Camera ảnh nhiệt và các ứng dụng

Camera ảnh nhiệt là gì?

Camera ảnh nhiệt (thermal camera) là một loại máy ảnh có khả năng chụp ảnh dưới dạng hình ảnh nhiệt, tức là hình ảnh được tạo ra dựa trên sự phát xạ nhiệt từ các vật thể trong tầm nhìn của máy ảnh, thay vì dựa trên ánh sáng như các loại máy ảnh thông thường.

Camera ảnh nhiệt còn được gọi là camera nhiệt, máy ảnh nhiệt kế hoặc camera hồng ngoại. Các tên gọi này đều chỉ tới cùng một loại máy ảnh có khả năng thu nhận và ghi lại hình ảnh từ phát xạ nhiệt của các vật thể trong tầm nhìn của nó. Các ứng dụng của camera ảnh nhiệt rất đa dạng, từ kiểm tra và bảo trì các thiết bị công nghiệp, xây dựng, kiểm tra độ an toàn của các công trình đến các ứng dụng trong y tế, giám sát môi trường và công nghệ quân sự.

Nguyên lý hoạt động của Camera ảnh nhiệt

Camera ảnh nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý bức xạ nhiệt học, tức là mọi vật thể có nhiệt độ cao hơn không khí xung quanh sẽ phát ra bức xạ hồng ngoại. Camera ảnh nhiệt sử dụng một bộ cảm biến để chuyển đổi bức xạ hồng ngoại thành hình ảnh điện tử, rồi hiển thị trên màn hình với các màu sắc khác nhau tương ứng với các mức nhiệt độ khác nhau.

Camera ảnh nhiệt có ba thành phần chính:

• Bộ thu hồng ngoại: Bộ thu hồng ngoại gồm một ống kính và một bộ cảm biến hồng ngoại, có chức năng thu nhận và tập trung bức xạ hồng ngoại từ các vật thể trong phạm vi quan sát.
• Bộ xử lý tín hiệu: Bộ xử lý tín hiệu gồm một vi xử lý và một bộ nhớ, có chức năng chuyển đổi tín hiệu hồng ngoại thành tín hiệu điện tử, rồi ánh xạ vào một bảng màu để tạo ra hình ảnh ảnh nhiệt.
• Bộ hiển thị: Bộ hiển thị gồm một màn hình LCD hoặc OLED, có chức năng hiển thị hình ảnh ảnh nhiệt cho người dùng.

Video mô tả đầy đủ hơn về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của camera ảnh nhiệt

Lịch sử phát triển của camera ảnh nhiệt

Camera ảnh nhiệt xuất hiện lần đầu tiên vào những năm 1940, khi các nhà khoa học Anh và Mỹ phát triển các thiết bị quân sự có khả năng phát hiện máy bay địch trong đêm. Những thiết bị này được gọi là radar hồng ngoại, và chỉ có thể phát hiện được sự khác biệt về nhiệt độ giữa máy bay và không khí, chứ không thể tạo ra hình ảnh chi tiết.

Vào những năm 1960, các nhà khoa học Pháp và Mỹ đã cải tiến công nghệ cảm biến hồng ngoại, cho phép tạo ra những hình ảnh ảnh nhiệt rõ ràng hơn. Những camera ảnh nhiệt đầu tiên được sử dụng cho các mục đích y tế, khoa học và công nghiệp.

Vào những năm 1990, camera ảnh nhiệt đã trở nên nhỏ gọn và rẻ hơn, cho phép sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực an ninh, giám sát, cứu hỏa và giáo dục.

Sự khác biệt giữa Camera ảnh thường và Camera ảnh nhiệt

Camera ảnh thường và camera ảnh nhiệt có những điểm khác biệt cơ bản sau:

Nguyên lý cảm biến

Camera ảnh thường chỉ có thể phát hiện ánh sáng trong dải quang học, từ tia cực tím đến tia hồng ngoại gần, trong khi camera ảnh nhiệt có thể phát hiện ánh sáng trong dải hồng ngoại xa, từ 3 đến 14 micromet.

Khả năng phát hiện

Camera ảnh thường phụ thuộc vào nguồn sáng bên ngoài để tạo ra hình ảnh, trong khi camera ảnh nhiệt không cần nguồn sáng bên ngoài, mà chỉ cần có sự khác biệt về nhiệt độ giữa các vật thể.

Hình ảnh hiển thị

Camera ảnh thường tạo ra hình ảnh theo màu sắc thực tế của các vật thể, trong khi camera ảnh nhiệt tạo ra hình ảnh theo màu sắc tùy chọn của người dùng, để phân biệt các mức nhiệt độ khác nhau.

Độ phân giải

Camera ảnh thường có độ phân giải cao hơn camera ảnh nhiệt, cho phép chụp được các chi tiết nhỏ hơn trong hình ảnh.

Camera ảnh nhiệt có độ phân giải thấp hơn camera ảnh thường, tuy nhiên, nó có khả năng phát hiện các vật thể dựa trên nhiệt độ, giúp xác định các điểm nóng hoặc lạnh trong hình ảnh.

Các loại camera ảnh nhiệt

Camera ảnh nhiệt cầm tay

Camera ảnh nhiệt cầm tay là loại camera nhỏ gọn và dễ sử dụng, có thể mang theo bất cứ đâu. Camera ảnh nhiệt cầm tay thường có màn hình LCD để hiển thị hình ảnh nhiệt, các phím điều khiển và pin sạc.

Camera ảnh nhiệt cầm tay có thể được sử dụng để kiểm tra các thiết bị điện, máy móc, đường ống, vách ngăn, cửa sổ và các vật thể khác. Camera ảnh nhiệt cầm tay cũng có thể được sử dụng để phát hiện người hoặc động vật trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc không có ánh sáng.

Camera ảnh nhiệt dạng module lắp điện thoại

Camera ảnh nhiệt lắp điện thoại là loại mới nhất hiện nay, tận dụng sự phổ biến của điện thoại thông minh. Người dùng có thể mua một module camera ảnh nhiệt, cài đặt Ứng dụng trên điện thoại, lắp thiết bị để kết nối là có thể sử dụng như một camera cầm tay.

Tuy nhiện loại này có độ bền không cao và tính năng hạn chế. Cũng như phù hợp cho các nhu cầu thấp như cá nhân hay các công việc không thường xuyên.

Camera ảnh nhiệt cố định

Camera ảnh nhiệt cố định là loại camera được gắn cố định trên một vị trí nhất định, thường là trên một giá đỡ hoặc một khung. Camera ảnh nhiệt cố định thường được kết nối với một máy tính hoặc một hệ thống giám sát để lưu trữ và phân tích hình ảnh nhiệt.

Camera ảnh nhiệt cố định có thể được sử dụng để giám sát các quá trình công nghiệp, an ninh biên giới, phòng cháy chữa cháy và các ứng dụng khác.

Camera ảnh nhiệt chuyên dụng

Camera ảnh nhiệt chuyên dụng là loại camera ảnh nhiệt được thiết kế để đáp ứng những yêu cầu riêng biệt của các lĩnh vực khác nhau, như công nghiệp, y tế, quân sự, an ninh, khoa học, nghiên cứu, giáo dục,..

Camera ảnh nhiệt chuyên dụng có độ phân giải cao, độ chính xác cao, độ nhạy cao và khả năng kết nối với các thiết bị khác. Camera ảnh nhiệt chuyên dụng cũng có thể được tích hợp vào các hệ thống tự động hoá, giám sát từ xa, phân tích dữ liệu, các thiết bị bay, các phương tiện cơ giới.

Camera ảnh nhiệt chuyên dụng có thể được sử dụng để khảo sát các khu vực rộng lớn, phát hiện các mối nguy hiểm tiềm tàng, cứu hộ, quân sự, nghiên cứu và các ứng dụng khác.

Các tính năng của Camera ảnh nhiệt

Các tính năng quan trọng nhất khi lựa chọn Camera ảnh nhiệt

• Độ phân giải: Độ phân giải của camera ảnh nhiệt phụ thuộc vào cảm biến ảnh nhiệt mà nó sử dụng. Độ phân giải cao thì chi phí sẽ cao hơn.
• Độ nhạy của camera ảnh nhiệt: Độ nhạy nhiệt (NETD) là một thông số quan trọng để đánh giá độ nhạy của camera ảnh nhiệt. Độ nhạy nhiệt càng thấp, camera càng có khả năng phát hiện các sự khác biệt nhỏ về nhiệt độ. Một số camera ảnh nhiệt chuyên nghiệp có độ nhạy nhiệt rất thấp, thấp hơn 0,04°C (40mK)
• Dải đo nhiệt độ: Dải đo nhiệt độ của camera ảnh nhiệt có thể khác nhau tùy thuộc vào từng sản phẩm và từng hãng sản xuất. Một số camera ảnh nhiệt có dải đo nhiệt độ rộng, có thể đo được nhiệt độ từ -20°C đến 550°C.
• Tần số quét hình: là số lần Camera ảnh nhiệt chụp hình trong một giây. Tần số quét hình càng cao, hình ảnh càng mượt và không bị giật.
• Khả năng lưu trữ và chia sẻ dữ liệu của Camera ảnh nhiệt
• Màn hình hiển thị và tính năng điều khiển của Camera ảnh nhiệt
• Các tính năng bổ sung khác

Hệ số phát xạ nhiệt khi sử dụng camera ảnh nhiệt

Hệ số phát xạ nhiệt là tỷ lệ giữa năng lượng phát ra của một vật thể so với năng lượng phát ra của một vật thể đen hoàn hảo ở cùng nhiệt độ. Vật thể đen hoàn hảo là một vật thể không phản xạ hoặc hấp thụ bất kỳ ánh sáng nào và có khả năng phát ra toàn bộ năng lượng nhiệt của chính nó.

Hệ số phát xạ nhiệt của một vật thể phụ thuộc vào tính chất vật liệu và bề mặt của nó. Vật liệu với bề mặt thô sẽ có hệ số phát xạ nhiệt cao hơn so với vật liệu với bề mặt mịn.

Khi sử dụng camera ảnh nhiệt để đo lường nhiệt độ của một vật thể, người dùng cần phải biết giá trị hệ số phát xạ nhiệt của vật thể đó để có thể chuyển đổi nhiệt độ đo được thành nhiệt độ thực tế của vật thể. Nếu không biết hệ số phát xạ nhiệt chính xác, kết quả đo được sẽ bị sai lệch và không chính xác.

Do đó, việc xác định và sử dụng đúng hệ số phát xạ nhiệt là rất quan trọng trong việc sử dụng camera ảnh nhiệt để đo lường nhiệt độ của các vật thể.

Xem thêm Hệ số phát xạ nhiệt Emissivity

Các ứng dụng

Trong y tế

Phát hiện sốt: Camera ảnh nhiệt có thể đo nhiệt độ cơ thể của người từ xa, giúp phát hiện những người có sốt cao, có khả năng mắc bệnh truyền nhiễm.

Chẩn đoán bệnh lý: Camera ảnh nhiệt có thể phát hiện sự thay đổi nhiệt độ của các cơ quan, mô hay khớp trong cơ thể, giúp chẩn đoán các bệnh lý như viêm, ung thư, thoái hóa khớp hay tổn thương dây thần kinh.

Điều trị và theo dõi: Camera ảnh nhiệt có thể giúp đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều trị như phẫu thuật, xạ trị, điện cực kích thích hay liệu pháp nhiệt, cũng như theo dõi sự phục hồi của bệnh nhân.

Trong công nghiệp

Kiểm tra hệ thống điện và điện tử: Camera ảnh nhiệt có thể phát hiện các điểm nóng, quá tải, ngắn mạch, hay hư hỏng trong các bộ phận điện và điện tử, giúp ngăn ngừa các sự cố và tăng hiệu quả vận hành.

Phát hiện rò rỉ nhiệt trong các hệ thống cơ khí: Camera ảnh nhiệt có thể giúp xác định các vị trí rò rỉ nhiệt trong các ống dẫn, van, bơm, hay động cơ, giúp tiết kiệm năng lượng và tài nguyên.

Giám sát và đánh giá tình trạng máy móc và thiết bị: Camera ảnh nhiệt có thể giúp kiểm tra độ bền, độ mòn, hay sự biến dạng của các bộ phận máy móc và thiết bị, giúp dự báo và phòng ngừa các hư hại và gia tăng tuổi thọ.

Trong quân sự và an ninh

Trong quân sự, camera ảnh nhiệt được sử dụng để nhận diện và theo dõi mục tiêu, cải thiện tầm nhìn ban đêm, hỗ trợ bắn phá, điều khiển máy bay không người lái, phát hiện mìn, đạn dược và thiết bị nổ. Camera ảnh nhiệt cũng được lắp đặt trên các phương tiện quân sự như xe tăng, xe bọc thép, máy bay trực thăng, máy bay chiến đấu hay tàu chiến để tăng khả năng tự vệ và tấn công.

Trong an ninh, camera ảnh nhiệt được dùng để giám sát và bảo vệ khu vực nhạy cảm như biên giới, cảng biển, sân bay, nhà máy điện, nhà tù hay các tòa nhà chính phủ. Camera ảnh nhiệt cũng có thể phát hiện các hoạt động bất thường như xâm nhập, đột nhập, trộm cắp hay gây hỏa hoạn. Ngoài ra, camera ảnh nhiệt còn có thể giúp cứu hộ và cứu nạn trong các trường hợp tai nạn giao thông, lũ lụt, động đất hay cháy rừng bằng cách tìm kiếm và cứu sống các nạn nhân.

Ứng dụng trong nghiên cứu khoa học, nghiên cứu động vật, thăm dò vũ trụ

Trong nghiên cứu khoa học, camera ảnh nhiệt có thể được sử dụng để đo nhiệt độ của các quá trình phản ứng hóa học, vật lý, sinh học, để phát hiện các hiện tượng bất thường như rò rỉ khí, cháy nổ, để kiểm tra chất lượng của các sản phẩm như linh kiện điện tử, vật liệu xây dựng, để theo dõi sự biến đổi của môi trường như nhiệt độ không khí, đất, nước.

Trong nghiên cứu động vật, camera ảnh nhiệt có thể được sử dụng để quan sát hành vi, sinh lý, sinh sản của các loài động vật, đặc biệt là các loài sống ban đêm hoặc trong điều kiện ánh sáng yếu. Camera ảnh nhiệt cũng có thể giúp phát hiện các bệnh lý, tổn thương, stress của động vật, để giúp bảo vệ và chăm sóc tốt hơn cho chúng.

Trong thăm dò vũ trụ, camera ảnh nhiệt có thể được sử dụng để khảo sát các thiên thể như sao, hành tinh, thiên hà, để tìm kiếm sự sống và các nguồn tài nguyên trên các hành tinh khác. Camera ảnh nhiệt cũng có thể giúp phát hiện các hiện tượng vũ trụ như sao băng, sao chổi, thiên thạch.

Các nhà sản xuất và thương hiệu camera ảnh nhiệt hàng đầu

FLIR Systems

Là công ty hàng đầu thế giới về thiết kế, sản xuất và phân phối các thiết bị và hệ thống ảnh nhiệt, quang học và hồng ngoại. FLIR Systems có trụ sở chính tại Hoa Kỳ và có mặt tại hơn 60 quốc gia. Các sản phẩm của FLIR Systems được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như quốc phòng, an ninh, cứu hỏa, y tế, xây dựng, điện lực và tự động hóa.

Fluke Corporation

Là công ty chuyên về sản xuất các thiết bị đo lường điện tử và công nghệ cao, bao gồm camera ảnh nhiệt. Fluke Corporation có trụ sở chính tại Hoa Kỳ và có chi nhánh tại nhiều quốc gia khác. Các sản phẩm của Fluke Corporation được sử dụng trong các lĩnh vực như công nghiệp, dịch vụ, giáo dục, y tế và nghiên cứu.

Seek Thermal

Là công ty chuyên về phát triển và sản xuất các thiết bị ảnh nhiệt nhỏ gọn và tiện lợi, có thể kết nối với điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng. Seek Thermal có trụ sở chính tại Hoa Kỳ và phân phối sản phẩm tại hơn 40 quốc gia. Các sản phẩm của Seek Thermal được sử dụng cho các mục đích như kiểm tra nhà cửa, săn bắn, du lịch và giải trí.

Testo

Là công ty chuyên về sản xuất các thiết bị đo lường và kiểm tra chất lượng, bao gồm camera ảnh nhiệt. Testo có trụ sở chính tại Đức và có chi nhánh tại hơn 30 quốc gia. Các sản phẩm của Testo được sử dụng trong các lĩnh vực như thực phẩm, y tế, môi trường, HVAC (điều hòa không khí) và công nghiệp.

Hikvision

Là công ty hàng đầu thế giới về cung cấp các giải pháp an ninh thông minh, bao gồm camera ảnh nhiệt. Hikvision có trụ sở chính tại Trung Quốc và có mặt tại hơn 150 quốc gia. Các sản phẩm của Hikvision được sử dụng trong các lĩnh vực như an ninh công cộng, giao thông, giáo dục, ngân hàng và bán lẻ.

Dahua Technology

Là công ty chuyên về cung cấp các giải pháp an ninh toàn diện, bao gồm camera ảnh nhiệt. Dahua Technology có trụ sở chính tại Trung Quốc và có mặt tại hơn 180 quốc gia. Các sản phẩm của Dahua Technology được sử dụng trong các lĩnh vực như an ninh đô thị, giao thông, y tế, năng lượng và công nghiệp.