İlk siyah beyaz film kameralarının nasıl çalıştığını bir düşünün. Kamerayı örneğin bir ağaca doğrulttunuz ve bir düğmeye bastınız. Bu, deklanşörü açtı, böylece ağaç görüntüsünü filme yansıtmak için ışık bir mercekten (veya birden fazla mercekten) geçebilir. Bu film geliştirildikten sonra, bir resim, bir fotoğraf gösterdi. Ama o fotoğraf gerçekte orada olanın, hatta fotoğrafçının kendi gözleriyle gördüğü şeyin bir temsilidir . Renk eksik. Fotoğrafçı, kameranın odak, alan derinliği veya enstantane hızı gibi ayarları değiştirmiş ve görüntünün parlaklığı veya keskinliği gibi şeyleri etkileyen filmi seçmiştir. Kameranın ve filmin parametrelerini ayarlamak fotoğrafçının işidir; Fotoğrafı bir sanat biçimi yapan da budur.
Şimdi zamanda ileri atlayın. Film yerine dijital akıllı telefon kameraları kullanıyoruz ve bu telefonlar çok büyük iyileştirmeler yaptı: daha iyi sensörler, birden fazla lens ve görüntü sabitleme, daha uzun pozlama süreleri ve telefonun birden fazla fotoğraf çektiği yüksek dinamik aralık gibi özellikler. farklı pozlar ve bunları daha harika bir görüntü için birleştirir.
Video – ve buna benzer diğerleri – Reddit’te “ibreakphotos” diyen bir kullanıcıdan bir yanıt aldı. Bir testte, bir bilgisayar monitöründe ayın bulanık bir görüntüsünün fotoğrafını çekmek için kamerayı kullandılar ve yine de net, ayrıntılı bir görüntü ürettiler. Ne oluyordu?
Brownlee , testi benzer sonuçlarla tekrarladığını söyleyerek başka bir video izledi . Detayın kameranın yapay zeka yazılımının bir ürünü olduğu sonucuna vardı, sadece optiği değil. Videoda, kameranın süreçleri “temel olarak AI, vizörde gördüğünüz şeyi ayın nasıl görünmesi gerektiğini bildiği şekilde keskinleştiriyor” diyor. Sonunda, “bir akıllı telefonun kamerasından çıkan şeyler gerçek olmaktan çok, bu bilgisayarın sizin gerçekliğin nasıl görünmesini istediğinizi düşündüğüne ilişkin yorumudur” diyor.
Modern akıllı telefonlar fotoğraflarınızı otomatik olarak düzenliyorsa, bunlar hâlâ fotoğraf mı? evet diyeceğim Bana göre, esasen fazladan ışık eklemek için flaş kullanmakla aynı şey. Ama şimdi felsefeden fiziğe dönelim: İnsan gerçekten bir akıllı telefonla aya kadar tüm yolu yakınlaştırıp son derece detaylı bir çekim yapabilir mi? Bu daha zor bir soru ve cevap: Hayır.
Zumunuzu çok yükseğe ayarlayıp gerçek sonuçlar almayı beklememenizin bir nedeni var. Kamera, teleskop veya mikroskop gibi herhangi bir optik cihazın çözünürlüğünün bir fizik sınırı vardır. Buna optik kırınım sınırı denir ve ışığın dalga doğası ile ilgisi vardır.Işık, Dalgalar ve Kırınım
Bir su birikintisine düşen bir kayanın neden olduğu dalgaları hayal edin. Kaya suya çarptığında, çarpma noktasından dışarıya doğru hareket eden bir rahatsızlığa neden olur. Aslında, herhangi bir dalga hareket eden bir tür rahatsızlıktan oluşur. Koparılmış bir gitar teli titreşir ve havada dışarı doğru hareket eden sıkıştırmalara neden olur. Biz bunlara ses dalgaları diyoruz. (Uzayda bir gitar sessiz olurdu!) Işık aynı zamanda bir dalgadır – elektrik ve manyetik alanların gezici bir salınımı, bu yüzden ona elektromanyetik dalga diyoruz. Tüm bu fenomenlerin bir dalga hızı (bozukluğun hareket ettiği hız), bir dalga boyu (bozukluklar arasındaki mesafe) ve bir frekansı (bir bozulmanın uzayda bir noktadan geçme sıklığı) vardır.
Bu dalgaların tümü de kırınıma uğrayabilir, yani dar bir açıklıktan geçtikten sonra dağılırlar. Örnek olarak su dalgalarıyla başlayalım, çünkü görmeleri kolaydır. Açıklığı olan bir duvarla karşılaşan tekrar eden bir dalga hayal edin. Yukarıdan görebilseydiniz, şöyle görünürdü:
Duvara çarpmadan önce dalgaların güzel ve düz olduğuna dikkat edin. Ama açıklıktan geçtiklerinde, harika bir şey oluyor – dalgalar açıklığın etrafında bükülüyor. Bu kırınımdır. Aynı şey ses dalgalarında ve hatta ışık dalgalarında da olur.
Işık açıklıkların etrafında bükülürse, bu bir köşenin arkasını görebileceğimiz anlamına mı gelir? Teknik olarak, evet. Bununla birlikte, dalganın bükülme miktarı dalga boyuna bağlıdır. Görünür ışık çok kısa bir dalga boyuna sahiptir – 500 nanometre mertebesinde – bu nedenle kırınım miktarını fark etmek genellikle zordur.
Ancak çok dar bir yarık kullanırsanız ışığın kırınımını görmek aslında mümkündür . Etki, yalnızca tek bir dalga boyunda ışık ürettiğinden, lazer kullanıldığında en çok fark edilir. (Bir el feneri çok çeşitli dalga boyları oluşturur.) İşte böyle görünüyor:
Lazer ışınının çapı küçük olmasına rağmen açıklıktan geçtikten sonra oldukça dağıldığına dikkat edin. Girişim nedeniyle aslında duvarda dönüşümlü olarak parlak ve karanlık noktalar elde edersiniz – ama şimdi şu orta banda bakalım. Işının yayılma miktarı açıklığın boyutuna bağlıdır ve daha küçük bir yarık daha geniş bir nokta oluşturur.
O tek parlak nokta için ekranın farklı noktalarındaki ışığın yoğunluğunu çizebildiğimizi varsayalım. Şöyle görünecek:
Lazerden gelen ışığın yoğunluğunun ortada en parlak olduğunu ve uzaklaştıkça azaldığını görebilirsiniz. Bir yarıktan geçen ışık örneğini kullandım, ancak aynı fikir dairesel bir delik için de geçerli – bilirsiniz, bir akıllı telefon kamerasındaki lens gibi.Çözünürlük Sınırı
Bir açıklıktan geçen iki lazer düşünelim . (Farkı görebilmeniz için yeşil ve kırmızı lazer kullanacağım.) Işınlar açıklığa çarptığında bu iki lazerin biraz farklı yönlerden geldiğini varsayalım. Bu, her birinin arkasındaki ekranda bir nokta oluşturacağı anlamına gelir, ancak bu noktalar biraz kaydırılacaktır.
İşte bunun neye benzediğini gösteren bir diyagram. (Yine ışığın yoğunluğunun bir taslağını ekledim.)
Her iki lazerin de farklı konumlarda bir pik yoğunluğu ürettiğine dikkat edin, ancak noktalar dağıldığı için bir şekilde üst üste binerler. Bu iki lekenin farklı kaynaklardan olup olmadığını söyleyebilir misiniz? Evet, iki nokta birbirinden yeterince uzaksa bu mümkündür. Aralarındaki açısal ayrımın 1,22λ/D’den büyük olması gerektiği ortaya çıktı, burada λ (lambda) ışığın dalga boyu ve D açıklığın genişliğidir. (1.22 dairesel açıklıklar için bir faktördür.)
Bu neden açısal bir ayrım? Peki, ekranın açılıştan daha uzakta olduğunu hayal edin. Bu durumda, iki nokta daha büyük bir ayırma mesafesine sahip olacaktır. Ancak, ekranda daha geniş bir yayılmaya da sahip olacaklardı. Bu ekranın açılıştan ne kadar uzakta olduğu gerçekten önemli değil – bu yüzden açısal bir ayrım kullanıyoruz.
Elbette bir ekrana ihtiyacımız yok. Bu ekranı bir kameradaki görüntü sensörü ile değiştirebiliriz ve aynı şey işe yarar.
Bu kırınım sınırının, hala çözülebilen iki nesne arasındaki mümkün olan en küçük açısal mesafe olduğuna dikkat etmek önemlidir. Bu, optik cihazın yapım kalitesi için bir sınır değildir; fiziğin koyduğu bir sınırdır. Bu sınır, açıklığın boyutuna (mercek boyutu gibi) ve ışığın dalga boyuna bağlıdır. Görünür ışığın sadece bir dalga boyu olmadığını unutmayın . Bunun yerine, 380 ila 780 nanometre aralığındadır. Daha kısa dalga boylarıyla daha iyi çözünürlük elde ediyoruz, ancak kaba bir yaklaşım olarak, ortada bir yerde olan yaklaşık 500 nanometrelik tek bir dalga boyunu kullanabiliriz.Bir Akıllı Telefonla Ne Görebilirsin?
Kameralar nesnelerin boyutunu görmez, açısal boyutu görürler. Fark ne? Aya bakmak için bir dakikanızı ayırın. (Muhtemelen dışarı çıkmak zorunda kalacaksınız.) Başparmağınızı kol mesafesinde tutarsanız, muhtemelen tüm ayı kaplayabilirsiniz. Ama başparmağınız sadece 1 ila 2 santimetre genişliğinde ve ayın çapı 3 milyon metreden fazla. Ancak, ay başparmağınızdan çok daha uzakta olduğu için aynı açısal boyuta sahip olmaları mümkündür.
Belki bu şema yardımcı olur. İşte bir gözlemciden farklı mesafelerde bulunan, insan gözü veya kamera olabilecek, farklı boyutlarda iki nesne:
İlk nesnenin yüksekliği h 1 ve gözlemciden r 1 uzaklığı vardır . İkinci nesne, r 2 mesafesinde ve h 2 yüksekliğindedir . Her ikisi de aynı açıyı kapsadığından, aynı açısal boyuta sahiptirler. Aslında, açısal boyutu (radyan olarak) şu şekilde hesaplayabiliriz:
Bununla Ay’ın Dünya’dan bakıldığında açısal boyutunu hesaplayabiliriz. 3.478 milyon metre çap ve 384.4 milyon metre mesafe ile 0.52 derecelik bir açısal boyut elde ediyorum. (Denklem, radyan birimi cinsinden bir açı verir, ancak çoğu insan şeyleri derece birimi cinsinden düşünür, bu yüzden radyanı dereceye çevirdim.)
Baş parmağım için bu hesabı tekrarlayalım. Baş parmağımın genişliğini 1,5 santimetre olarak ölçtüm ve gözümden 68 cm. Bu, 1.3 derecelik bir açısal boyut verir ki bu da -matematiğime bakmama izin verin- 0,52 dereceden büyüktür . Bu yüzden baş parmağımla ayı kapatabiliyorum.
Şimdi bu açısal boyutu telefondaki kameranın çözünürlüğü için kullanalım. İlk olarak, algılayabildiğimiz iki nesne arasındaki en küçük açısal boyutu bulmamız gerekiyor. Kameramın 0,5 santimetre çapında bir merceği olduğunu varsayalım. (Bunu iPhone’umu ölçerek elde ettim, ancak diğer akıllı telefon lensleri benzer.) 500 nanometre dalga boyunu kullanarak görebileceği en küçük açısal boyut 0,007 derecedir.
O halde bu kameralı cep telefonu ile Ay’da görebileceğiniz en küçük özelliği hesaplayalım. Artık kameranın çözebileceği cismin en küçük açısal boyutunu ve Ay’a olan uzaklığını bildiğimize göre bize 47 kilometrelik bir değer veriyor. Bu , 85 kilometre çapında Tycho gibi büyük bir krateri zar zor seçebilmeniz gerektiği anlamına gelir . Ancak çapı 20 kilometreden az olan daha küçük kraterlerin birçoğunu kesinlikle çözemeyeceksiniz. Ayrıca kamera merceğini küçültürseniz çözme gücünüzün de düşeceğini unutmayın.
Tamam, bir örnek daha. Bir akıllı telefon kamerası bir kuruş ne kadar uzakta görebilir? Bir kuruşun çapı 19.05 milimetredir. Aynı minimum 0.007 derecelik açı boyutunu kullanırsam, o kuruş 156 metreden (yaklaşık 1 buçuk futbol sahası) uzakta olamaz, eğer onu görebilmek istiyorsanız.
Dolayısıyla, yapay zeka destekli yakınlaştırmaya sahip bir kamera, bu mesafeden kesinlikle bir kuruşun görüntüsünü yakalayabilir, ancak tura mı yazı mı baktığını size söyleyemez. Fizik bilimi, bir akıllı telefon kadar küçük bir kamera merceğiyle bu kadar çok ayrıntıyı çözmenin bir yolu olmadığını söylüyor.