2021/03/17

Hãy đọc bài viết này để hiểu rõ hơn về tia hồng ngoại!

Cách sử dụng tia hồng ngoại thông thường

Xin chào mọi người. Tôi là Teppei đến từ Kopro của Koyo Orient Nhật Bản, chúng tôi là nhà phân phối tấm siêu hấp thụ ánh sáng "Fine Shut" .

Sản phẩm "Fine Shut" của chúng tôi đã nhận được rất nhiều yêu cầu về các ứng dụng ngăn phản xạ bên trong camera cận hồng ngoại. Từ trước đến nay, sản phẩm được sử dụng chủ yếu làm vật liệu máy ảnh phản xạ ống kính đơn, nên lúc đầu tôi đã hỏi, "Hồng ngoại là gì?" . Để có câu trả lời thỏa đáng nhất cho câu hỏi này tôi đã tham dự các cuộc hội thảo ở nhiều nơi. Càng tìm hiểu, tôi càng thấy thú vị, đó là thế giới của tia hồng ngoại. Sau đây tôi xin chia sẻ với mọi người.

Tôi  nghĩ cũng có nhiều người đã biết qua về khái niệm " tia hồng ngoại" rồi đúng không nào?

Tuy nhiên, các bạn đã thực sự hiểu tia hồng ngoại được sử dụng xung quanh chúng ta như thế nào không?

" Điều khiển TV từ xa", " máy sưởi", " Camera quan sát ban đêm". Vâng đúng vậy, tất cả những thiết bị này đều sử dụng tia hồng ngoại.

Mặc dù vậy, những ví dụ trên có vẻ chưa được cụ thể, và đang ở phạm vi rộng. 

Trong bài viết này tôi sẽ giải thích 1 cách cụ thể hơn về các công dụng và cơ chế của tia hồng ngoại với những gì mà tôi tìm hiểu được.

Đầu tiên chúng ta sẽ đi trả lời cho câu hỏi 

" Tia hồng ngoại là gì?"

Mắt người có thể nắm bắt trực quan các sóng điện từ trong dải bước sóng từ 380 đến 750 nm. Bước sóng ngắn 380nm được nhận dạng là màu tím và phía bước sóng dài 750nm được nhận dạng là màu đỏ, nhưng dải bước sóng vượt quá 750nm của màu đỏ thì không nhìn thấy được. Đây được gọi là tia hồng ngoại. Hồng ngoại (IR = Infrared) vì nó nằm ngoài phạm vi nhìn có màu đỏ. Ngược lại, phạm vi không thể nhìn thấy ở bước sóng ngắn hơn màu tím được gọi là tử ngoại (UV = Ultraviolet).

 "Hình ảnh được lấy từ Wikipedia" Ánh sáng có thể nhìn thấy "

Tia hồng ngoại còn được gọi là tia hồng ngoại gần (750 đến 2500 nm), tia hồng ngoại trung bình (2500 đến 4000 nm) và tia hồng ngoại xa (4000 nm đến) từ phía gần hơn trong phạm vi ánh sáng nhìn thấy. Tuy nhiên, như tôi sẽ giải thích ở phần sau, "hồng ngoại gần" và "hồng ngoại xa" có các tính chất và cách sử dụng hoàn toàn khác nhau. Tôi nghĩ rằng thực tế là điều này được phân loại bằng từ "hồng ngoại" là một yếu tố làm chúng sự hiểu biết không rõ ràng về tia hồng ngoại.

Bây giờ, chúng ta hãy lấy một ví dụ quen thuộc làm ví dụ để giới thiệu việc sử dụng các tia hồng ngoại tận dụng các tia này, và làm rõ thêm hiểu biết của chúng ta về tia hồng ngoại.

Thiết bị cận hồng ngoại phổ biến nhất hiện nay

"IPHONE"!

 Đầu tiên, tôi sẽ giải thích từ một ví dụ về các ứng dụng hồng ngoại gần với ánh sáng khả kiến. Đặc điểm của vùng cận hồng ngoại có thể nói là “có đặc tính gần với ánh sáng nhìn thấy được” và “mắt người không nhìn thấy được” . Vì bước sóng gần với bước sóng của ánh sáng nhìn thấy nên các thiết bị, cảm biến, thấu kính, v.v. cho ánh sáng nhìn thấy, có khối lượng sản xuất lớn và giá cả hợp lý, có thể được sử dụng như hiện tại và có thể được sản xuất với chi phí thấp.

Ngoài ra, bởi vì nó là một ánh sáng vô hình, nên không thể bị chặn.

Đây là tài liệu chúng tôi đã chuẩn bị lần này để các bạn có thể biết những thiết bị cận hồng ngoại này quen thuộc và hữu ích như thế nào. iPhone XR và camera hồng ngoại gần.

Mặc dù là máy ảnh hồng ngoại gần, nhưng đây là phiên bản sửa đổi của máy ảnh kỹ thuật số bán trên thị trường. Cảm biến silicon được sử dụng trong máy ảnh kỹ thuật số có độ nhạy lên đến vùng cận hồng ngoại lên đến khoảng 1000 nm, dài hơn giới hạn bước sóng (lên đến 750 nm) mà mắt người có thể cảm nhận được. Do đó, thông thường, một bộ lọc không cho phép bước sóng dài hơn khoảng 750 nm được đưa vào để phù hợp với hình dạng của mắt người. Bộ lọc này được gọi là bộ lọc cắt IR.

Máy ảnh cận hồng ngoại được chuẩn bị lần này đã loại bỏ bộ lọc cắt IR này và ngược lại, một bộ lọc (bộ lọc truyền IR) chỉ cho phép các bước sóng dài hơn 760 nm được gắn vào. Kết quả là một camera chỉ có thể nhìn thấy ánh sáng hồng ngoại gần mà không nhìn thấy ánh sáng nhìn thấy.

Các thiết bị ánh sáng nhìn thấy có thể được chuyển đổi thành các thiết bị hồng ngoại gần chỉ bằng cách thay đổi bộ lọc. Các thiết bị có sẵn dễ dàng. Đây là đặc điểm của tia hồng ngoại gần trong khoảng từ 750 đến 1000 nm.

Bây giờ, chúng ta hãy quay trở lại chủ đề chính. Bạn hãy mở khóa iPhone này bằng Face ID ngay bây giờ. Mở khóa ngay lập tức khi bạn nghĩ rằng bạn đã bật nguồn. Thao tác này được thực hiện dễ dàng như không có bất kì tác động gì đến màn hình. Nhưng nếu bạn nhìn vào trạng thái của iPhone lúc này bằng camera hồng ngoại gần thì điều gì đang diễn ra?

1 đèn flash phát ra từ viền ở trên cùng của màn hình iPhone!

Vậy lý do xảy ra hiện tượng này?

Khi tôi chiếu thử đèn flash này lên tường, đó là vô số các đốm chấm nhỏ.

Trạng thái nhận dạng khuôn mặt và tạo Memoji là như vậy vì khuôn mặt được theo dõi liên tục. Tôi đã rất ngạc nhiên!

Điều này là do một bộ phận có tên "True Depth" được cài đặt từ iPhone X. Nó là một chức năng để nắm bắt khoảng cách chính xác của đối tượng từ máy ảnh, tức là hình dạng ba chiều của đối tượng.

Giám sát hơn 30.000 điểm ánh sáng hồng ngoại chiếu từ máy chiếu điểm với camera hồng ngoại. Vì camera hồng ngoại và máy chiếu điểm được đặt cách xa nhau nên các điểm sẽ được chiếu với độ lệch về bên so với máy ảnh một chút. Do đó, mỗi điểm do camera hồng ngoại chụp sẽ dịch chuyển theo hướng trái-phải tùy thuộc vào khoảng cách đến đối tượng. Bằng cách tính toán mức độ sai lệch này, có thể thu được khoảng cách đến mỗi chấm. Đó là một phương pháp đo 3D được gọi là phương pháp âm thanh nổi hoạt động.

Cơ chế này được sử dụng để nắm bắt hình dạng ba chiều của khuôn mặt đối tượng và cải thiện độ chính xác của nhận dạng khuôn mặt. Ngay cả khi bạn đeo kính râm, bạn vẫn có thể vượt qua chứng nhận nếu nó truyền một số tia hồng ngoại. Bạn đã bao giờ sử dụng Memoji chưa? Chức năng đọc ngay cả cơ mặt của người đứng trước camera cũng là một kỹ thuật mà thiết bị True Depth này có thể làm được.

Tôi cũng sẽ đăng iPhone và video mà tôi đã xem bằng camera hồng ngoại.

Công nghệ nhận dạng khoảng cách bằng phép chiếu mẫu chấm này là một công nghệ chung và có thể hoạt động hoàn toàn tương tự với ánh sáng nhìn thấy (mặc dù thật tuyệt vời khi cài đặt nó trên một chiếc điện thoại thông minh nhỏ như vậy). Nhưng nhìn thẳng vào ánh đèn flash cường độ cao mỗi khi bạn thực hiện nhận dạng khuôn mặt thì sao? Để khuôn mặt của bạn ở một ánh đèn flash quá mạnh sẽ gây khó chịu và phiền toái cho những người xung quanh, vì vậy điều đó là không thể. 

Vậy để trả lời cho câu hỏi:

"Cảm biến quang học hiện đại có thể được thực hiện mà không bị ai phát hiện hay không?"

Câu trả lời là: "Có, trong vùng hồng ngoại gần."

Cảm biến tự lái, LiDARx hồng ngoại gần

Ngành công nghiệp ô tô đã đạt được một bước ngoặt lớn trong những năm gần đây? Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ cảm biến, con đường dẫn đến giấc mơ lái xe tự động đã trở nên rõ ràng.

Một trong những thiết bị quan trọng giữ chìa khóa được gọi là "LiDAR". Bạn đã nghe nói về nó?

LiDAR là viết tắt của "Light Imaging Detection and Ranging". Trong một số trường hợp, phần Ánh sáng là Laser. Tôi xin phép tạm dịch sang tiếng Việt là "Phát hiện và định vị hình ảnh bằng ánh sáng".

Là một cơ chế đo khoảng cách chung sử dụng tia lazer, ánh sáng lazer được chiếu xạ tức thời và ánh sáng chiếu vào vật thể và quay trở lại sẽ được nhận. Bằng cách đo hình ảnh trong thời gian ngắn, có thể biết được khoảng cách đến vật thể. Cơ chế hoạt động của máy đo khoảng cách laser cho chơi golf cũng giống như vậy.

LiDAR là một thiết bị áp dụng điều này để tạo dữ liệu đám mây điểm bằng cách lặp lại một số lượng lớn các quan sát ở hai hoặc ba chiều trong thời gian ngắn. Điều này giúp bạn có thể nắm bắt được hình dạng của không gian và sự tồn tại của đối tượng. Bạn sẽ thấy rằng nó là một thiết bị rất hữu ích cho việc lái xe tự động.

Nguồn: Sony LiDAR

Bây giờ bạn đã hiểu cơ chế của LiDAR, loại hiệu suất nào là quan trọng để sử dụng nó cho việc lái xe tự động? Ví dụ, nếu khoảng cách giữa các điểm quan sát quá rộng, một chướng ngại vật nhỏ có thể đi qua tia laser và có thể không được nhận dạng. Nếu bạn muốn giảm khoảng thời gian, số lần đo mỗi giờ cũng rất quan trọng.

Tuy nhiên, chủ đề lần này là ánh sáng hồng ngoại. Hiệu suất LiDAR quan trọng liên quan đến điều này là khoảng cách quan sát và độ chính xác .Khoảng cách quan sát là một hiệu suất quan trọng. Xét quãng đường phanh của ô tô, cần đo chính xác ít nhất 100 mét.

Nhưng khoảng cách càng xa thì ánh sáng phản chiếu càng ít và khó phát hiện. Rất khó để xác định ánh sáng phản xạ từng phút trong môi trường đầy tạp âm ánh sáng bên ngoài. Vì vậy, như một biện pháp đối phó, có thể hiểu được việc tăng ánh sáng phản xạ bằng cách tăng công suất của tia laser để dễ phát hiện hơn.

Tuy nhiên có một vấn đề ở đây. Đó là một hiệu ứng trên mắt người .

 Bạn có thể đã nghe nói về những trò đùa ác ý bằng cách sử dụng con trỏ laser. Nguồn sáng laser trong dải ánh sáng nhìn thấy tập trung vào võng mạc và bị hội tụ, gây hại lớn cho mắt.

LiDAR, hiện đang là xu hướng chủ đạo, sử dụng bước sóng cận hồng ngoại 900 nm chủ yếu về giá thành. Tuy nhiên, vì bước sóng này gần với ánh sáng nhìn thấy, nên người ta nói rằng có cùng mức độ nguy hiểm cho mắt (trong trường hợp phản xạ ánh sáng xung) mặc dù nó không nhìn thấy được và không thể tăng công suất đủ. Do đó, trong những năm gần đây, sự phát triển của LiDAR sử dụng bước sóng hồng ngoại gần trong dải 1500 nm, có bước sóng dài hơn, ngày càng được mở rộng.

Điểm đáng khen là nó ít ảnh hưởng đến mắt. Ánh sáng hồng ngoại 1500 nm được hấp thụ trên bề mặt của mắt trước khi nó được hội tụ trên võng mạc. Kết quả là công suất cho phép đối với mắt lớn hơn 1 triệu lần so với công suất của ánh sáng nhìn thấy (phát xung). Điều này cho phép bạn sử dụng tia laser an toàn và đủ mạnh cho mắt của bạn.

Mặt khác, nhược điểm của việc sử dụng 1500nm là giá cả. Vì thị trường rộng lớn và các bộ tách sóng quang silicon rẻ tiền không có độ nhạy trong phạm vi 1500 nm, nên cần phải chuẩn bị các bộ tách sóng đặc biệt như bộ tách sóng quang vật liệu InGaAs. Có ý kiến cho rằng, chỉ riêng đơn vị này đã có giá chênh lệch gấp mấy lần so với silicon. Ban đầu, bản thân LiDAR được cho là có giá khởi điểm 100.000 yên / chiếc và có vẻ là một thiết bị đắt tiền được lắp trên xe hơi của người tiêu dùng phổ thông. Hơn nữa, chi phí cho một LiDAR 1500nm chính xác cao sẽ có giá bao nhiêu?

Cải thiện chi phí và hiệu suất của LiDAR này có thể là chìa khóa cho việc lái xe tự hành trong tương lai. Đó là lĩnh vực mà các công ty lớn nổi tiếng và các công ty liên doanh ở mỗi nước đang tích cực nghiên cứu nên sẽ có những bước phát triển vượt bậc trong tương lai.

Như đã đề cập ở trên, việc sử dụng ánh sáng hồng ngoại gần là từ khóa quan trọng của ngành công nghiệp lái xe tự hành hiện đại. Và ngay cả trong cùng một trường hợp cận hồng ngoại, tác dụng đối với mắt và chi phí cũng khác nhau rất nhiều tùy thuộc vào bước sóng.

2020/3/23 tái bút

Chúng tôi đã giới thiệu LiDAR để lái xe tự hành trong blog này, nhưng hóa ra LiDAR cũng sẽ được cài đặt trong iPad Pro được công bố vào ngày 18 tháng 3!

 Thiết bị LiDAR đầu tiên được tối ưu hóa cho các ứng dụng AR cho hầu hết mọi người. Dự kiến sẽ có sự phát triển ứng dụng LiDAR bùng nổ trong tương lai. Nhấp vào đây để xem video giới thiệu về ứng dụng sử dụng điều này .

Chúng ta sẽ đặt ra câu hỏi: "Tại sao nó lại là LiDAR thay vì hình chiếu dạng chấm (phương pháp âm thanh nổi chủ động) được giới thiệu trong vỏ iPhone?" Trong phương pháp âm thanh nổi chủ động, nếu máy ảnh và đèn pha không đủ xa nhau, độ chính xác của phép đo ở khoảng cách xa sẽ kém. Mặc dù khoảng cách lý tưởng cho các ứng dụng nhận dạng khuôn mặt trong phạm vi 30 đến 50 cm, nhưng có lẽ nó không phù hợp với phạm vi đo 5 m trên iPad Pro lần này.

Bây giờ, chúng ta hãy tập trung vào "vùng hồng ngoại từ giữa đến xa", vùng này có các đặc tính hoàn toàn khác nhau.

Thế giới qua lăng kính camera hồng ngoại xa

 Nhật Bản được công nhận là cường quốc về máy ảnh số một trên thế giới. Có những nhà sản xuất máy ảnh và nhà sản xuất ống kính nổi tiếng, và họ đang tung ra những chiếc máy ảnh có hiệu suất tuyệt vời. Tuy nhiên, ngay cả với cùng một thiết bị quang học, câu chuyện có vẻ khác khi nói đến camera hồng ngoại từ trung bình đến xa. Nhìn vào các gian hàng của các triển lãm liên quan, hầu hết đều là máy ảnh công nghiệp của các hãng sản xuất ở nước ngoài. Có rất ít sản xuất tại Nhật Bản. Vậy làn thế nào để lý giải điều  này?

Theo người phụ trách của nhà sản xuất ở nước ngoài, có vẻ như camera hồng ngoại từ trung bình đến xa là một ngành liên quan mật thiết đến quân sự và đang được phát triển, nghiên cứu đang được tiến hành ở Mỹ, Pháp và Israel. Điều này nghe có vẻ hợp lý. Mặt khác, Nhật Bản - tôi nghĩ rằng có hoàn cảnh chính trị khác.

Bỏ qua vấn đề này, tôi sẽ giải thích ví dụ ứng dụng của camera hồng ngoại từ trung bình đến xa bằng cách lấy phạm vi quan sát ban đêm làm ví dụ vì nó có liên quan đến quân sự.

Đầu tiên, một bộ đèn hồng ngoại gần và camera gần hồng ngoại, được giới thiệu trong ví dụ ứng dụng iPhone. Nếu bạn chiếu sáng vào ai đó và chụp ảnh bằng vật này, bạn có thể quan sát nó mà không bị người kia chú ý. Đây là sự khởi đầu của phạm vi tầm nhìn ban đêm. Bằng cách chiếu sáng bóng tối bằng ánh sáng hồng ngoại gần, bạn có thể tìm và tấn công kẻ thù trong một môi trường có vẻ sáng sủa và tươi sáng. Thật kì diệu phải không nào!

Tuy nhiên, điều này có một nhược điểm lớn.

Nếu bên kia nhìn vào nó bằng một máy ảnh hồng ngoại gần tương tự, đèn hồng ngoại gần sẽ nhanh chóng biến thành một mục tiêu hoàn hảo có thể tỏa sáng rực rỡ trong bóng tối. Điều này camera hồng ngoại trở nên vo nghĩa. Sau đó, các camera ánh sáng khả kiến có độ nhạy siêu cao có thể được nhìn thấy ngay cả trong ánh trăng nhỏ nhất sẽ xuất hiện, nhưng chính công nghệ hồng ngoại từ trung bình đến xa mới tạo ra đột phá.

Như đã đề cập ở phần đầu, tia hồng ngoại giữa đến xa nằm trong dải bước sóng của tia hồng ngoại giữa (2500 đến 4000 nm) và tia hồng ngoại xa (4000 nm đến). Vì các con số lớn hơn, đơn vị không phải là nm, nhưng 2,5 ~ 4μm, 4μm ~ thường được sử dụng.

 Nhiệt là năng lượng như dao động của nguyên tử và phân tử, nhưng dải bước sóng này bao gồm các tần số cộng hưởng với những dao động này. Sự rung động do nhiệt của phân tử bức xạ cũng giống như tia hồng ngoại từ giữa đến xa, và được hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt.

Đó là một từ thường được nghe thấy trong quảng cáo như "Hiệu ứng hồng ngoại xa làm cho nó ấm và ấm hơn." "Hiệu ứng hồng ngoại xa làm nóng bên trong thịt." Đây là đặc điểm của tia hồng ngoại trung bình đến xa lan truyền năng lượng nhiệt. Đó là một từ diễn đạt.

 Khi quan sát bằng ánh sáng nhìn thấy đến ánh sáng cận hồng ngoại, không có nhiều vật tự phát ra ánh sáng nên thông thường ta quan sát ánh sáng phản xạ và ánh sáng truyền qua của các vật được mặt trời chiếu sáng và thiết bị chiếu sáng. Tất nhiên, bạn không thể quan sát đối tượng trong một căn phòng tối hoàn toàn.

Thermography (camera hồng ngoại xa)

 Tuy nhiên, trong phạm vi hồng ngoại giữa đến xa, tất cả các vật thể đều tự phát ra tia hồng ngoại từ trung đến xa trừ khi chúng ở -273 ° C. Do đó, nó có thể được quan sát trong bất kỳ bóng tối nào miễn là có sự chênh lệch nhiệt độ giữa nền và chủ thể. Hình ảnh nhiệt độ mà bạn đôi khi nhìn thấy trên TV là hình ảnh thu được bởi một máy ảnh hồng ngoại từ trung bình đến xa.

 Có thể quan sát nhiệt của chính nó là rất hữu ích. Thân nhiệt của sinh vật, động cơ của phương tiện, báng súng sau khi tạo bọt. Nhiệt thường chứa thông tin quan trọng trên chiến trường.

Tôi đã tìm thấy một video dễ hiểu về cách một máy ảnh hồng ngoại từ trung bình đến xa hoạt động hiệu quả như một máy ảnh quan sát ban đêm. Xem so sánh hình ảnh thu được với NIGHT VISION (có thể là camera hồng ngoại gần có độ nhạy cao) và THERMAL (camera hồng ngoại xa trung bình).

Tuy nhiên, 1 trong những hạn chế của camera hồng ngoại từ trung bình đến xa là việc khử nhiễu rất khó khăn. 

Các biện pháp chống ổn đối với ánh sáng hồng ngoại được nhìn thấy rất dễ dàng. Nếu xuất hiện 1 vài khu vực bị phản xạ ánh sáng hãy che chỗ đó bằng vật liệu hấp thụ ánh sáng. Và sản phẩm của chúng tôi được sử dụng  với mục đích như vậy.

Hãy tham khảo hình ảnh dưới đây do chúng tôi chụp.

Tuy nhiên, khi nói đến ánh sáng hồng ngoại tầm trung đến xa, có rất nhiều vấn đề ở đây. Đó là nhiệt mà chúng ta quan sát, nhưng mọi thứ không phải là đối tượng quan sát cũng phát ra nhiệt. Nói cách khác, bất cứ thứ gì nóng đều là nguồn gây ra tiếng ồn. Ngay cả các thành phần của ống kính và máy ảnh.

Nếu bạn chế tạo máy ảnh từ vật liệu phát quang, bạn chỉ có thể chụp ảnh trắng tinh đầy nhiễu. Camera hồng ngoại tầm trung là một thế giới như vậy.

Vì lý do đó, điều quan trọng là phải khử nhiệt để có được chất lượng hình ảnh cao với camera hồng ngoại từ trung bình đến xa. Một trong những phương pháp được thực hiện ở đó là chụp ảnh trong khi làm mát máy ảnh bằng nitơ lỏng. Bạn có thể tưởng tượng rằng nó là một thiết bị có quy mô rất lớn.

Tuy nhiên, những hình ảnh thu được từ nó có độ chính xác cao, và sử dụng thiết bị mới nhất, nếu chênh lệch nhiệt độ giữa khí quyển và mục tiêu quan sát là 0,1 ° C, cách xa 100 m trong bóng tối.

Ngày nay, với sự ra đời của các cơ chế làm mát nhỏ như phân tử Pelche, sự ra đời của các cảm biến không làm mát và những tiến bộ trong xử lý nhiễu bằng phần mềm, kích thước, chất lượng hình ảnh và giá của các camera hồng ngoại tầm trung đến xa ngày càng trở nên nhỏ hơn và rẻ hơn. Các loại tiện dụng có giá dưới 100.000 yên cũng bắt đầu xuất hiện. Camera hồng ngoại từ trung bình đến xa đã trở nên rất quen thuộc.

 Có nhiều ứng dụng khác nhau có thể được áp dụng bằng cách kiểm tra nhiệt ngay từ đầu, chẳng hạn như kiểm tra thiết kế nhiệt của các mạch điện tử và tìm rò rỉ nước trên các bức tường bên ngoài của các tòa nhà. Trong tương lai, nó có thể trở thành một công cụ mà các công ty nói chung và cá nhân chúng tôi cũng có thể có được. Nó là một sản phẩm có thị trường phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, vì vậy chúng ta hãy quan tâm đến nó.

Cảm ơn bạn đã đọc đến hết bài viết này!

Hãy theo dõi tôi ở những bài viết tiếp theo.

-Teppei-