Tia hồng ngoại và ứng dụng

Vì vậtliệu bán dẫn “trong suốt” đối với ánh sáng hồng ngoại, tia hồng ngoại không bịyếu đi khi nó vượt qua các lớp bán dẫn để đi ra ngoài Năng lượng hồng ngoại IR là một phần của phổ điệ

I GIỚI THIỆU

1 Giới thiệu chung về bức xạ điện từ

Trong lịch sử khoa học: các nhà triết học Hy lạp cổ đại xem ánh sáng nhưcác tia truyền thẳng

Vào thế kỷ thứ 17, nhiều nhà khoa học Châu Âu tin vào giả thuyết: ánhsáng là một dòng các hạt rất nhỏ , một số nhà khoa học khác lại tin rằng: ánh sáng

là sóng, và nó được truyền đi trong môi trường chứa đầy ete

Sau khi lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ra đời, lý thuyết điện từ của JamesClerk Maxwell năm 1865, khẳng định lại lần nữa tính chất sóng của ánh sáng Đặcbiệt, lý thuyết này kết nối các hiện tượng quang học với các hiện tượng điện từhọc, cho thấy ánh sáng chỉ là một trường hợp riêng của sóng điện từ.Các thí nghiệm sau này về sóng điện từ, như của Heinrich Rudolf Hertz năm 1887,đều khẳng định tính chính xác của lý thuyết của Maxwell

Như vậy ánh sáng được mô tả theo tính chất tính chất sóng điện từ và theotính chất hạt Trong quang phổ học: ánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại, tia tửngoại, tia X, sóng radio… đều được chỉ bằng 1 thuật ngữ chung đó là bức xạ điện

từ, chúng chỉ khác nhau về độ dài sóng (bước sóng)

Khi mô tả tính chất sóng người ta dùng các thuật ngữ bước sóng, băng tần.Bức xạ điện từ mô tả theo tính chất sóng có thể được hình dung như một tổ hợpcác trường dao động điện E và một từ trường M vuông góc với nhau và chuyểnđộng với vận tốc không đổi trong môi trường nhất định

Bước sóng λ là khoảng cách giữa 2 đỉnh sóng kề nhau Đơn vị hay được sửdụng là nanomet hay đơn vị Angstron

2 Lịch sử của tia hồng ngoại

Nhà Thiên văn học, Sir William Herschel đã khám phá ra tia hồng ngoạivào năm 1800 Ông đã tự chế tạo cho mình các kính thiên văn với ống kính vàgương Ông biết rằng ánh nắng mặt trời có thể vẽ nên rất nhiều màu sắc bằng phổcủa nó và cũng là nguồn phát nhiệt Herschel muốn biết cụ thể màu nào phát sinhnhiệt trong chùm ánh sáng mặt trời

Ông ta đã làm thí nghiệm với lăng kính, bìa giấy và nhiệt kế với bóng sơnđen để đo lường nhiệt độ từ các màu sắc khác nhau Herschel quan sát sự gia tăngnhiệt độ khi ông di chuyển nhiệt kế từ ánh sáng màu tím đến ánh sáng màu đỏtrong cầu vồng tạo ra bởi ánh sáng mặt trời qua lăng kính, ông đã phát hiện rarằng, điểm nóng nhất thật sự nằm phía trên ánh sáng đỏ Bức xạ phát nhiệt nàykhông thể nhìn thấy được, ông đặt tên cho bức xạ không nhìn thấy được này là “tianhiệt” (calorific ray) mà ngày nay chúng ta gọi nó là tia hồng ngoại

3 Khái niệm tia hồng ngoại

Ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy đượcbằng mắt thường, có bước sóng khoảng từ 0.86µm đến 0.98µm Tia hồng ngoại cóvận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng

4 Bản chất và tính chất của tia hồng ngoại

-Tia hồng ngoại có bản chất sóng điện từ

- Tia hồng ngoại có thể truyền đi được nhiều kênh tín hiệu Nó được ứngdụng rộng rãi trong công nghiệp Lượng thông tin có thể đạt 3 mega bit /s Lượngthông tin được truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóngđiện từ mà người ta vẫn dùng

- Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém Trong điều khiển

từ xa bằng tia hồng ngoại, chùm tia hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng, do đó khithu phải đúng hướng

- Sóng hồng ngoại có những đặc tính quan trọng giống như ánh sáng (sựhội tụ qua thấu kính, tiêu cự …) Ánh sáng thường và ánh sáng hồng ngoại khácnhau rất rõ trong sự xuyên suốt qua vật chất Có những vật chất ta thấy nó dướimột màu xám đục nhưng với ánh sáng hồng ngoại nó trở nên xuyên suốt Vì vậtliệu bán dẫn “trong suốt” đối với ánh sáng hồng ngoại, tia hồng ngoại không bịyếu đi khi nó vượt qua các lớp bán dẫn để đi ra ngoài

Năng lượng hồng ngoại (IR) là một phần của phổ điện từ với các đặc tínhnữa tương tự như ánh sáng nhìn thấy được thông thường, chúng có khắp khônggian và di chuyển với tốc độ của ánh sáng, chúng có thể được phản xạ, khúc xạ,

hấp thu và phát xạ

Bước sóng của năng lượng IR nằm ở dãi độ lớn trên bước sóng của ánhsáng thông thường, giữa 0.7 và 1000 µm (phần triệu của mét) Các dạng chungkhác của bức xạ điện từ bao gồm sóng radio, tia cực tím và tia X

5 Nguồn phát tia hồng ngoại

Tất cả các vật thể đều phát xạ hồng ngoại như là một đặc tính nhiệt độ củachúng Năng lượng hồng ngoại được tạo ra do rung động và chuyển động quay củanguyên tử và phân tử, nhiệt độ càng cao, nguyên tử và phân tử chuyển động càngnhiều, càng tạo ra nhiều bức xạ hồng ngoại Năng lượng này sẽ được camera chụpảnh hồng ngoại phát hiện, camera hồng ngoại không phát hiện nhiệt độ, chúngphát hiện bức xạ nhiệt

Nhiệt độ không (zero) tuyệt đối (-273.16 oC, -459.67 oF), vật liệu sẽ ở trạngthái năng lượng thấp nhất vì vậy phát xạ hồng ngoại sẽ thấp nhất

6 Máy ghi hồng ngoại

Từ trái sang phải: ảnh thường, ảnh hồng ngoại đen trắng và ảnh hồng ngoại màu

Máy ghi hồng ngoại là một camera chụp và đo bằng tia hồng ngoại để

“thấy” và “đo” năng lượng bức xạ nhiệt từ một vật thể Chụp ảnh hồng ngoại là kỹthuật tạo ra bức ảnh mắt người thấy được từ việc phát xạ ánh sáng hồng ngoại củavật thể đối với trạng thái nhiệt của chúng Hầu hết các loại camera hồng ngoạichuẩn giống như máy quay phim thông thường, chúng tạo ra một ảnh trực tiếp trênmàn hình của sự bức xạ nhiệt

Một vài loại camera hồng ngoại tinh vi có thể đo nhiệt độ của vật thể hay

bề mặt bất kỳ bằng hình ảnh và tạo ra các ảnh màu sai để có thể giải thích rõ hơn

về trạng thái nhiệt một cách dễ dàng, ảnh được tạo ra từ camera hồng ngoại đượcgọi là ảnh hồng ngoại

Nhiệt, hay năng lượng hồng ngoại là một loại ánh sáng không nhìn thấyđược do bước sóng của nó quá dài mà mắt người không thể bắt được, đó là phầncủa phổ điện từ mà chúng ta biết như là nhiệt Không giống như ánh sáng thường

có thể thấy được, trong thế giới hồng ngoại, mọi vật có nhiệt độ trên nhiệt độkhông tuyệt đối đều phát xạ nhiệt thậm chí những vật rất lạnh như băng đá cũngphát ra nhiệt Nhiệt độ càng cao thì bức xạ nhiệt hồng ngoại càng lớn Hồng ngoạicho ta thấy cái mà mắt thường chúng ta không nhìn thấy

Chúng ta hãy cùng nhìn thế giới thường ngày qua cái nhìn hồng ngoại!

Hãy chú ý sự khác biệt về màu sắc!

Dựa vào tính chất này của hồng ngoại mà người ta đã tạo được nhiều ứngdụng trong đời sống

II MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TIA HỒNG NGOẠI

1.Chụp ảnh nhiệt

Công nghệ mắt nhìn ban đêm (Night Vision Goggles) khuếch đại mộtlượng nhỏ ánh sáng thông thường (đôi khi ánh sáng này gần với ánh sáng hồngngoại trong phổ điện từ) lên đến hàng ngàn lần vì vậy có thể nhìn được vật thểtrong ban đêm Tuy nhiên, để công nghệ này có thể hoạt động được đòi hỏi phải

có một ít ánh sáng thông thường như ánh trăng hay ánh sao, nếu không, sẽ khôngthể nhìn thấy vật thể

Mắt nhìn ban đêm Ảnh chụp hồng ngoại Ảnh chụp hồng ngoại

Chụp ảnh nhiệt làm việc bằng cách phát hiện năng lượng nhiệt bức xạ tựbản thân vật thể và tuyệt đối không cần đòi hỏi phải có bất kỳ ánh sáng thôngthường nào

Một điểm vượt trội khác của công nghệ chụp ảnh nhiệt so với công nghệmắt nhìn ban đêm là mắt nhìn ban đêm sẽ dễ dàng bị “mù” khi có ánh sáng chiếutrực diện vào, chụp ảnh nhiệt thì không bị ảnh hưởng bởi loại ánh sáng này

Chụp ảnh hồng ngoại là một công cụ giá trị và đa năng mà chúng ta khôngthể liệt kê được tất cả các ứng dụng của nó, công nghệ hồng ngoại với nhiều cáchmới và tiên tiến đã và đang được phát triển mỗi ngày

Chụp ảnh hồng ngoại có thể được sử dụng trong bất kỳ tình huống nào nơinảy sinh vấn đề với sự thể hiện khác nhau về nhiệt độ Với rất nhiều trường hợp,camera hồng ngoại rất dễ sử dụng, các điều kiện nhiệt có thể được phát hiện trongcác quá trình liên quan đến việc phát sinh nhiệt Ví dụ như trong việc kiểm tra điềukiện của các thiết bị phân phối điện năng Khi dòng điện chạy qua vật liệu có điệntrở, sẽ có nhiệt phát sinh Nếu hệ số phát xạ nhiệt đủ, ta có thể thấy nhiệt độ bằngcamera hồng ngoại Các kiểu nối bằng lắp ghép hay bulong có thể trở thành nhữngchổ có trở kháng cao trong trường hợp bulong lỏng, ăn mòn nhiều; sự gia tăng trởkháng đồng nghĩa với việc gia tăng nhiệt độ tại vị trí tiếp xúc và lúc này camerahồng ngoại có thể tìm thấy dễ dàng

Hình ảnh minh họa mối ghép bằng bulong bị lỏng trong việc truyền dẫn điện

Thông thường, vấn đề không hề đơn giản như ví dụ trên do bản chất củaviệc truyền dẫn nhiệt Người sử dụng nên được đào tạo để đọc hình ảnh nhiệttrong các ứng dụng đòi hỏi có tính phân tích

Một ví dụ đơn giản khác về sử dụng camera hồng ngoại, đó là trong việckiểm tra lớp bê tông nhựa đường, thông thường, mặt đường sau thời gian sử dụngbắt đầu xuống cấp, bắt đầu tách lớp và xuất hiện các ổ gà nhỏ, sau đó phát triển lêncác ổ gà lớn hơn, điều này gây nguy hiểm cho người đi đường cũng như lưu thôngtrên đường Để phát hiện và khắc phục sớm hơn hiện tượng này trước khi xuấthiện ổ gà, ta có thể dùng camera hồng ngoại kiểm tra mặt đường dưới tác dụng củaánh nắng mặt trời, chúng ta sẽ phát hiện ra nhiệt độ thể hiện khác nhau trên bề mặtcủa đường và dễ dàng tìm thấy các ổ gà tiềm tàng trước khi chúng xuất hiện

Ví dụ khác được sử dụng trong ngành hàng không Gần đây, hầu hết cáccánh phụ của máy bay đều sử dụng vật liệu tổng hợp với độ cứng cao và trọnglượng nhẹ

Vật liệu tổng hợp mang tính sống còn đối với các đặc tính và khả năng baycủa máy bay Tuy nhiên, kết cấu kiểu tổ ong của loại vật liệu này lại mang đếnmột nguy hiểm tiềm ẩn, đó là dễ bị thấm nước

Thực tế cho thấy rằng, để kiểm soát hoàn toàn bề mặt của cánh máy baytránh khỏi bị thấm nước là hầu như không thể được Vấn đề trở nên trầm trọng bởi

sự tác động của ánh nắng và mưa đá gây nên các va chạm mà mắt thường có thểnhận thấy được Nước thấm vào cấu trúc tổ ong và đọng lại đó, khi máy bay lênmột độ cao nhất định, nước sẽ đông lại và giãn nở ra, phá hỏng cấu trúc tổ ông củacánh máy bay Vấn đề này sẽ tiếp tục phát triển như một căn bịnh ung thư theothời gian, hủy hoại mối liên kết cấu trúc và dẫn tới phá hỏng bộ phận cánh máybay

Mãi cho đến gần đây, vấn đề này chỉ được kiểm tra bằng một phương phápduy nhất có hiệu quả, đó là chụp X-quang (radiography), phương pháp này có độchính xác cao nhất trong khi đó lại có rất nhiều điểm bất tiện như: tiêu tốn thờigian lâu, thiết bị đắt, đòi hỏi nhiều người và có thể ảnh hưởng xấu đến nhân viên

kỹ thuật thao tác

Chụp ảnh nhiệt có thể là một công cụ cần thiết cho việc kiểm tra cánh máybay trong trường hợp này Sau khi máy bay hạ cánh, phần nước chứa trong cánhmáy bay ở trạng thái đóng băng 0oC bắt đầu tan ra, trong khi đó phần bề mặt cánhmáy bay bắt đầu nóng lên đến nhiệt độ môi trường Điều này cung cấp trạng tháikhác nhau về nhiệt độ rất lớn, sử dụng camer hồng ngoại có thể phát hiện được

trạng thái của cánh máy bay Camera hồng ngoại bắt độ phát xạ của mục tiêu trongtầm nhìn của nó, độ phát xạ được định nghĩa như là năng lượng hồng ngoại phát ra

từ mục tiêu và bị điều biến bởi ảnh hưởng của bầu khí quyển, trong đó bao gồmphát xạ, phản xạ và độ lan truyền của năng lượng hồng ngoại Một mục tiêu mờ(opaque target) có hệ số lan truyền bằng zero Màu trên một hình ảnh hồng ngoạirất khác nhau do sự biến đổi của độ phát xạ Độ phát xạ của mục tiêu mờ cũng cóthể rất khác nhau tùy thuộc vào nhiệt độ, hệ số phát xạ và năng lượng phản xạ củamục tiêu

Máy chụp ảnh hồng ngoại thấy mục tiêu thể hiện ở đặc tính tương phản hệ

số phát xạ hàng ngày, có thể chụp được rất nhiều mục tiêu khác nhau, có thể làdây cáp điện bọc cách điện với đầu nối trần, có thể là tấm kim loại mỏng trên một

bề mặt được sơn…

Danh sách các vật thể có thể chụp được bằng camera hồng ngoại thì rất dài,Tất cả các vấn đề đó đều được xây dựng trên cơ sở lý thuyết của vật thể mờ(opaque ojects), ở vật thể mờ, hệ số phát xạ và hệ số phản xạ có sự liên quan vớinhau Hệ số phát xạ càng cao thì độ phản xạ càng thấp và ngược lại Công thứcnăng lượng chuyển đổi được thể hiện như sau:

Ở công thức (b), cho ta thấy rõ ràng nếu hệ số phát xạ càng cao thì hệ sốphản xạ càng thấp và ngược lại Hệ số phát xạ càng cao thì càng thích hợp chocamera hồng ngoại Thông số đo được chính xác nhất khi có hệ số phát xạ caonhất từ mục tiêu Các camera hồng ngoại hiện đại ngày nay có thể phát hiện mụctiêu với hệ số phát xạ rất nhỏ Hệ số phát xạ càng thấp thì độ chính xác của phép

đo càng thấp, các nghiên cứu chỉ ra rằng, với hệ số phát xạ ε <0.5 thì phép đo sẽkhông còn chính xác

Bảng hệ số phát xạ của từng loại vật liệu rất phổ biến nhưng hệ số phát xạthì không ổn định, như trên đã đề cập, hệ số phát xạ như là một đặc tính bề mặtcủa vật liệu, ngoài ra, hình dáng của vật thể cũng ảnh hưởng đến hệ số phát xạ củavật thể Đối với vật liệu bán trong suốt (semi-transparent), chiều dày sẽ ảnh hưởngđến hệ số phát xạ Các yếu tố khác ảnh hưởng đến hệ số phát xạ bao gồm: gócnhìn (viewing angle), bước sóng (wavelength) và nhiệt độ (temperature)

Sự phụ thuộc của bước sóng vào hệ số phát xạ có nghĩa là các camera hồngngoại khác nhau có thể đo được các giá trị khác nhau trên cùng một vật thể Vìthế, để phép đo được chính xác, vật thể được đo phải đặt trong các điều kiện giốngnhư các điều kiện được giám sát hàng ngày

2 Điều khiển từ xa

Đó là truyền đạt lệnh điều khiển bằng những tín hiệu đã mã hoá hoặcnhững tín hiệu vô tuyến điện mang thông tin điều khiển từ máy do người (hoặcmáy tính) điều khiển đến đối tượng được điều khiển trên các kênh thông tin

Kỹ thuật điều khiển từ xa khi ứng dụng cho các thiết bị dân dụng như máythu hình, đầu máy, máy lạnh và cả máy quay phim, chụp ảnh thì các bộ điềukhiển từ xa (thường gọi là remote) thường dùng tia hồng ngoại để truyền lệnh điềukhiển (đổi kênh, tăng giảm âm lượng, thay đổi độ chói, độ tương phản, đóng mở,bật tắt, điều chỉnh nhiệt độ )

Kỹ sư ChiêmVăn Sơn, trung tâm điện tử Thanh Sơn giải thích về nguyên lýhoạt động của các bộ điều khiển từ xa dùng hồng ngoại như sau: Thiết bị điềukhiển (remote) là bộ phận phát tia hồng ngoại truyền tín hiệu hồng ngoại để bộphận thu (được gắn ở các thiết bị cần điều khiển) là tivi, máy lạnh, đầu đĩa Tiahồng ngoại truyền từ bộ điều khiển đến bộ phận thu lúc này đóng vai trò như một

"dây" dẫn để truyền các dữ liệu đã được mã hoá từ bộ chiếc remote đến phần thutín hiệu hồng ngoại trên thiết bị cần được điều khiển Và bàn phím trên chiếcremote là một ma trận mà mỗi phím chứa một đoạn mã dữ liệu khác nhau Khithiết bị thu hồng ngoại trên chiếc tivi (hay trên một thiết bị nào đó) nhận được một

mã tín hiệu cụ thể phát ra từ remote thì nó sẽ tiến hành so sánh để "nhận" và thựcthi lệnh như bật tắt, tăng giảm volume, chuyển kênh hay điều chỉnh độ sáng tối

Lý do mà remote của ti vi hãng này không thể hiểu được remote của ti vihãng kia là do các mã được quy ước khác nhau

Tuy nhiên, người ta cũng có thể dùng những chiếc remote đa năng để điềukhiển nhiều thiết bị hoặc nhiều loại thiết bị khác nhau Đó là trong bộ nhớ củachiếc remote đó người ta tích hợp các dải mã của tất cả các hãng (chúng được cáchãng công bố ở trên website hoặc trên các tài liệu của họ), và khi sử dụng, ngườidùng chỉ cần bấm một phím hoặc một tổ hợp phím được quy định trên chiếcremote đa năng là có thể kích hoạt cho chiếc remote hoạt động đúng với thiết bịcần được điều khiển (nghĩa là phát ra những đoạn mã mà phần thu hồng ngoại trênchiếc tivi hay thiết bị gia dụng đó hiểu được)

Áp dụng hình thức này, nhiều người đã dùng chiếc điện thoại di động (loại

có phát hồng ngoại) để điều khiển các thiết bị gia dụng Cách làm là cài nhữngphần mềm chứa các code (mã lệnh) điều khiển các thiết bị khác nhau của các hãng

về để cài vào điện thoại và lúc ấy bàn phím của điện thoại trở thành bàn phím củachiếc điều khiển từ xa