chất lượng cao hơn.

Không chỉ vậy, những bức ảnh được tạo ra từ việc kết hợp nhiều ống kính còn có độ phân giải cao hơn. Và mắt đôi cũng mang lại những ưu điểm đặc biệt: nó có thể tạo ra góc nhìn toàn cảnh và mang lại cảm giác chiều sâu rõ rệt hơn.

Khi số lượng ống kính trên điện thoại di động hoặc các thiết bị di động ngày càng tăng, một số người lo lắng liệu một ngày nào đó mặt sau điện thoại sẽ bị chiếm đầy bởi các ống kính. Vì vậy, các chuyên gia đã bắt đầu nghiên cứu xem liệu có thể tìm ra một công nghệ nào đó để thay thế cho nhiều ống kính như vậy, sao cho chỉ cần một

Làm thế nào để tập trung nhiều ống kính camera lại thành một ống kính duy nhất, sao cho ống kính này có được các chức năng khác biệt như của những ống kính khác?

Về cơ bản, vấn đề nằm ở bộ phận ống kính, và trong đó, thấu kính chính là yếu tố then chốt. Làm thế nào để thiết kế và chế tạo những thấu kính này sao cho chúng có thể thực hiện được nhiều chức năng khác nhau, đây chính là thách thức lớn mà nhóm nghiên cứu đang đối mặt.

Ban đầu, hướng nghiên cứu của nhóm là tập trung tất cả các ống kính camera khác nhau vào một ống kính duy nhất. Nói một cách đơn giản, đó là việc sử dụng chung một bộ cảm biến ánh sáng cho nhiều ống kính; công nghệ này thực ra đã tồn tại từ lâu rồi, ngay từ thời đại phim âm bản, đã có những chiếc máy ảnh sử dụng nhiều ống kính.

Tuy nhiên, vào thời điểm đó, chỉ có khoảng một hoặc hai ống kính được sử dụng cùng lúc, còn nhóm nghiên cứu muốn tập trung từ bảy, tám ống kính, thậm chí là hàng chục ống kính lại với nhau.

Điều này làm tăng độ khó của dự án; làm thế nào để những ống kính này chia sẻ chung một bộ cảm biến ánh sáng có diện tích hạn chế, đó quả là một vấn đề nan giải.

Trên thực tế, trong quá khứ, các kỹ sư cũng đã nghiên cứu và phát triển loại máy ảnh gọi là “máy ảnh mắt đa” nhằm mô phỏng cấu trúc mắt đa của côn trùng. Loại máy ảnh này sử dụng hàng ngàn ống kính được sắp xếp theo hình dạng bán cầu, giống như mắt của chuồn chuồn hay bướm, từ đó tạo thành cấu trúc giống với mắt đa của côn trùng.

Sau đó, những hình ảnh được chụp bởi các ống kính này được tổng hợp lại thông qua những thuật toán đặc biệt, và cuối cùng ta sẽ có được một bức ảnh được tạo ra bởi máy ảnh mắt đa.

Tuy nhiên, phương pháp này quá phức tạp; mỗi ống kính trong máy ảnh mắt đa đều là một thực thể độc lập, việc tổng hợp chúng lại với nhau rất phức tạp và chi phí cũng rất cao.

Ngô Hoà và nhóm của anh ấy chắc chắn không hài lòng với công nghệ này; họ muốn đơn giản hóa cấu trúc của nó một cách đáng kể. Bước đầu tiên cần thực hiện là tập trung tất cả các hình ảnh được tạo ra bởi các ống kính vào một bộ cảm biến ánh sáng duy nhất, như vậy sẽ giúp giảm đáng kể độ phức tạp của cấu trúc máy ảnh mắt đa.

Nhưng làm thế nào để thực hiện điều này, đó mới là vấn đề thực sự.