Camera ảnh nhiệt không "nhìn" ánh sáng mà đo bức xạ hồng ngoại bước sóng dài (khoảng 8–14 micromet) mà mọi vật tự phát ra theo nhiệt độ của chính nó, rồi tô màu giả để mắt người đọc được. Tấm kính cửa sổ chặn được camera này vì thuỷ tinh thông thường gần như không cho hồng ngoại bước sóng dài đi qua: nó hấp thụ, rồi tự phát bức xạ theo nhiệt độ của mặt kính, đồng thời phản chiếu hơi ấm của người đứng trước. Camera thấy tấm kính, không thấy gì phía sau.
Mọi vật đều đang "phát sáng"
Bất cứ vật gì có nhiệt độ trên độ không tuyệt đối đều phát ra bức xạ điện từ. Vật càng nóng, bức xạ càng mạnh và đỉnh bức xạ càng dịch về bước sóng ngắn. Thanh sắt nung tới gần 1.000°C phát sáng đỏ cam ta thấy được. Bếp điện tắt rồi, hết đỏ, nhưng vẫn phát bức xạ ở bước sóng dài hơn mà mắt không nhận ra.
Cơ thể người ở khoảng 37°C phát mạnh nhất quanh bước sóng gần 10 micromet — dài hơn ánh sáng đỏ khoảng mười lăm lần. Mặt đường, bức tường, cái cây, chén trà đều đang phát loại bức xạ này. Camera ảnh nhiệt được chế tạo để bắt đúng dải ấy. Khí quyển cũng tình cờ khá trong suốt ở dải 8–14 micromet, nên bức xạ đi được xa mà không bị hơi nước nuốt mất.
Bên trong một camera ảnh nhiệt
Ống kính không bằng thuỷ tinh
Vì thuỷ tinh chặn hồng ngoại bước sóng dài, ống kính của camera nhiệt phải làm bằng vật liệu khác: thường là germani (một nguyên tố bán dẫn, trông như kim loại xám bóng), hoặc thuỷ tinh chalcogenide đặc biệt. Germani gần như đục với ánh sáng nhìn thấy nhưng trong suốt với hồng ngoại — ngược hẳn với thuỷ tinh. Đây là một lý do khiến camera nhiệt đắt hơn camera thường.
Cảm biến nhiệt li ti
Phần lớn camera nhiệt dân dụng dùng vi nhiệt kế điện trở (microbolometer): một lưới các tấm cực mỏng, mỗi tấm là một điểm ảnh. Khi bức xạ hồng ngoại chiếu vào, tấm nóng lên một chút và điện trở thay đổi. Mạch điện đọc thay đổi đó và đổi thành nhiệt độ. Loại cảm biến này không cần làm lạnh sâu, nên camera nhỏ gọn được. Độ phân giải thường thấp hơn camera điện thoại nhiều — phổ biến ở mức vài chục nghìn đến vài trăm nghìn điểm ảnh.
Màu là màu giả
Camera không thấy màu. Nó chỉ có một con số nhiệt độ cho mỗi điểm. Phần mềm gán bảng màu: thường là đen – tím cho lạnh, vàng – trắng cho nóng, hoặc thang xám. Cùng một cảnh có thể hiện nhiều kiểu màu khác nhau chỉ bằng cách đổi bảng màu.
Vì sao tấm kính "chặn" camera nhiệt
Đây là chỗ nhiều người ngạc nhiên nhất: đứng sau cửa kính trong suốt, ảnh nhiệt không thấy người ở trong nhà. Có ba chuyện xảy ra cùng lúc:
- Thuỷ tinh hấp thụ hồng ngoại bước sóng dài gần như hoàn toàn. Hơi ấm từ người bên trong không đi xuyên qua được.
- Thuỷ tinh tự phát bức xạ theo nhiệt độ của chính nó. Camera đọc nhiệt độ bề mặt kính, thường gần bằng không khí xung quanh.
- Thuỷ tinh phản chiếu một phần hồng ngoại như gương. Người cầm camera đứng trước kính sẽ thấy "bóng nhiệt" của chính mình trên mặt kính.
Nước cũng tương tự: một lớp nước mỏng đã đủ đục với hồng ngoại bước sóng dài. Ngược lại, một số loại nhựa mỏng như túi polyetylen lại để hồng ngoại đi qua khá nhiều. Trong các buổi trình diễn khoa học, người ta hay cho xem cảnh bàn tay trong túi nhựa đen: mắt không thấy gì, camera nhiệt thấy rõ hình bàn tay. Cùng một bài học: "trong suốt" hay "đục" luôn phụ thuộc vào bước sóng.
Những thứ camera nhiệt dễ đọc sai
| Tình huống | Ảnh hiện ra | Lý do |
|---|---|---|
| Nồi inox bóng chứa nước sôi | Trông nguội, hoặc hiện bóng người đứng gần | Kim loại bóng phát xạ kém, phản chiếu nhiều |
| Nồi cùng nhiệt độ nhưng sơn đen mờ | Trông nóng đúng như thật | Bề mặt mờ phát xạ gần như vật đen lý tưởng |
| Bức tường vừa bị nắng chiếu | Sáng rực dù trong nhà mát | Camera chỉ đọc nhiệt độ bề mặt |
| Chỗ người vừa ngồi trên ghế | Vẫn còn "bóng" ấm vài phút | Ghế giữ nhiệt; camera thấy hơi ấm còn sót lại |
| Cửa kính phòng có người | Chỉ thấy mặt kính và bóng phản chiếu | Thuỷ tinh chặn và phản chiếu hồng ngoại dài |
Khả năng phát xạ của bề mặt gọi là độ phát xạ. Camera chuyên nghiệp cho người dùng nhập độ phát xạ của vật cần đo để tính nhiệt độ đúng hơn. Không chỉnh, kim loại bóng luôn bị đọc thấp.
Một ngộ nhận phổ biến từ phim: camera nhiệt "nhìn xuyên tường". Thực tế, nó chỉ thấy nhiệt độ mặt ngoài bức tường. Nếu sau tường có ống nước nóng chạy lâu ngày làm tường ấm lên, camera thấy vệt ấm — nhưng đó là tường ấm, không phải nhìn xuyên.
Camera nhiệt khác camera "nhìn đêm" thế nào
Nhiều camera an ninh có chế độ ban đêm với những bóng đèn đỏ mờ quanh ống kính. Đó là hồng ngoại gần (bước sóng khoảng 0,85–0,94 micromet), chỉ dài hơn ánh sáng đỏ một chút. Đèn chiếu hồng ngoại gần ra, cảnh vật phản xạ lại, cảm biến thường bắt được. Đây vẫn là ảnh phản xạ, giống chụp ảnh có đèn flash vô hình, chứ không đo nhiệt.
Camera nhiệt thì không cần đèn: nó thu bức xạ tự phát của vật. Vì vậy nó thấy được trong bóng tối hoàn toàn, thấy qua khói mỏng, nhưng không thấy qua kính, và không đọc được chữ in trên giấy (giấy và mực cùng nhiệt độ).
Camera nhiệt dùng để làm gì trong đời sống
- Kiểm tra nhà: tìm chỗ rò nhiệt quanh khung cửa, chỗ thấm nước làm tường lạnh hơn, đường ống nóng trong tường.
- Điện: mối nối lỏng, cầu dao quá tải nóng lên bất thường trước khi hỏng.
- Cứu hoả: lính cứu hoả dùng camera nhiệt để thấy người và đám cháy âm ỉ qua khói.
- Thú y, bảo tồn: đếm thú ban đêm, phát hiện viêm ở chân ngựa.
- Sân bay, cửa khẩu: sàng lọc người có thể sốt. Camera chỉ đo nhiệt độ da, chịu ảnh hưởng của mồ hôi, gió, vừa đi nắng vào — nên chỉ để sàng lọc, không thay cho nhiệt kế và khám bệnh.
Góc nhìn hôm nay
Camera nhiệt dân dụng giờ rẻ hơn nhiều so với hai mươi năm trước; có loại gắn vào điện thoại. Nếu có dịp mượn một chiếc, hãy thử nhìn cửa kính, chén trà, bàn tay vừa rửa nước lạnh, chiếc chìa khoá kim loại — từng cảnh là một bài học vật lý. Người muốn đọc thêm về lịch sử phát hiện tia hồng ngoại (William Herschel năm 1800) có thể xem bài riêng trong danh mục "Thứ mắt người không thấy". Trang giáo dục của NASA về phổ điện từ cũng giải thích rõ các dải hồng ngoại gần, trung và xa.
Câu hỏi thường gặp
Camera ảnh nhiệt hoạt động thế nào?
Nó thu bức xạ hồng ngoại bước sóng dài, khoảng 8–14 micromet, mà mọi vật tự phát ra theo nhiệt độ. Cảm biến đổi cường độ bức xạ thành nhiệt độ cho từng điểm, rồi phần mềm tô màu giả để hiển thị.
Vì sao camera nhiệt không nhìn xuyên được kính?
Vì thuỷ tinh thường hấp thụ gần như toàn bộ hồng ngoại bước sóng dài. Camera chỉ đọc được nhiệt độ của chính mặt kính và hơi ấm phản chiếu trên đó.
Camera nhiệt có nhìn xuyên tường được không?
Không. Nó chỉ thấy nhiệt độ bề mặt bức tường. Nếu có vật nóng sau tường lâu ngày làm tường ấm lên, camera thấy vệt ấm trên mặt tường chứ không thấy vật phía sau.
Ống kính camera nhiệt làm bằng gì?
Thường bằng germani hoặc thuỷ tinh chalcogenide, những vật liệu trong suốt với hồng ngoại bước sóng dài. Thuỷ tinh thông thường không dùng được vì nó chặn dải sóng này.
Camera nhiệt khác camera hồng ngoại nhìn đêm ra sao?
Camera nhìn đêm thường dùng đèn hồng ngoại gần chiếu ra rồi thu ánh sáng phản xạ. Camera nhiệt không cần đèn, thu bức xạ tự phát theo nhiệt độ của vật nên thấy được trong bóng tối hoàn toàn.
