Hình ảnh hồng ngoại là gì? Các nghiên cứu khoa học

Giới thiệu chung

Hình ảnh hồng ngoại (Infrared Imaging) là kỹ thuật ghi nhận bức xạ điện từ ở dải bước sóng từ khoảng 0,75 µm đến 1 mm, chuyển đổi thành ảnh thể hiện phân bố nhiệt độ hoặc cường độ bức xạ của bề mặt vật thể. Phương pháp này không phụ thuộc ánh sáng khả kiến, cho phép quan sát môi trường trong điều kiện thiếu sáng hoặc ban đêm, đồng thời phát hiện khác biệt nhiệt độ cục bộ với độ nhạy cao.

Ứng dụng rộng khắp trong các lĩnh vực như y sinh (chẩn đoán viêm, loét), an ninh – quân sự (phát hiện xâm nhập, tuần tra ban đêm), giám sát công nghiệp (kiểm tra nhiệt độ thiết bị, phát hiện điểm nóng), và khảo sát môi trường (theo dõi dòng chảy nước, phân tích độ ẩm đất). Độ nhạy cảm đến chênh lệch nhiệt độ nhỏ (<0,1 °C) giúp phát hiện sớm dấu hiệu bất thường về nhiệt trên bề mặt vật liệu hoặc sinh vật.

• Quan sát ban đêm và trong điều kiện tầm nhìn kém.
• Phát hiện khuyết tật nhiệt trong công nghiệp (điểm nóng, nứt gãy).
• Ứng dụng y học: đo nhiệt độ bề mặt cơ thể, phát hiện viêm, loét.

Phổ hồng ngoại

Phổ hồng ngoại chia thành các vùng chính dựa theo đặc tính hấp thụ khí quyển và ứng dụng công nghệ detector:

• Gần hồng ngoại (NIR): 0,75–1,4 µm, thông qua lớp ozone, thường dùng trong camera ban đêm.
• Trung hồng ngoại ngắn (SWIR): 1,4–3 µm, thích hợp phát hiện độ ẩm và cấu trúc bề mặt.
• Trung hồng ngoại giữa (MWIR): 3–8 µm, bức xạ nhiệt cơ thể con người mạnh, dùng trong y sinh và an ninh.
• Xa hồng ngoại dài (LWIR): 8–15 µm, bức xạ nhiệt môi trường, ứng dụng phổ biến trong thermography.

Bức xạ vật đen tuân theo định luật Planck mô tả phổ bức xạ phụ thuộc nhiệt độ:

$B(\lambda,T)=\frac{2hc^2}{\lambda^5}\frac{1}{e^{hc/(\lambda kT)}-1}$

trong đó B(λ,T) là độ bức xạ tại bước sóng λ và nhiệt độ T, h là hằng số Planck, c vận tốc ánh sáng, k hằng số Boltzmann. Khả năng truyền qua khí quyển khác nhau ở mỗi dải bước sóng, tạo khoảng cửa sổ (atmospheric windows) cho phép tín hiệu hồng ngoại truyền đi xa mà ít suy giảm https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/Infrared_spectroscopy.

Nguyên lý tạo ảnh

Ống kính hồng ngoại sử dụng thấu kính từ vật liệu đặc biệt như germanium (Ge) hoặc zinc selenide (ZnSe), cho phép truyền tia hồng ngoại mà thấu kính thủy tinh thông thường không thực hiện được. Chùm bức xạ tập trung trên detector thay đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện.

Detector có thể hoạt động theo nguyên lý:

• Quang điện (photoelectric): detector bán dẫn (InSb, HgCdTe) tạo điện tích khi hấp thụ photon, cho độ nhạy cao nhưng cần làm lạnh.
• Bolometer: cảm biến đo sự thay đổi điện trở do tăng nhiệt độ, thường dùng ở dải LWIR, hoạt động ở nhiệt độ phòng (microbolometer).

Quá trình cân chỉnh (calibration) ánh xạ tín hiệu điện thành nhiệt độ hoặc giá trị gray-scale, sau đó áp dụng bảng giả màu (pseudo-color) để hiển thị khác biệt nhiệt độ rõ ràng. Phương pháp này còn gọi là thermography, biểu diễn bằng đồ thị nhiệt độ hoặc ảnh nhiệt.

Cảm biến và detector

Có hai loại detector chính:

• Detector làm lạnh: sử dụng InSb, HgCdTe, có độ nhạy cao, nhiễu thấp, nhưng cần hệ thống cryo (liquid nitrogen hoặc Stirling cooler).
• Detector nguội: microbolometer (VOx, a-Si), hoạt động ở nhiệt độ phòng, chi phí thấp, độ phân giải pixel vừa phải, phổ biến trong camera thương mại.

So sánh detector làm lạnh và microbolometer

Đặc tính	Làm lạnh (MWIR)	Microbolometer (LWIR)
Độ nhạy nhiệt (NETD)	<0,02 °C	0,05–0,1 °C
Nhiệt độ hoạt động	77–120 K	300 K
Chi phí	Cao	Thấp
Ứng dụng	Y sinh, quân sự	Công nghiệp, dân dụng

Ma trận pixel (Focal Plane Array – FPA) định hình độ phân giải ảnh, thường từ 320×240 đến 1920×1080 pixel; mảng tuyến tính (1D linear array) dùng trong quét hướng dọc, phù hợp khảo sát độ dài lớn như đường ống, băng chuyền https://spie.org/news/infrared-detectors-guide.

Hiệu chuẩn và xử lý ảnh

Quá trình hiệu chuẩn (radiometric calibration) ánh xạ tín hiệu điện (digital level) từ detector sang nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin) hoặc độ sáng tương đối, sử dụng nguồn chuẩn (blackbody) với nhiệt độ biết trước. Hiệu chuẩn nội bộ (factory calibration) thực hiện tại nhà sản xuất, hiệu chuẩn bên ngoài (field calibration) dùng blackbody di động để hiệu chỉnh trôi dần theo thời gian.

Xử lý ảnh bao gồm lọc nhiễu (noise reduction) bằng bộ lọc Gaussian hoặc median, hiệu chỉnh vignetting và biến đổi histogram để tăng độ tương phản nhiệt. Kỹ thuật pseudo-color áp dụng bảng màu (jet, ironbow) để biểu diễn dải nhiệt độ rộng trên màn hình có giới hạn màu.

• Flat-field correction: hiệu chỉnh không đều sáng của detector.
• Non-uniformity correction (NUC): hiệu chỉnh pixel nóng và lạnh.
• Temperature emissivity correction: điều chỉnh emissivity bề mặt theo vật liệu.

Ứng dụng

Y sinh: chẩn đoán viêm khớp, loét chân đái tháo đường, theo dõi lưu thông máu qua biểu đồ nhiệt, phát hiện vùng thiếu máu hoặc tăng sinh mạch https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6152532/.

An ninh – quân sự: giám sát biên giới ban đêm, phát hiện người lẩn trốn qua rừng, tuần tra khu công nghiệp, góp phần phòng chống xâm nhập bất hợp pháp và giám sát hành lang an toàn https://www.darpa.mil/program/thermal-imaging.

Công nghiệp: kiểm tra điện phân, phát hiện điểm nóng tại đầu nối cáp và biến áp, bảo trì ngăn ngừa sự cố; kiểm tra rò rỉ hơi nước và khí gas tại đường ống ngầm bằng camera quét LWIR https://www.thermography.com/industry-applications.

Môi trường và khảo sát: đo độ ẩm đất, phát hiện cháy rừng khi nhiệt độ bề mặt tăng bất thường, khảo sát dòng chảy nước ngầm và giám sát hoạt động địa nhiệt https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/Infrared_imaging_for_environment.

• Phát hiện vi phạm cách ly y tế qua ảnh nhiệt cơ thể.
• Giám sát hoạt động núi lửa, đo nhiệt độ miệng núi.
• Ứng dụng nông nghiệp: xác định stress nước và bệnh của cây trồng.

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm: quan sát không tiếp xúc, ghi nhận hình ảnh ban đêm, phát hiện chênh lệch nhiệt độ nhỏ (<0,1 °C), không phụ thuộc ánh sáng môi trường. Khả năng giám sát liên tục, nhanh và giảm rủi ro cho người vận hành.

Hạn chế: độ phân giải không gian thấp hơn ảnh quang học, phụ thuộc emissivity và góc quan sát, ảnh hưởng của khí quyển và vật che khuất. Chi phí thiết bị cao, đòi hỏi hiệu chuẩn định kỳ và kỹ năng phân tích chuyên sâu.

So sánh hình ảnh hồng ngoại và hình ảnh quang học

Tiêu chí	Hồng ngoại	Quang học
Phụ thuộc ánh sáng	Không	Có
Phát hiện nhiệt độ	Có	Không
Độ phân giải	Trung bình–thấp	Cao
Chi phí hệ thống	Cao	Thấp–trung bình

Phân tích dữ liệu và diễn giải

Diễn giải ảnh nhiệt yêu cầu xác định vùng quan tâm (ROI), trích xuất các chỉ số nhiệt (max, min, mean) và so sánh với ngưỡng cảnh báo. Phần mềm chuyên dụng (FLIR Tools, MATLAB Image Processing Toolbox) hỗ trợ phân tích thời gian thực, biểu đồ nhiệt độ theo vị trí hoặc theo thời gian.

• Phân tích chuỗi thời gian (time-series) cho giám sát liên tục.
• Map overlay: kết hợp ảnh nhiệt với bản đồ GIS.
• Machine learning: phát hiện bất thường tự động qua mạng neural convolutional (CNN) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0031320318302480.

Xu hướng nghiên cứu và tương lai

Phát triển detector CMOS không lạnh dải SWIR cho phép quan sát vật thể phản xạ hồng ngoại gần, tăng khả năng phân biệt vật liệu. Hợp nhất ảnh nhiệt và ảnh quang học (fusion imaging) cải thiện độ phân giải và thông tin đa phổ https://www.nature.com/articles/s41598-020-57626-4.

Ứng dụng AI và deep learning cho tự động phân tích ảnh nhiệt, phát hiện sớm sự cố và phân loại mẫu thử; tích hợp IoT và edge computing tại camera để xử lý dữ liệu ngay tại nguồn, giảm băng thông và độ trễ truyền tin.

• Hệ thống drone trang bị camera hồng ngoại cho khảo sát địa hình và cứu hộ.
• Thermal LiDAR kết hợp đo khoảng cách và nhiệt độ bề mặt.
• Công nghệ metamaterial để tạo ống kính hồng ngoại siêu phân giải.

Tài liệu tham khảo

1. NCBI PMC – Medical applications of infrared thermography
2. DARPA – Thermal Imaging Program
3. Thermography.com – Industrial Infrared Applications
4. ScienceDirect – Deep learning for infrared image analysis
5. Nature Scientific Reports – Image fusion for infrared and visible sensors