Lịch sử công nghệ ảnh nhiệt

Công nghệ ảnh nhiệt (Thermography) ngày nay đã trở thành công cụ không thể thiếu trong bảo trì điện, cơ khí, kiểm tra tòa nhà và cả y tế. Với hơn 200 năm phát triển, từ những thí nghiệm đầu tiên về bức xạ hồng ngoại cho đến các hệ thống camera nhiệt độ phân giải cao hiện đại, công nghệ này đã thay đổi hoàn toàn cách con người “nhìn thấy” nhiệt độ.

Bài viết này tổng hợp lịch sử phát triển công nghệ ảnh nhiệt dựa trên các cột mốc khoa học quan trọng, giúp bạn hiểu rõ nền tảng, bước tiến kỹ thuật và ứng dụng thực tiễn của thiết bị này, tiêu biểu như hãng camera nhiệt Testo.

Công nghệ ảnh nhiệt là gì?

Công nghệ ảnh nhiệt (Thermography) là lĩnh vực sử dụng công nghệ hồng ngoại để phát hiện bức xạ nhiệt phát ra từ vật thể và chuyển đổi thành hình ảnh biểu diễn phân bố nhiệt độ.

Hình 1. Phổ điện từ

Theo định luật bức xạ nhiệt, mọi vật thể có nhiệt độ lớn hơn 0 Kelvin đều phát ra bức xạ hồng ngoại. Camera nhiệt thu nhận năng lượng này thông qua cảm biến (microbolometer hoặc detector quang dẫn), xử lý tín hiệu và tạo thành ảnh màu (thermogram).

Khác với cảm nhận nhiệt của con người vốn chỉ đánh giá tương đối camera nhiệt có thể:

- Đo chính xác nhiệt độ từng điểm ảnh (radiometric measurement)

- Phát hiện điểm nóng sớm trong hệ thống điện trước khi xảy ra cháy nổ

- Kiểm tra thất thoát năng lượng công trình mà không cần phá hủy cấu trúc

- Đây là nền tảng của phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT – Non Destructive Testing) theo tiêu chuẩn quốc tế.

Thiết bị chụp ảnh nhiệt TESTO 883

Lịch sử công nghệ ảnh nhiệt

Năm 1800 – Phát hiện bức xạ hồng ngoại

Năm 1800, nhà thiên văn học William Herschel phát hiện ra bức xạ hồng ngoại khi đo nhiệt độ các vùng màu khác nhau của quang phổ ánh sáng mặt trời. Ông nhận thấy vùng nằm ngoài ánh sáng đỏ nhìn thấy có nhiệt độ cao nhất — khu vực sau này được gọi là tia hồng ngoại (infrared).

Hình 2- Ảnh nhiệt dư truyền từ bàn tay đến bề mặt một bức tường dễ dàng được phát hiện bởi thiết bị chụp ảnh nhiệt

Khám phá này đặt nền móng cho toàn bộ ngành đo lường nhiệt bằng bức xạ.

1820 - 1900: Từ cảm nhận đến đo lường chính xác

Thế kỷ 19 chứng kiến nhiều phát minh quan trọng:

- Thomas Johann Seebeck: phát hiện hiệu ứng nhiệt điện

- Leopoldo Nobili: phát triển nhiệt kế điện

- Macedonio Melloni: cải tiến thiết bị đo bức xạ hồng ngoại

- Samuel Pierpont Langley: phát minh bolometer, tăng độ nhạy đo nhiệt lên mức chưa từng có

Giai đoạn này đánh dấu bước chuyển từ “cảm nhận nhiệt” sang “đo lường nhiệt chính xác”.

Camera nhiệt UNI-T UTi220B

1840–1918: Hình ảnh hồng ngoại đầu tiên

Con trai của William Herschel là John Herschel đã tạo ra hình ảnh hồng ngoại đầu tiên bằng kỹ thuật bay hơi vi sai. Đến giai đoạn 1916–1918, Theodore Case phát triển bộ dò quang dẫn, cho phép phát hiện photon trực tiếp thay vì đo nhiệt gián tiếp tăng mạnh tốc độ và độ nhạy hệ thống. Đây là tiền đề cho camera nhiệt điện tử hiện đại.

1940–1960: Ứng dụng quân sự và thương mại hóa

Trong Thế chiến II, công nghệ hồng ngoại được đầu tư mạnh cho mục đích quân sự:

- Phát hiện mục tiêu trong đêm tối

- Quan sát xuyên khói bụi

- Tăng hiệu quả trinh sát chiến thuật

Đến thập niên 1960, ảnh nhiệt bắt đầu được ứng dụng dân sự trong kiểm tra đường dây truyền tải điện và bảo trì công nghiệp nặng.

Hình 3- Thiết bị ảnh nhiệt giúp phát hiện hình ảnh phổ nhiệt trong phổ sóng hồng ngoại mà không cần tiếp xúc trực tiếp thiết bị

Cuối thập niên 1980: Cách mạng FPA

Công nghệ Focal Plane Array (FPA) đánh dấu bước ngoặt lớn. Thay vì quét cơ học từng điểm, FPA sử dụng ma trận cảm biến đặt tại mặt phẳng tiêu cự, giúp:

- Tăng độ phân giải

- Tăng độ bền thiết bị

- Giảm thời gian xử lý

Ngày nay, camera nhiệt phổ biến có độ phân giải từ 160×120 đến 640×480 pixel; các hệ thống nghiên cứu có thể vượt 1 megapixel.

Công nghệ hiện đại: LWIR, MWIR và AI

Camera nhiệt hiện đại phân loại theo dải bước sóng:

- LWIR (8–15 µm): phổ biến trong công nghiệp

- MWIR (2.5–6 µm): độ nhạy cao, ứng dụng chuyên sâu

Hình 4 – Thiết bị ảnh nhiệt giúp phát hiện hình ảnh phổ nhiệt trong phổ sóng hồng ngoại mà không cần tiếp xúc trực tiếp thiết bị

Hệ thống hiện nay có:

- Độ nhạy nhiệt ≤ 0.05°C

- Ảnh bức xạ hoàn toàn (radiometric)

- Công nghệ chồng ảnh IR Fusion

- Phần mềm phân tích tích hợp AI để phát hiện bất thường tự động

Ảnh nhiệt bước vào kỷ nguyên thông minh

Sự phát triển của công nghệ FPA sử dụng các máy dò khác nhau đã tăng lên đáng kể từ năm 2000.

Camera ảnh nhiệt bước sóng dài (long-wave) giúp phát hiện năng lượng hồng ngoại ở bước sóng giữa vùng 8µm đến 15 µm. Micron (µm) là đơn vị đo bước sóng bằng một phần một ngàn militmeter (0.001 mm).

Máy camera Testo 875-2i được thiết kế cho các chuyên gia bảo trì và kiểm tra kỹ thuật

Camera ảnh nhiệt bước sóng trung (mid-wave) là thiết bị giúp phát hiện năng lượng hồng ngoại ở dải bước sóng giữa vùng 2.5µm đến 6µm.

Hệ thống ảnh nhiệt dạng long-wave hoặc mid-wave thường là phiên bản ảnh bức xạ hoàn toàn, nó đi kèm chức năng hình ảnh tổng hợp IR Fusion (ảnh với độ phần trăm hồng ngoại và ảnh trong ảnh) và độ nhạy nhiệt là 0.05oC (0.09oF) hoặc thấp hơn.

Chi phí trong hệ thống giảm đi gần 10 lần trong hơn thập kỷ qua và chất lượng tăng đáng kể. Hơn nữa, việc sử dụng phần mềm để xử lý hình ảnh đã phát triển rất nhiều. Gần như các hệ thống hồng ngoại hiện đại, có sẵn trên trị trường đều sử dụng phần mềm để tạo điều kiện phân tích và làm báo cáo chuyên nghiệp. Các báo cáo có thể nhanh chóng được tạo và gửi đi thông qua Internet hoặc được bảo quản ở định dạng phổ biến, chẳng hạn như pdf và được ghi lại trên các thiết bị lưu trữ kỹ thuật số khác.