by
Chúng ta đã biết tia hồng ngoại có thể ứng dụng để nhìn thấy ban đêm (xem thêm sâu hơn trong bài viết này). Quan trọng nhất ở đây là ống tăng cường, biến ảnh hồng ngoại mắt thường không nhìn thấy được thành ảnh mắt nhìn thấy được trên màn huỳnh quang. Mục đích chính của việc nhìn thấy ban đêm là theo dõi được những hoạt động trong bóng tối mà đối tượng bị theo dõi không biết.
Một ứng dụng phổ biến nữa của tia hồng ngoại là tạo ra ảnh nhiệt (thermography) Ta biết rằng mọi vật khi có nhiệt độ trên không độ tuyệt đối (không độ Kelvin) đều phát ra tia hồng ngoại, cường độ cũng như nhiều đặc điểm khác của tia hồng ngoại phát ra phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ của vật. Vì vậy biết cách thu tia hồng ngoại từ vật phát ra để tạo ảnh thì ảnh đó cho biết nhiều đặc điểm về nhiệt độ của vật. Người ta gọi ảnh đó là ảnh nhiệt. Ảnh nhiệt cho thấy sự khác nhau về nhiệt độ giữa vật này và vật kia hay là sự phân bố nhiệt độ giữa phần này phần khác của cùng một vật. Từ đó có thể ứng dụng cho nhiều ngành.
Thí dụ ở nơi có cháy khói bốc lên mù mịt, không rõ ngọn lửa là ở nơi nào. Lính chữa cháy phải nhìn ảnh nhiệt để biết nơi nào có nhiệt độ cao vọt, từ đấy xác định được vị trí có ngọn lửa để tập trung dập tắt. Đường dây tải điện có những chỗ nối, chỗ nào nóng nhiều là dấu hiệu chỗ đó sắp bị hư hỏng. Người thợ bảo dường đường dây dùng ảnh nhiệt để theo dõi những chỗ đường dây nóng bất thường để có phương án sửa chữa. Năm 2009 có dịch cúm xuất phát từ lợn lây sang người nên gọi là dịch cúm lợn. Người mắc cúm lợn sốt, thân nhiệt lên cao so với mức trung bình 37 độ C. Ở các sân bay quốc tế hiện đại có bố trí máy hiện ảnh nhiệt của người lên màn hình. Nhìn vào ảnh nhiệt, hành khách nào sốt cao vì bị cúm lợn là kiểm tra viên biết ngay để xử lý.
Trước đây khi chỉ có cách chụp ảnh dùng phim, để có ảnh nhiệt phải dùng phim đặc biệt gọi là phim ảnh hồng ngoại. Đó là vì tia hồng ngoại có bước sóng λ rất dài so với bước sóng ánh sáng nhìn thấy nên năng lượng của photon hồng ngoại hγ=hc/λ rất nhỏ hơn năng lượng của photon ánh sáng nhìn thấy, phim ảnh thường không đủ nhạy đối với tia hồng ngoại. Ở máy ảnh số để chụp ảnh ở ánh sáng thông thường, cảm biến ảnh CCD hay CMOS đều làm từ vật liệu silic, khá nhạy cảm với ánh sáng nhìn thấy. Không những thế để loại bỏ ảnh hưởng xấu của tia hồng ngoại lên chất lượng ảnh người ta bố trí tấm lọc hồng ngoại với mục đích ngăn tia hồng ngoại đến cảm biến ảnh. Vì vậy muốn dùng máy ảnh số thông thường để chụp ảnh nhiệt phải gỡ bỏ tấm lọc ngăn tia hồng ngoại và thay vào đấy tấm lọc ngăn ánh sáng nhìn thấy, chỉ cho tia hồng ngoại đến cảm biến. Tuy nhiên cảm biến ảnh thông thường ít nhạy với ánh sáng hồng ngoại nên thời gian chụp ảnh hồng ngoại (ảnh nhiệt) lâu hơn và chất lượng không thật tốt.
Để có ảnh nhiệt tốt phải có máy chuyên dùng với cảm biến đặc biệt, cảm biến này làm bằng vật liệu nhạy với tia hồng ngoại như InSb, InGaAs, HgCdTe. Cả cảm biến ảnh gồm những cảm biến hồng ngoại li ti xếp thành dãy ngang dãy dọc và đặt ở mặt tiêu của thấu kính đối với ảnh hồng ngoại (hơi khác với mặt tiêu của ảnh thường vì tiêu cự thấu kính đối với tia hồng ngoại khác với ánh sáng thường do khác nhau về bước sóng). Vì vậy cảm biến ảnh ở đây có tên là các dãy (cảm biến) ở mặt tiêu FPA (focal plane arrays).
Độ phân giải (số cảm biến con tương ứng vơi số điểm ảnh) thường thấp hơn độ phân giải ở máy ảnh thường, phần lớn là 160x120 hay 640x512 loại tốt là 640x512 còn loại đắt nhất vào cỡ 1000x1000 . Những loại cảm biến hồng ngoại cực tốt thường dùng riêng cho mục đích quân sự. Chú ý rằng ảnh nhiệt là hiển thị ra ảnh năng lượng hồng ngoại từ vật gửi đến các điểm ảnh của cảm biến hồng ngoại của máy ảnh. Nhưng năng lượng hồng ngoại đến các điểm ảnh không phải chỉ phụ thuộc nhiệt độ ở các điểm tương ứng của vật mà còn phụ thuộc khả năng phát xạ, khả năng nhận tia hồng ngoại ở xung quanh rồi phản xạ đến cảm biến v.v... Do đó trong nhiều trường hợp phải xử lý kỹ ảnh nhiệt chụp được, mới có ảnh thực sự là ảnh nhiệt. Sau khi xử lý ảnh nhiệt loại khá cũng cho biết nhiệt độ của vật với sai số trên 2%. Màu sắc ở ảnh nhiệt là do kỹ thuật nhân tạo gắn màu cho dễ nhìn thấy thí dụ chỗ nhiệt độ thấp cho màu xanh, chỗ nhiệt độ cao cho màu đỏ v.v...
Khó kể hết những lĩnh vực ứng dụng thực tế của ảnh nhiệt. Bên cạnh những ứng dụng trong khoa học kỹ thuật thông thường như những thí dụ đã nêu ở phần mở đầu, có thể nêu một số ứng dụng đặc biệt trong y tế, trong khảo cổ, trong kỹ thuật dự báo thời tiết bằng vệ tinh như sau:
- Đối với cơ thể người mạng lưới các mạch máu li ti phân bố khắp nơi mang năng lượng làm ấm cơ thể. Những chỗ mạch máu lưu thông có vấn đề, nhiệt độ ở đấy thay đổi dưới mức chuẩn. Ảnh nhiệt cho thấy những thay đổi đó, từ đây bác sĩ chẩn đoán được bệnh.
Một ứng dụng phổ biến nữa của tia hồng ngoại là tạo ra ảnh nhiệt (thermography) Ta biết rằng mọi vật khi có nhiệt độ trên không độ tuyệt đối (không độ Kelvin) đều phát ra tia hồng ngoại, cường độ cũng như nhiều đặc điểm khác của tia hồng ngoại phát ra phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ của vật. Vì vậy biết cách thu tia hồng ngoại từ vật phát ra để tạo ảnh thì ảnh đó cho biết nhiều đặc điểm về nhiệt độ của vật. Người ta gọi ảnh đó là ảnh nhiệt. Ảnh nhiệt cho thấy sự khác nhau về nhiệt độ giữa vật này và vật kia hay là sự phân bố nhiệt độ giữa phần này phần khác của cùng một vật. Từ đó có thể ứng dụng cho nhiều ngành.
Hình 1. Ảnh nhiệt của 2 cầu chì thấy rõ phía dưới cùng của cầu chì bên phải bị quá nóng sắp phải loại bỏ để thay thế
Hình 2: Khiếm khuyết trên điểm nối của công tắc là nguyên nhân gây ra quá nhiệt ở công tắc này
Trước đây khi chỉ có cách chụp ảnh dùng phim, để có ảnh nhiệt phải dùng phim đặc biệt gọi là phim ảnh hồng ngoại. Đó là vì tia hồng ngoại có bước sóng λ rất dài so với bước sóng ánh sáng nhìn thấy nên năng lượng của photon hồng ngoại hγ=hc/λ rất nhỏ hơn năng lượng của photon ánh sáng nhìn thấy, phim ảnh thường không đủ nhạy đối với tia hồng ngoại. Ở máy ảnh số để chụp ảnh ở ánh sáng thông thường, cảm biến ảnh CCD hay CMOS đều làm từ vật liệu silic, khá nhạy cảm với ánh sáng nhìn thấy. Không những thế để loại bỏ ảnh hưởng xấu của tia hồng ngoại lên chất lượng ảnh người ta bố trí tấm lọc hồng ngoại với mục đích ngăn tia hồng ngoại đến cảm biến ảnh. Vì vậy muốn dùng máy ảnh số thông thường để chụp ảnh nhiệt phải gỡ bỏ tấm lọc ngăn tia hồng ngoại và thay vào đấy tấm lọc ngăn ánh sáng nhìn thấy, chỉ cho tia hồng ngoại đến cảm biến. Tuy nhiên cảm biến ảnh thông thường ít nhạy với ánh sáng hồng ngoại nên thời gian chụp ảnh hồng ngoại (ảnh nhiệt) lâu hơn và chất lượng không thật tốt.
Hình 3. Cảm biến ảnh hồng ngoại FPA làm từ InSb dùng để chụp ảnh nhiệt
Để có ảnh nhiệt tốt phải có máy chuyên dùng với cảm biến đặc biệt, cảm biến này làm bằng vật liệu nhạy với tia hồng ngoại như InSb, InGaAs, HgCdTe. Cả cảm biến ảnh gồm những cảm biến hồng ngoại li ti xếp thành dãy ngang dãy dọc và đặt ở mặt tiêu của thấu kính đối với ảnh hồng ngoại (hơi khác với mặt tiêu của ảnh thường vì tiêu cự thấu kính đối với tia hồng ngoại khác với ánh sáng thường do khác nhau về bước sóng). Vì vậy cảm biến ảnh ở đây có tên là các dãy (cảm biến) ở mặt tiêu FPA (focal plane arrays).
Độ phân giải (số cảm biến con tương ứng vơi số điểm ảnh) thường thấp hơn độ phân giải ở máy ảnh thường, phần lớn là 160x120 hay 640x512 loại tốt là 640x512 còn loại đắt nhất vào cỡ 1000x1000 . Những loại cảm biến hồng ngoại cực tốt thường dùng riêng cho mục đích quân sự. Chú ý rằng ảnh nhiệt là hiển thị ra ảnh năng lượng hồng ngoại từ vật gửi đến các điểm ảnh của cảm biến hồng ngoại của máy ảnh. Nhưng năng lượng hồng ngoại đến các điểm ảnh không phải chỉ phụ thuộc nhiệt độ ở các điểm tương ứng của vật mà còn phụ thuộc khả năng phát xạ, khả năng nhận tia hồng ngoại ở xung quanh rồi phản xạ đến cảm biến v.v... Do đó trong nhiều trường hợp phải xử lý kỹ ảnh nhiệt chụp được, mới có ảnh thực sự là ảnh nhiệt. Sau khi xử lý ảnh nhiệt loại khá cũng cho biết nhiệt độ của vật với sai số trên 2%. Màu sắc ở ảnh nhiệt là do kỹ thuật nhân tạo gắn màu cho dễ nhìn thấy thí dụ chỗ nhiệt độ thấp cho màu xanh, chỗ nhiệt độ cao cho màu đỏ v.v...
Khó kể hết những lĩnh vực ứng dụng thực tế của ảnh nhiệt. Bên cạnh những ứng dụng trong khoa học kỹ thuật thông thường như những thí dụ đã nêu ở phần mở đầu, có thể nêu một số ứng dụng đặc biệt trong y tế, trong khảo cổ, trong kỹ thuật dự báo thời tiết bằng vệ tinh như sau:
- Đối với cơ thể người mạng lưới các mạch máu li ti phân bố khắp nơi mang năng lượng làm ấm cơ thể. Những chỗ mạch máu lưu thông có vấn đề, nhiệt độ ở đấy thay đổi dưới mức chuẩn. Ảnh nhiệt cho thấy những thay đổi đó, từ đây bác sĩ chẩn đoán được bệnh.
- Các kiến trúc cổ lâu ngày bị sụp đổ chôn vùi trong lòng đất, nhiều khi chỉ còn nền móng, tường thành. Sự hấp thụ và tỏa nhiệt của các vật liệu xây dựng cổ này rất khác với đất đai ở xung quanh. Từ trên cao chụp ảnh nhiệt dễ dàng phát hiện vì thường ở ảnh hiện ra những khối, những đường nét hình học khác thường
- Trong dự báo thời tiết, dự báo bão phải luôn luôn theo dõi mây, áp suất, nhiệt độ biến đổi liên tục trong một phạm vi lớn trên bầu trời. Trên vệ tinh luôn có các máy móc chụp ảnh, đo đạc nhưng nhiều phép theo dõi, chụp ảnh không tiến hành được vào ban đêm vì không đủ sáng. Vệ tinh luôn có máy chụp ảnh hồng ngoại, ban đêm vẫn theo dõi chụp ảnh được các đám mây di chuyển vì tùy theo cao thấp, mỗi đám mây có một nhiệt độ khác nhau và luôn bức xạ ra hồng ngoại. Thường ban đêm cứ 10 phút một lần vệ tinh chụp ảnh các đám mây căn cứ theo tia hồng ngoại chúng phát ra để gửi về Trái Đất phục vụ công tác dự báo. Ảnh chụp bằng ánh sáng thường và tia hồng ngoại luôn bổ sung cho nhau giúp theo dõi các diễn biến thời tiết 24 giờ trên 24 giờ mỗi ngày đêm.
Hình 4 Ảnh nhiệt một trận siêu bão thế kỷ xảy ra ở Mỹ chụp từ vệ tinh. Các kinh tuyến vĩ tuyến, đường viền các lục địa đều được vẽ thêm vào cho dễ thấy.
Hình ảnh vệ tinh hồng ngoại của Siêu bão vào ngày 13 tháng 3 năm 1993. Các vùng màu vàng mô tả ngọn mây lạnh đặc biệt, một phần của một đường gió khổng lồ quét qua khu vực nguy hiểm của cơn bão.
Tác giả: Nguyễn Xuân Chánh
0 comments: