Camera hồng ngoại là bước tiến mới trong công nghệ camera quan sát và công nghệ này có ứng dụng rất lớn trong nhiều lĩnh vực của đời sống.
1. Giới thiệu Camera hồng ngoại
Camera hồng ngoại (infrared camera – IR camera) là thiết bị camera quan sát có gắn thêm các đèn hồng ngoại (infrared LED) được điều khiển bằng cảm quang (light sensor). Trong môi trường thiếu ánh sáng (ban đêm, góc tối..) thì đèn hồng ngoại sẽ tự động được kích hoạt giúp cho camera có thể ghi lại cảnh trong điều kiện thiếu sáng.
Khác với camera thường hoạt động ở dải ánh sáng nhìn thấy (bước sóng trong khoảng 450-750 nm), camera hồng ngoại hoạt động ở dải tia hồng ngoại (bước sóng từ 750 – 106 nm).
Hiện nay có 2 loại camera cùng được gọi là camera hồng ngoại nhưng có nguyên lý và cấu tạo khác nhau.
- Một loại sử dụng các cảm biến CCD và CMOS như camera thông thường. nhưng có gắn thêm đèn LED hồng ngoại (bước sóng khoảng 900 nm). Camera loại này còn được gọi là Day/Night Camera. Do các cảm biến CCD và CMOS vẫn nhạy với dải tia hồng ngoại bước sóng ngắn (bước sóng từ 700 – 5500 nm), nên ở môi trường tối, các đèn LED được bật để chiếu sáng. Trong bài viết sẽ gọi loại camera này là Day/Night camera.
Camera Day/Night
- Một loại camera hồng ngoại (infrared camera) khác còn được gọi là camera ảnh nhiệt (thermographic camera) hoặc camera nhiệt sử dụng cảm biến hồng ngoại. Camera này hoạt động trong dải sóng có bước sóng từ 9000-14000 nm (9-14 um). Ở đây ta tập trung nói về loại camera này và sử dụng tên gọi camera nhiệt.
Camera nhiệt và Ảnh chụp bằng camera nhiệt
Camera nhiệt có hai loại chính là: cảm biến được làm lạnh và một loại có cảm biến không được làm lạnh.
- Với loại camera có cảm biến được làm lạnh, nhiệt độ làm lạnh trong khoảng 4 0K đến dưới nhiệt độ phòng (hầu hết camera loại này hiện nay hoạt động trong khoảng 60 – 100 0K). Đặc điểm của loại này là cho ảnh có chất lượng cao hơn nhiều loại không làm lạnh. Nhược điểm của camera này là có giá thành cao và tiêu thụ nhiều năng lượng hơn (cho hệ thống làm lành), và tốn thời gian làm lạnh. Tuy nhiên do có độ nhạy cao, camera loại này lại cho phép lắp thêm ống kính có tiêu cự lớn (F-number lớn), tức là giảm kích cỡ và giá thành của ống kính lắp thêm, từ đó cho phép quan sát với khoảng cách xa.
- Với loại camera không làm lạnh, cảm biến ổn định và làm việc ở nhiệt độ môi trường. Điều này cho phép camera loại này nhỏ hơn và rẻ hơn tuy nhiên độ phân dải và chất lượng ảnh lại thấp hơn.
2. Công dụng của camera hồng ngoại
Do có thể tạo ảnh từ tia hồng ngoại nên camera hồng ngoại có một số công dụng chủ yếu là:
- Quan sát trong môi trường thiếu ánh sáng
- Đo nhiệt độ, đặc biệt camera hồng ngoại cho phép đo không tiếp xúc và đo ở tầm rộng (tức là không phải đo theo từng điểm).
3. Một số ứng dụng camera hồng ngoại
Lúc đầu, camera hồng ngoại được phát triển để sử dụng trong chiến tranh Triều Tiên. Nhưng hiện nay, nhờ giảm giá thành sản xuất và sự phát triển của các phần mềm sử lý ảnh, camera hồng ngoại đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:
Trong lĩnh vực giám sát: bao gồm an ninh, kiểm soát hỏa hoạn, thực thi pháp luật, hàng hải, quân sự…
- An ninh- Camera hồng ngoại được sử dụng để quan sát vào ban đêm. Với khu vực nhỏ như một phòng, loại camera được dùng là camera Day/Night. Khi quan sát ở khu vực rộng mà ở đó việc chiếu sáng là tốn kém và có thể không thực hiện được, loại camera được dùng là camera nhiệt. Camera nhiệt có thể phát hiện xâm nhập mà không cần đến chiếu sáng. Các khu vực rộng có thể kể đến như sân bay, các doanh nghiệp mà có sự trưng bày sản phẩm ngoài trời như ô tô, thuyền hoặc các bãi trông xe lớn.
- Kiểm soát hỏa hoạn– Sự dụng camera hồng ngoại có thể theo dõi trên phạm vi lớn từ đó phát hiện sớm hỏa hoạn để kịp thời sử lý. Khi đang diễn ra hỏa hoạn, camera hồng ngoại vẫn có thể quan sát vị trí cháy trong điều kiện khói, đếm tối hoặc sương mù. Với khả năng này camera hồng ngoại có thể sử dụng trong phòng chống cháy rừng, cháy trên diện rộng.
- Thực thi pháp luật– Camera hồng ngoại cho phép phát hiện các hoạt động phạm pháp thường được thực hiện vào ban đêm. Ví dụ như buôn lậu, khai thác lậu tài nguyên.
Hoạt động tìm kiếm và cứu hộ – Tìm kiếm người mất tích hoặc bị nạn vào ban đêm đặc biệt với trường hợp mất tích trong rừng, trên biển.
- An ninh hàng hải– Camera hồng ngoại thường được sử dụng trong hàng hải vì việc chiếu sáng trên biển là gần như không thể. Ứng dụng chủ yếu là tuần tra trên biển vào ban đêm, phát hiện và tránh các vật cản trên biển.
- Tuần tra an ninh– Camera hồng ngoại được ngắn trên các phương tiện di động như ô tô, máy bay để theo dõi một khu vực rộng lớn như tuần tra đường biên giới.
- Quân sự – Đây là lĩnh vực mà camera hồng ngoại được sử dụng đầu tiên. Mục đích để phát hiện tấn công hay truy tìm mục tiêu.
Trong đo nhiệt độ: Camera hồng ngoại được sử dụng để giám sát các quá trình sản xuất, sử dụng trong các hệ thống tự động hóa. Ngày nay, việc đo nhiệt độ từ xa ngày càng phát triển và được ưa chuộng. Thông thường các cảm biến hồng ngoại được sử dụng, tuy nhiên dùng cảm biến chỉ cho phép đo tại một số điểm. Khi cần có một cái nhìn tổng quát hệ về nhiệt độ của hệ thống thì camera nhiệt là lực chọn tất yếu.
Trong lĩnh vực kiểm tra phát hiện:
- Theo dõi phát hiện du khách có bệnh: như phát hiện du khách bị cúm ở các sân bay, cửa khẩu.
- Bảo trì thiết bị cơ khí và điện trước khi xảy ra hỏng hóc
Quá nhiệt là hiện tượng có thể xảy ra ở tất cả các thiết bị điện từ máy phát, biến áp, đầu nối, cách điện, các loại khí cụ điện đóng cắt… Các lỗi này là do quá dòng, quá áp, han rĩ, bụi bẩn, lắp đặt sai… có thể được sửa chữa, bao trì dễ dàng, nhưng nếu để lâu sẽ làm hỏng thiết bị có thể gây hỏng cho toàn hệ thống. Ảnh nhiệt cho phép nhìn, phát hiện các bộ phận quá nhiệt dễ dàng, từ đó có thể bảo trì kịp thời.
Đây là ảnh nhiệt của một thiết bị bị lỗi
Các thiết bị cơ khí như động cơ điện, động cơ đốt trong, hộp số, băng chuyền khi hoạt động sẽ sinh ra nhiệt do ma sát giữa các bộ phận. Ma sát sinh ra sẽ lớn khi hệ thống bị kẹt, lỗi, đồng thời ma sát lớn sẽ làm giảm tuổi thọ của thiết bị. Camera hồng ngoại cho tìm ra vị trí có ma sát lớn, từ đó có thể phát hiện lỗi, bảo trì thiết bị trước khi thiết bị hỏng.
Ví dụ trong động cơ điện, ổ bi sẽ tạo ra nhiều nhiệt hơn nếu nó quá chặt, thiếu bôi trơn hoặc đôi khi quá bôi trơn. Điện trở của động cơ cũng sinh ra nhiệt. Lớp cách điện sẽ bị hỏng nếu động cơ quá nóng. Động cơ làm việc ở nhiệt độ cao hơn 10 oC so với thiết kế thì tuổi thọ của nó sẽ giảm một nửa.
Ảnh nhiệt của một động cơ hoạt động
- Kiểm tra các công trình xây dựng - Thông qua ảnh nhiệt của tường, mái, để phát hiện rò khí, hiện tượng thấm nước, rò nước…
Ví dụ: nếu có nước đọng trong tường hoặc trần nhà, thì khu vực thấm nước sẽ có nhiệt độ thấp hơn các khu vực khác:
- Kiểm tra không phá hủy
Ngoài các ứng dụng trên, camera hồng ngoại còn được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác như:
- Quản lý chất lượng môi trường sản xuất
- Chụp ảnh hóa học
- Nghiên cứu và phát triển các sản phẩm mới
- Phát hiện nguồn ô nhiễm
- Điều tra hiện tượng không bình thường
- Thiên văn học
- Khảo cổ học từ trên không
- Kiểm tra cách ly âm học để giảm tiếng ồn
- Trong y học như chụp ảnh nhiệt động vật, chụp ảnh nhiệt cơ thể người để hỗ trợ việc chuẩn đoán bệnh.
Xem thêm:
