Luận án về phát triển nguồn giả vật đen cho hiệu chỉnh ảnh thu từ camera nhiệt

Nguồn giả vật đen là một thiết bị quan trọng trong lĩnh vực hồng ngoại, đặc biệt là trong việc hiệu chỉnh ảnh… 182 trang · Học viện Khoa học và Công nghệ.

• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Đại Hưng
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Phát Triển Nguồn Giả Vật Đen Cho Hiệu Chỉnh Ảnh Nhiệt
• Loại tài liệu: luận án

Mục lục chi tiết

• Lời cam đoan
• Lời cảm ơn
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỨC XẠ VẬT ĐEN
• 1.1. Các đại lƣợng đặc trƣng bức xạ nhiệt
• 1.1.1. Công suất bức xạ
• 1.1.2. Độ trƣng bức xạ
• 1.1.3. Cƣờng độ bức xạ
• 1.2. Hấp thụ, phản xạ, truyền qua bức xạ
• 1.3. Bức xạ của vật đen tuyệt đối
• 1.3.1. Năng suất phát xạ đơn sắc
• 1.3.2. Đặc trƣng phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối. Định luật Stefan - Boltzmann
• 1.3.3. Định luật Wien
• 1.4. Cơ sở lý thuyết bức xạ nguồn giả vật đen
• 1.4.1. Phát xạ của vật thực
• 1.4.2. Hốc phát xạ của nguồn bức xạ giả vật đen. Kiểu dạng hốc phát xạ
• 1.4.3. Dòng bức xạ từ một bề mặt hốc phát xạ
• 1.4.4. Hệ số phát xạ hiệu dụng
• 1.4.5. Nhiệt độ bức xạ
• 1.4.6. Tính bất đẳng nhiệt của hốc phát xạ thực
• 1.5. Kết luận Chƣơng 1
• 2. CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG BỨC XẠ CỦA HỐC PHÁT XẠ VẬT ĐEN
• 2.1. Phƣơng pháp tính toán tất định. Các biểu thức tính toán gần đúng
• 2.2. Phƣơng pháp giải tích. Phƣơng trình tích phân cơ bản
• 2.2.1. Các phƣơng trình tính hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc hình trụ - đáy nón lõm
• 2.3. Phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo
• 2.3.1. Phƣơng pháp Monte Carlo trong đo lƣờng bức xạ
• 2.3.2. Mô hình hóa ngẫu nhiên các tính chất quang học của bề mặt
• 2.3.3. Xác suất các quá trình lan truyền và tƣơng tác bức xạ
• 2.3.4. Kỹ thuật gán trọng số thống kê
• 2.3.5. Mô phỏng Monte Carlo trong tính toán đặc trƣng bức xạ của hốc phát xạ
• 2.3.5.1. Phƣơng pháp mô phỏng dựa trên phát xạ
• 2.3.5.2. Phƣơng pháp mô phỏng dựa trên hấp thụ bức xạ
• 2.4. Phƣơng pháp đo lƣờng thực nghiệm
• 2.4.1. Các phƣơng pháp đo phản xạ
• 2.4.1.1. Đo phản xạ bằng laser
• 2.4.1.2. Đo phản xạ bằng nguồn bức xạ dải rộng
• 2.4.2. Đo lƣờng trắc xạ các nguồn bức xạ vật đen
• 2.4.2.1. Các thiết bị đo trắc xạ (radiometers)
• 2.4.2.2. Các máy đo phổ kế bức xạ (spectroradiometers)
• 2.5. Kết luận chƣơng 2
• 3. CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HỆ SỐ PHÁT XẠ THEO HƢỚNG HIỆU DỤNG CỦA HỐC HÌNH TRỤ - ĐÁY NÓN LÕM
• 3.1. Nghiên cứu tính toán hệ số phát xạ theo hƣớng hiệu dụng của hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm bằng kỹ thuật đa thức nội suy
• 3.1.1. Tính các hệ số góc trong phƣơng trình hệ số phát xạ địa phƣơng hiệu dụng của đáy nón
• 3.1.2. Biến đổi các biểu thức hệ số góc
• 3.1.3. Xử lý các điểm kỳ dị
• 3.1.4. Tính toán hệ số phát xạ địa phƣơng hiệu dụng của đáy nón bằng kỹ thuật đa thức nội suy
• 3.1.4.1. Lựa chọn dạng đa thức nội suy
• 3.1.4.2. Nghiên cứu tính hệ số phát xạ địa phƣơng hiệu dụng của đáy nón
• 3.2. Nghiên cứu tính toán hệ số phát xạ theo hƣớng pháp tuyến hiệu dụng của hốc hình trụ - đáy nón lõm bằng phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo
• 3.2.1. Mô hình hóa hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm
• 3.2.2. Giả định các đặc trƣng quang học của hốc phát xạ
• 3.2.3. Mô hình phân bố phản xạ của bề mặt hốc
• 3.2.4. Xác định đặc trƣng bức xạ theo hƣớng pháp tuyến hiệu dụng của hốc phát xạ
• 3.2.5. Mô phỏng lan truyền bức xạ trong hốc phát xạ
• 3.2.6. Xây dựng giải thuật mô phỏng
• 3.3. Kết luận chƣơng 3
• 4. CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƢNG NGUỒN GIẢ VẬT ĐEN DỰA TRÊN HỐC DẠNG HÌNH TRỤ - ĐÁY NÓN LÕM CHO HIỆU CHỈNH BẤT ĐỒNG NHẤT ẢNH CỦA CAMERA ẢNH NHIỆT
• 4.1. Các yêu cầu đối với nguồn giả vật đen
• 4.1.1. Yêu cầu sử dụng
• 4.1.2. Các yêu cầu kỹ thuật chủ yếu
• 4.1.2.1. Kiểu dạng hốc phát xạ
• 4.1.2.2. Dải phổ bức xạ
• 4.1.2.3. Kích thƣớc khẩu độ ra
• 4.1.2.4. Hệ số phát xạ theo hƣớng hiệu dụng
• 4.1.2.5. Nhiệt độ làm việc
• 4.1.2.6. Nguồn điện cung cấp
• 4.1.3. Yêu cầu thiết kế
• 4.2. Nghiên cứu thiết kế hốc phát xạ
• 4.2.1. Nghiên cứu xác định các tham số thiết kế của hốc phát xạ
• 4.2.1.1. Khảo sát phân bố của e,n nhƣ là hàm của tỷ số R/r
• 4.2.1.2. Khảo sát phân bố của e,n nhƣ là hàm của tỷ số L/R
• 4.2.1.3. Khảo sát phân bố của e,n nhƣ là hàm của góc 
• 4.2.1.4. Xác định các tham số thiết kế của hốc phát xạ
• 4.2.2. Đánh giá các tham số thiết kế hệ thống
• 4.2.3. Lựa chọn vật liệu phát xạ
• 4.2.4. Giải pháp cấp nhiệt và điều khiển nhiệt độ
• 4.2.4.1. Yêu cầu về nguồn nhiệt
• 4.2.4.2. Điều khiển nhiệt độ của đáy nón
• 4.3. Đánh giá đặc trƣng nguồn bức xạ giả vật đen
• 4.3.1. Nguồn bức xạ giả vật đen đƣợc chế tạo
• 4.3.2. Khảo sát nhiệt độ bề mặt đáy nón
• 4.3.3. Đánh giá đặc trƣng bức xạ bằng phổ kế bức xạ
• 4.4. Xử lý bất đồng nhất ảnh nhiệt
• 4.4.1. Mô hình đáp ứng tuyến tính của camera
• 4.4.2. Hiệu chỉnh tuyến tính bằng chuẩn hóa
• 4.4.3. Nghiên cứu ứng dụng hiệu chỉnh NUC ảnh nhiệt vùng LWIR
• 4.5. Kết luận Chƣơng 4
• KẾT LUẬN CHUNG
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nguồn giả vật đen

Nguồn giả vật đen là một thiết bị quan trọng trong lĩnh vực hồng ngoại, đặc biệt là trong việc hiệu chỉnh ảnh nhiệt. Nguồn giả vật đen được thiết kế để mô phỏng bức xạ của vật đen tuyệt đối, giúp cải thiện độ chính xác của các camera ảnh nhiệt. Các nguồn này thường được sử dụng trong các ứng dụng như quan sát, phát hiện và nhận dạng đối tượng trong điều kiện ánh sáng yếu. Đặc điểm nổi bật của nguồn giả vật đen là khả năng phát xạ bức xạ nhiệt với hệ số phát xạ gần với 1, điều này giúp giảm thiểu các sai số trong quá trình đo lường. Việc phát triển nguồn giả vật đen có thể được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm thiết kế hình học của hốc phát xạ và lựa chọn vật liệu phù hợp.

1.1. Tầm quan trọng của hiệu chỉnh ảnh nhiệt

Hiệu chỉnh ảnh nhiệt là một bước quan trọng trong quy trình xử lý tín hiệu của camera ảnh nhiệt. Hiệu chỉnh ảnh nhiệt giúp loại bỏ các tạp nhiễu và bất đồng nhất trong ảnh thu được, từ đó nâng cao chất lượng hình ảnh. Các camera ảnh nhiệt thường gặp phải hiện tượng tạp kiểu hoa văn cố định (FPN), gây ảnh hưởng đến độ chính xác của thông tin thu được. Để khắc phục vấn đề này, việc sử dụng nguồn giả vật đen để thực hiện hiệu chỉnh bất đồng nhất (NUC) là rất cần thiết. Kỹ thuật này cho phép chuẩn hóa các đặc trưng đáp ứng của các thành phần trong hệ thống camera, đảm bảo rằng các ảnh thu được có độ chính xác cao và đáng tin cậy.

II. Cơ sở lý thuyết về bức xạ vật đen

Bức xạ vật đen là một khái niệm quan trọng trong vật lý nhiệt. Theo định luật Stefan-Boltzmann, công suất bức xạ của một vật đen tỷ lệ với bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối. Bức xạ vật đen được mô tả bởi các đặc trưng như độ trưng bức xạ và cường độ bức xạ. Đặc biệt, định luật Wien cung cấp thông tin về tần số tối đa của bức xạ phát ra từ vật đen. Việc hiểu rõ các đặc trưng này là cần thiết để thiết kế và phát triển nguồn giả vật đen có hiệu suất cao. Các hốc phát xạ được sử dụng trong nguồn giả vật đen cần phải được thiết kế sao cho có thể phát xạ bức xạ gần giống với bức xạ của vật đen tuyệt đối, từ đó đảm bảo tính chính xác trong các ứng dụng thực tế.

2.1. Đặc trưng bức xạ của vật đen

Đặc trưng bức xạ của vật đen được xác định bởi hệ số phát xạ, một đại lượng quan trọng trong việc đánh giá khả năng phát xạ bức xạ nhiệt của vật liệu. Hệ số phát xạ của vật đen tuyệt đối là 1, trong khi các vật liệu thực tế thường có hệ số phát xạ nhỏ hơn 1. Việc nghiên cứu và tính toán hệ số phát xạ theo hướng hiệu dụng của các hốc phát xạ là cần thiết để phát triển nguồn giả vật đen. Các phương pháp tính toán như phương pháp hốc tích hợp (ICM) và phương pháp Monte Carlo (MCM) thường được áp dụng để xác định các đặc trưng bức xạ này. Sự hiểu biết về các phương pháp này sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế và cải thiện hiệu suất của nguồn giả vật đen.

III. Phương pháp nghiên cứu và phát triển nguồn giả vật đen

Nghiên cứu và phát triển nguồn giả vật đen bao gồm nhiều bước từ thiết kế, chế tạo đến đánh giá hiệu suất. Các yêu cầu kỹ thuật chủ yếu cần được xác định rõ ràng, bao gồm kích thước, dải phổ bức xạ và hệ số phát xạ theo hướng hiệu dụng. Việc lựa chọn vật liệu phát xạ cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này. Các hốc phát xạ cần được thiết kế sao cho có thể tạo ra bức xạ đồng nhất và ổn định. Đánh giá đặc trưng bức xạ của nguồn giả vật đen được thực hiện thông qua các phương pháp đo lường thực nghiệm, giúp xác định tính chính xác và độ tin cậy của nguồn bức xạ. Kết quả từ các nghiên cứu này sẽ cung cấp cơ sở cho việc ứng dụng nguồn giả vật đen trong các hệ thống camera ảnh nhiệt.

3.1. Thiết kế và chế tạo hốc phát xạ

Thiết kế hốc phát xạ là một bước quan trọng trong việc phát triển nguồn giả vật đen. Hốc phát xạ cần được thiết kế sao cho có thể tối ưu hóa khả năng phát xạ bức xạ nhiệt. Các yếu tố như hình dạng, kích thước và vật liệu cấu tạo của hốc phát xạ đều ảnh hưởng đến hiệu suất phát xạ. Việc sử dụng các công nghệ hiện đại trong thiết kế và chế tạo hốc phát xạ sẽ giúp nâng cao chất lượng và độ chính xác của nguồn giả vật đen. Các nghiên cứu thực nghiệm cũng cần được thực hiện để đánh giá hiệu suất của hốc phát xạ, từ đó điều chỉnh thiết kế cho phù hợp với yêu cầu ứng dụng thực tế.

IV. Ứng dụng của nguồn giả vật đen trong hiệu chỉnh ảnh nhiệt

Nguồn giả vật đen có vai trò quan trọng trong việc hiệu chỉnh ảnh nhiệt, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Kỹ thuật hiệu chỉnh bất đồng nhất (NUC) sử dụng nguồn giả vật đen để chuẩn hóa các đặc trưng đáp ứng của camera ảnh nhiệt. Điều này giúp giảm thiểu các tạp nhiễu và cải thiện chất lượng hình ảnh. Các camera ảnh nhiệt hiện đại thường sử dụng nguồn giả vật đen để thực hiện quy trình NUC, đảm bảo rằng các ảnh thu được có độ chính xác và đáng tin cậy. Việc phát triển và ứng dụng nguồn giả vật đen trong các hệ thống camera ảnh nhiệt sẽ góp phần nâng cao hiệu suất và khả năng hoạt động của các thiết bị này trong thực tế.

4.1. Hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh nhiệt

Hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh nhiệt là một quy trình quan trọng trong việc xử lý tín hiệu của camera ảnh nhiệt. Quy trình này giúp loại bỏ các tạp nhiễu và bất đồng nhất trong ảnh thu được, từ đó nâng cao chất lượng hình ảnh. Việc sử dụng nguồn giả vật đen trong quy trình NUC cho phép chuẩn hóa các đặc trưng đáp ứng của các thành phần trong hệ thống camera. Kỹ thuật này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác của ảnh thu được mà còn đảm bảo rằng các thông tin quan trọng được truyền tải một cách rõ ràng và chính xác. Sự phát triển của nguồn giả vật đen sẽ đóng góp tích cực vào việc nâng cao chất lượng và hiệu suất của các camera ảnh nhiệt trong các ứng dụng thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công nghệ ảnh nhiệt hồng ngoại đóng vai trò trung tâm trong các hệ thống quan sát ngày và đêm hiện đại. Các camera ảnh nhiệt sử dụng cảm biến mảng tiêu diện phẳng hồng ngoại (IR FPA), đặc biệt là loại vi nhiệt kế biến trở (microbolometer) hoạt động ở vùng bước sóng dài (LWIR, 8–12 µm) không cần làm lạnh, có ưu điểm chi phí thấp và dễ bảo đảm kỹ thuật. Tuy nhiên, do bản chất là hệ thu nhận và xử lý tín hiệu đa kênh với tỷ số tín/tạp (SNR) lối vào thấp, các camera này thường xuyên chịu ảnh hưởng của tạp kiểu hoa văn cố định (FPN). Tạp FPN xuất phát từ ba nguyên nhân: sự bất đồng nhất đáp ứng giữa các phần tử cảm biến và mạch đọc ROIC; hiện tượng phản xạ nhiệt nội tại trong hệ quang cơ; và sự suy biến tham số vận hành theo thời gian và nhiệt độ môi trường. Tạp FPN làm suy giảm nghiêm trọng khả năng phát hiện và nhận dạng các mục tiêu kích thước nhỏ ở cự ly xa.

Để loại bỏ tạp FPN, kỹ thuật hiệu chỉnh bất đồng nhất (NUC) dựa trên chuẩn hóa tuyến tính với nguồn phông bức xạ chuẩn (nguồn giả vật đen) được ứng dụng rộng rãi. Các nguồn giả vật đen thương mại nhập ngoại có khẩu độ lớn (100–500 mm) và hệ số phát xạ hiệu dụng cao ($\ge 0,9xx$) thường có giá thành lên đến hàng chục nghìn USD, cồng kềnh và chỉ thích hợp trong phòng thí nghiệm. Ở trong nước, việc tự thiết kế và chế tạo nguồn giả vật đen đáp ứng yêu cầu cơ động ngoài thực địa chưa từng được công bố, đồng thời thiếu hụt các công cụ tính toán và thiết kế chuyên dụng.

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu xây dựng các phương pháp, công cụ tính toán hiệu quả nhằm thiết kế, chế tạo nguồn bức xạ giả vật đen dựa trên hốc phát xạ hình trụ – đáy nón lõm, phục vụ kỹ thuật hiệu chỉnh NUC bằng phương pháp tuyến tính cho camera ảnh nhiệt dải sóng LWIR trong điều kiện khai thác thực tế.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 4 nội dung cụ thể:

1. Nghiên cứu quá trình trao đổi bức xạ nhiệt trong hốc phát xạ thực và các đặc trưng bức xạ của hốc.
2. Nghiên cứu các phương pháp tính toán hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát xạ và các phương pháp đặc trưng hóa nguồn bức xạ vật đen.
3. Nghiên cứu xây dựng công cụ và kỹ thuật tính toán hệ số phát xạ hiệu dụng trong trường hợp hốc phát xạ dạng hình trụ – đáy nón lõm.
4. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo nguồn giả vật đen dựa trên hốc phát xạ dạng hình trụ – đáy nón lõm; nghiên cứu ứng dụng nguồn giả vật đen được chế tạo để thực hiện NUC cho camera ảnh nhiệt.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là nguồn giả vật đen dựa trên hốc phát xạ dạng hình trụ – đáy nón lõm và kỹ thuật hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh nhiệt. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở vùng phổ hồng ngoại bước sóng dài 8–12 µm, khảo sát trong điều kiện phòng thí nghiệm và triển khai thử nghiệm thực địa đối với module camera ảnh nhiệt IR118 không làm lạnh.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng kết hệ thống cơ sở lý thuyết nhiệt bức xạ kinh điển hình thành từ các định luật Planck, Stefan – Boltzmann, Wien và định luật bức xạ nhiệt cân bằng Kirchhoff. Trong lĩnh vực tính toán đặc trưng hốc bức xạ, các nghiên cứu trước đây chia thành hai trường phái chính:

Hướng tiếp cận tất định (phương pháp giải tích và hốc tích hợp ICM) bắt đầu từ phương pháp phản xạ liên tục của De Vos (1954), xem xét dòng bức xạ suy giảm qua các lần phản xạ khi hốc có lỗ thoát. Dựa trên nền tảng này, Z. Chu và cộng sự (1980, 1989) đã thiết lập hệ phương trình tích phân Fredholm loại hai mô tả trao đổi bức xạ giữa các bề mặt cho hốc hình trụ – đáy nón lõm có màn chắn khẩu độ. Bedford (1985) đã đưa ra các khuyến nghị về tỷ lệ hình học giữa chiều dài ống trụ và bán kính khẩu độ nhằm triệt tiêu vùng che khuất bức xạ. Bên cạnh đó, các biểu thức tính gần đúng của Gouffé và Sparrow cho phép đánh giá nhanh hệ số phát xạ hiệu dụng nhưng chỉ giới hạn ở các dạng hình học cơ bản và bề mặt khuếch tán lý tưởng.

Hướng tiếp cận ngẫu nhiên (phương pháp mô phỏng Monte Carlo - MCM) được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng xử lý các cấu trúc hốc phức tạp và bề mặt phi Lambert. Các mô hình phản xạ bề mặt BRDF như mô hình khuếch tán – gương đồng nhất (USD), mô hình 3 thành phần (3C BRDF) và mô hình phản xạ Phong được các tác giả quốc tế tích hợp vào thuật toán theo dấu tia. Trong đo lường thực nghiệm, các kỹ thuật đo phản xạ bằng quả cầu tích phân, nguồn laser dải rộng và phổ kế bức xạ phản xạ được chuẩn hóa bởi các viện đo lường tiêu chuẩn.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án nhận diện: Việc giải trực tiếp hệ phương trình tích phân bội của Z. Chu đòi hỏi khối lượng tính toán lớn và khó xử lý các điểm kỳ dị biên; các phần mềm thương mại Monte Carlo có chi phí bản quyền cao và không tối ưu cho điều kiện thiết kế tại Việt Nam; chưa có công trình trong nước nào kết hợp tính toán giải tích số với mô phỏng Monte Carlo để tối ưu hóa tham số hình học cho hốc hình trụ – đáy nón lõm phát xạ dải LWIR, tiến tới chế tạo hoàn chỉnh thiết bị nguồn chuẩn phục vụ chuẩn hóa camera ảnh nhiệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của luận án dựa trên hệ thống các đại lượng trắc quang bức xạ: công suất bức xạ ($\Phi$), độ trưng bức xạ ($L$), độ thoát xạ ($M$), cường độ bức xạ ($I$), độ rọi xạ ($E$) và định luật Kirchhoff về mối quan hệ giữa hệ số phát xạ và hệ số hấp thụ ở trạng thái cân bằng nhiệt. Điểm cốt lõi là lý thuyết bức xạ hốc: dòng bức xạ từ một phần tử bề mặt hốc gồm thành phần tự phát xạ thuần $\epsilon_0 M_b(T)$ và thành phần phản xạ nhiều lần từ các vùng vách khác. Sự chênh lệch giữa nguồn thực và vật đen tuyệt đối được chuẩn hóa qua hệ số phát xạ hiệu dụng ($\epsilon_a, \epsilon_e$), trong đó hệ số phát xạ phổ địa phương theo hướng pháp tuyến $\epsilon_{e,n}$ là tham số quan trọng nhất. Luận án cũng khảo sát mô hình toán hiệu chỉnh hệ số phát xạ khi hốc có gradient nhiệt độ (bất đẳng nhiệt) và chịu ảnh hưởng của bức xạ phông nền $T_{env}$.

Về phương pháp nghiên cứu, tác giả kết hợp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm:

• Phương pháp giải tích số: Sử dụng kỹ thuật đa thức nội suy bậc 2 để giải hệ phương trình tích phân Fredholm loại hai mô tả trao đổi bức xạ của hốc hình trụ – đáy nón lõm, biến đổi các hệ số góc vi phân và xử lý các điểm kỳ dị toán học tại giao tuyến đáy nón và vách trụ.
• Phương pháp mô phỏng Monte Carlo: Xây dựng thuật toán theo dấu tia (ray tracing) dựa trên bộ sinh số giả ngẫu nhiên (PRNG), thiết lập hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân bố tích lũy (CDF) với mô hình bề mặt phản xạ khuếch tán theo hướng trên mặt phẳng 2 chiều.
• Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế kết cấu cơ khí hốc phát xạ; phát triển hệ điều khiển nhiệt độ PID dùng máy phát nhiệt điện – nhiệt (TE) module AC-027 và cảm biến nhiệt điện trở RTD; đo kiểm trường nhiệt và đặc trưng phổ bức xạ bằng phổ kế bức xạ SR 5000; thực hiện quy trình hiệu chuẩn tuyến tính NUC 2 điểm trên camera hồng ngoại IR118.

Nguồn dữ liệu bao gồm các biểu thức hệ số góc giải tích kinh điển, tham số vật liệu chế tạo lớp phủ hốc, dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ phổ kế bức xạ SR 5000 và tập ảnh nhiệt thực tế thu nhận từ module cảm biến FPA microbolometer.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý thuyết về bức xạ vật đen

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm vật lý về bức xạ nhiệt và phân tích các định luật phát xạ của vật đen tuyệt đối: định luật Planck xác định độ trưng phổ $L_{\lambda, b}(T)$, định luật Stefan – Boltzmann xác định năng suất phát xạ toàn phần tỉ lệ với $T^4$, định luật Wien xác định cực đại phổ bức xạ dịch chuyển theo nhiệt độ. Tác giả phân tích cơ chế hình thành bức xạ trong hốc phát xạ vật đen dựa trên hiệu ứng hốc và định luật Kirchhoff đối với vật thực.

Nội dung trọng tâm là khảo sát so sánh 4 kiểu dạng hốc phát xạ có khẩu độ ra lớn:

• Hốc hình nón: Góc mở bức xạ lớn nhưng phân bố hệ số phát xạ kém đồng đều nhất, suy giảm nhanh từ tâm ra biên.
• Hốc hình trụ: Bức xạ vuông góc với khẩu độ, phân bố đồng đều nhưng hệ số phát xạ trung bình thấp hơn dạng lai.
• Hốc hình trụ – nón: Dòng bức xạ hội tụ, phân bố bức xạ tương đối đồng đều.
• Hốc hình trụ – đáy nón lõm: Tạo chùm bức xạ có xu hướng song song (chuẩn trực tương đối), khẩu độ mở lớn trong khi chiều dài tổng thể ngắn, hệ số phát xạ cao và phân bố đều trên tiết diện khẩu độ. Đây là cơ sở để luận án lựa chọn dạng hình học này cho thiết kế thực tế.

Chương này cũng thiết lập các công thức toán học mô tả hệ số phát xạ hiệu dụng $\epsilon_e$, nhiệt độ bức xạ, cùng mô hình bổ chính hệ số phát xạ trong điều kiện vách hốc bất đẳng nhiệt và có sự tác động của bức xạ phông môi trường xung quanh.

Chương 2: Các phương pháp xác định đặc trưng bức xạ của hốc phát xạ vật đen

Chương 2 trình bày tổng quan và phân loại các phương pháp xác định hệ số phát xạ hiệu dụng:

• Phương pháp tính toán tất định: Đánh giá các biểu thức gần đúng của Gouffé và Sparrow. Trình bày chi tiết phương pháp hốc tích hợp (ICM) dựa trên phương trình tích phân Fredholm loại hai: $$\epsilon_a(x) = \epsilon_0 + (1 - \epsilon_0) \int_{S} \epsilon_a(y) dF_{x,y}$$ Phân tích hệ phương trình tích phân của Z. Chu cho hốc hình trụ – đáy nón lõm chia thành ba vùng: đáy nón ($\epsilon_{a,c}$), vách trụ ($\epsilon_{a,cyl}$), và màn chắn khẩu độ ($\epsilon_{a,lid}$). Các phương trình này cho thấy khi góc nửa đỉnh nón $\theta = 90^\circ$ (đáy phẳng), hệ số phát xạ là nhỏ nhất; sự hiện diện của đáy nón lõm giúp tăng đáng kể hệ số phát xạ mà không cần kéo dài chiều dài ống trụ.
• Phương pháp mô phỏng Monte Carlo: Trình bày cơ sở kỹ thuật gồm bộ phát số giả ngẫu nhiên PRNG, kỹ thuật lấy mẫu biến ngẫu nhiên nghịch đảo và loại bỏ – chấp nhận, ước lượng sai số thống kê. Giới thiệu các mô hình phản xạ bề mặt BRDF: mô hình phản xạ khuếch tán – gương đồng nhất USD, mô hình 3 thành phần (3C BRDF), mô hình phản xạ Phong; hai hướng mô phỏng dựa trên phát xạ và dựa trên hấp thụ bức xạ.
• Phương pháp đo lường thực nghiệm: Mô tả các cấu hình đo phản xạ quang học bằng laser kết hợp quả cầu tích phân, đo phản xạ bằng đèn dải rộng và các hệ thống trắc xạ, máy đo phổ kế bức xạ spectroradiometer.

Chương 3: Nghiên cứu tính toán hệ số phát xạ theo hướng hiệu dụng của hốc hình trụ – đáy nón lõm

Chương 3 giải quyết bài toán tính toán hệ số phát xạ hiệu dụng bằng hai công cụ do tác giả phát triển:

Kỹ thuật đa thức nội suy giải tích: Tác giả thiết lập và biến đổi giải tích các biểu thức hệ số góc vi phân giữa các phần tử bề mặt đáy nón và khẩu độ ra ($dF_{x,ap}$, $dF_{y_0,ap}$, $d^2F_{y_0,x}$), xử lý triệt để các điểm kỳ dị toán học xuất hiện khi khoảng cách giữa các phần tử tiến về không. Luận án áp dụng đa thức nội suy bậc 2 để giải tích phân phương trình hệ số phát xạ địa phương trên đáy nón. Kết quả tính toán bằng kỹ thuật nội suy được đối chiếu với phương pháp giải tích chính xác ở cùng điều kiện hệ số phát xạ bề mặt $\epsilon = 0,7$:

Đại lượng khảo sát	Phương pháp giải tích chính xác	Kỹ thuật đa thức nội suy (luận án)
Giá trị trung bình $dF_{y_0,ap}$	0,022134	0,022135
Giá trị tích phân $\int d^2F_{y_0,x} dF_{x,ap}$	0,001892	0,001891
Hệ số phát xạ trung bình $(\epsilon_e)_{tb}$	0,9842	0,9841

Sự trùng khớp giữa hai phương pháp khẳng định độ chính xác của kỹ thuật nội suy đa thức bậc 2 trong tính toán thiết kế.

Mô phỏng Monte Carlo: Xây dựng mô hình tính toán hệ số phát xạ hướng pháp tuyến hiệu dụng $\epsilon_{e,n}$ cho hốc hình trụ – đáy nón lõm đẳng nhiệt. Luận án sử dụng mô hình phản xạ khuếch tán theo hướng trên mặt phẳng hai chiều, thiết lập thuật toán dò tìm điểm tương tác và lưu đồ thuật toán theo dấu tia. Kết quả mô phỏng cho trường hợp $L/R = 6, R/r = 1, \theta = 60^\circ$ đạt độ hội tụ cao và tương thích với các mô hình lý thuyết.

Chương 4: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và đánh giá đặc trưng nguồn giả vật đen dựa trên hốc dạng hình trụ – đáy nón lõm cho hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh của camera ảnh nhiệt

Chương 4 là phần thực nghiệm chế tạo và ứng dụng của luận án:

• Tối ưu hóa tham số thiết kế: Luận án khảo sát sự phụ thuộc của hệ số phát xạ pháp tuyến hiệu dụng $\epsilon_{e,n}$ vào các tham số hình học gồm tỷ số bán kính $R/r$, tỷ số chiều dài $L/R$ và góc chóp nón $\theta$. Xác định được trị số góc chóp $\theta$ “tới hạn” ứng với các tỷ số $L/R$ khác nhau nhằm đạt hệ số phát xạ cực đại. Hốc phát xạ tối ưu được lựa chọn với các tham số: $L/R = 3$; $R/r = 1,08$; $\theta = 55^\circ$; bán kính khẩu độ $r = 60\text{ mm}$. Khi phủ vật liệu có hệ số phát xạ bề mặt $\epsilon_0 \ge 0,9$, hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc đạt $\epsilon_{e,n} \ge 0,99$.

Hệ số phát xạ bề mặt $\epsilon_0$	Hệ số phát xạ hiệu dụng tính toán $\epsilon_{e,n}$ ($L/R=3, R/r=1,08, \theta=55^\circ$)
0,70	0,9684
0,80	0,9812
0,90	0,9921
0,92	0,9945

• Thiết kế, chế tạo thiết bị: Chế tạo khối nguồn hốc phát xạ hình trụ – đáy nón lõm bằng vật liệu cơ khí có độ dẫn nhiệt cao, phủ lớp sơn đen quang học chuyên dụng dải phổ 8–12 µm. Hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng máy phát nhiệt điện – nhiệt TE (module AC-027), cảm biến nhiệt điện trở RTD và mạch vi điều khiển thực thi giải thuật PID kết hợp điều chế độ rộng xung PWM, đảm bảo độ ổn định nhiệt độ đáy nón.
• Đánh giá thực nghiệm: Khảo sát trường nhiệt bề mặt đáy nón ghi nhận độ chênh lệch giữa nhiệt độ trung bình thực tế $T_{TB}$ và nhiệt độ đặt $T_{SV}$ nằm trong phạm vi cho phép. Sử dụng phổ kế bức xạ SR 5000 kiểm tra đặc trưng bức xạ của nguồn chế tạo trong dải LWIR, xác nhận phân bố bức xạ đáp ứng tiêu chuẩn nguồn vật đen kỹ thuật.
• Ứng dụng hiệu chỉnh NUC: Áp dụng nguồn giả vật đen chế tạo được vào quy trình hiệu chuẩn tuyến tính chuẩn hóa 2 điểm cho module camera ảnh nhiệt IR118 (cảm biến microbolometer không làm lạnh). Kết quả thực nghiệm xử lý ảnh cho thấy độ bất đồng nhất (NU) của ảnh nhiệt giảm rõ rệt, triệt tiêu tạp hoa văn cố định FPN, nâng cao tỷ số tín/tạp và cải thiện chất lượng nhận dạng ảnh mục tiêu cả trong phòng thí nghiệm lẫn ngoài thực địa.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án công bố bốn đóng góp mới về mặt khoa học và công nghệ:

1. Áp dụng kỹ thuật đa thức nội suy bậc 2 để giải phương trình tích phân xác định hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát xạ hình trụ – đáy nón lõm trong điều kiện đẳng nhiệt và khuếch tán hoàn toàn. Đây là giải pháp tính toán mới chưa từng được công bố trong các nghiên cứu thiết kế hốc phát xạ trước đây.
2. Xây dựng giải thuật mô phỏng Monte Carlo tính hệ số phát xạ hướng pháp tuyến hiệu dụng $\epsilon_{e,n}$ của hốc hình trụ – đáy nón lõm dựa trên mô hình bề mặt phản xạ khuếch tán theo hướng trên mặt phẳng hai chiều, rút gọn thời gian tính toán và hỗ trợ hiệu quả cho việc tối ưu tham số thiết kế.
3. Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị nguồn giả vật đen hoàn chỉnh dựa trên hốc phát xạ hình trụ – đáy nón lõm, hoạt động ở dải phổ hồng ngoại 8–12 µm với khẩu độ ra lớn, hệ số phát xạ hiệu dụng cao và kiểm soát nhiệt độ ổn định.
4. Cung cấp cơ sở khoa học, công cụ tính toán và quy trình công nghệ chế tạo nguồn giả vật đen chuẩn phục vụ kỹ thuật hiệu chỉnh NUC cho camera ảnh nhiệt, đáp ứng yêu cầu tự chủ kỹ thuật và triển khai thực địa tại Việt Nam.

Về mặt giải pháp, luận án đề xuất quy trình tích hợp nguồn giả vật đen vào công tác bảo đảm kỹ thuật và hiệu chỉnh định kỳ cho các hệ thống camera ảnh nhiệt chuyên dụng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản đề cập bao gồm:

• Các tính toán giải tích và mô phỏng Monte Carlo chủ yếu khảo sát trong điều kiện hốc đẳng nhiệt; các hiệu chỉnh do gradient nhiệt độ và bức xạ phông nền mới chỉ dừng ở mức độ mô hình hóa lý thuyết bổ sung.
• Mô hình mô phỏng Monte Carlo áp dụng phản xạ trên mặt phẳng hai chiều, chưa mở rộng thành mô hình tán xạ không gian ba chiều toàn phần đối với các bề mặt có độ nhám thực tế phức tạp.
• Thực nghiệm kiểm chứng và ứng dụng NUC tập trung chủ yếu trên dải sóng LWIR (8–12 µm) với module cảm biến microbolometer IR118.

Hướng nghiên cứu tiếp theo: Mở rộng thuật toán tính toán cho các hốc phát xạ bất đẳng nhiệt 3D; khảo sát chế tạo nguồn giả vật đen cho dải hồng ngoại sóng trung (MWIR, 3–5 µm); nâng cao độ bền môi trường của thiết bị để hoạt động trong các điều kiện thực địa khắc nghiệt hơn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cho các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Vật lý quang học, Quang điện tử, Kỹ thuật đo lường nhiệt bức xạ: có thể tham khảo phương pháp giải phương trình tích phân Fredholm bằng đa thức nội suy và thuật toán Monte Carlo theo dấu tia.
• Kỹ sư thiết kế hệ thống quang – điện tử và thiết bị nhìn đêm: có thể khai thác sơ đồ kết cấu cơ khí hốc hình trụ – đáy nón lõm, mạch điều khiển nhiệt độ PID dùng linh kiện TE và cảm biến RTD.
• Cán bộ kỹ thuật vận hành và bảo dưỡng thiết bị ảnh nhiệt: có thể áp dụng trực tiếp quy trình chuẩn hóa 2 điểm NUC sử dụng nguồn giả vật đen để nâng cao chất lượng ảnh của các camera nhiệt phục vụ quan sát.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao luận án lựa chọn dạng hốc hình trụ – đáy nón lõm thay vì hốc hình trụ đáy phẳng hay hình nón?
Hốc hình nón có phân bố hệ số phát xạ giảm nhanh từ tâm ra biên khẩu độ. Hốc hình trụ đáy phẳng có độ đồng đều tốt nhưng hệ số phát xạ trung bình thấp hơn và đòi hỏi chiều dài ống trụ rất lớn. Dạng hình trụ – đáy nón lõm khắc phục được các nhược điểm này: tạo chùm bức xạ có tính chất chuẩn trực tương đối, phân bố bức xạ đồng đều trên khẩu độ lớn, hệ số phát xạ hiệu dụng cao hơn trong khi chiều dài hốc ngắn, thuận tiện cho thiết kế cơ động.

2. Kỹ thuật đa thức nội suy bậc 2 được tác giả sử dụng nhằm mục đích gì trong Chương 3?
Kỹ thuật này được sử dụng để giải phương trình tích phân Fredholm loại hai mô tả hệ số phát xạ địa phương hiệu dụng trên đáy nón. Kỹ thuật nội suy giúp giải quyết các tích phân của hệ số góc vi phân phức tạp và triệt tiêu các điểm kỳ dị toán học tại vùng biên tiếp giáp giữa vách trụ và đáy nón, cho kết quả tương đương phương pháp giải tích chính xác nhưng giảm thời gian tính toán.

3. Mô hình phản xạ bề mặt trong thuật toán Monte Carlo của luận án được giả định như thế nào?
Luận án sử dụng mô hình bề mặt phản xạ khuếch tán theo hướng trên mặt phẳng hai chiều (2D), kết hợp với kỹ thuật theo dấu tia và bộ tạo số giả ngẫu nhiên để mô phỏng xác suất lan truyền và hấp thụ bức xạ của các tia rọi trong lòng hốc.

4. Khối cấp nhiệt và kiểm soát nhiệt độ của nguồn giả vật đen được cấu tạo từ những thành phần nào?
Hệ thống sử dụng máy phát nhiệt điện – nhiệt (Thermo-Electric module AC-027) hoạt động ở chế độ gia nhiệt/làm lạnh, tích hợp cảm biến nhiệt điện trở RTD gắn trên bề mặt đáy nón và bộ vi điều khiển thực thi thuật toán điều khiển vi tích phân tỷ lệ (PID) qua điều chế độ rộng xung (PWM).

5. Hiệu quả của nguồn giả vật đen trong việc hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh (NUC) được kiểm chứng như thế nào?
Nguồn chế tạo được dùng làm phông bức xạ chuẩn cho quy trình chuẩn hóa tuyến tính 2 điểm trên module camera ảnh nhiệt IR118 dải 8–12 µm. Kết quả đo kiểm trước và sau hiệu chỉnh cho thấy độ bất đồng nhất ảnh giảm rõ rệt, biểu đồ mức xám đồng đều hơn và tạp hoa văn cố định (FPN) được loại bỏ.

Kết luận

Luận án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo nguồn giả vật đen dựa trên hốc phát xạ hình trụ – đáy nón lõm hoạt động trong dải phổ hồng ngoại bước sóng dài 8–12 µm. Tác giả đã đóng góp hai giải pháp tính toán hệ số phát xạ hiệu dụng mới thông qua kỹ thuật đa thức nội suy bậc 2 và giải thuật mô phỏng Monte Carlo 2D. Thiết bị vật lý được chế tạo thành công với hệ thống điều khiển nhiệt độ PID ổn định, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật làm nguồn chuẩn phông bức xạ. Kết quả thử nghiệm hiệu chỉnh NUC 2 điểm trên module camera IR118 khẳng định giá trị ứng dụng thực tiễn của công trình trong nghiên cứu, chế tạo và bảo đảm kỹ thuật cho các hệ thống camera ảnh nhiệt tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu và kết luận, các nội dung nghiên cứu của luận án đƣợc trình bày trong 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết về bức xạ vật đen. Chƣơng 2: Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng bức xạ của hốc phát xạ vật đen. Chƣơng 3: Nghiên cứu tính toán hệ số phát xạ hƣớng pháp tuyến hiệu dụng của hốc hình trụ - đáy nón lõm. 17 Chƣơng 4: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và đánh giá đặc trƣng nguồn giả vật đen dựa trên hốc hình trụ - đáy nón lõm cho hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh của camera ảnh nhiệt.

Các nghiên cứu của luận án sử dụng phƣơng pháp tính toán lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. Những đóng góp chính của luận án về mặt khoa học và thực tiễn là: - Sử dụng kỹ thuật đa thức nội suy bậc 2 để tính hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát xạ dạng hình trụ - đáy nón lõm trên cơ sở phƣơng trình tích phân mô tả tƣơng tác bức xạ trong hốc khuếch tán hoàn toàn và đẳng nhiệt. Phƣơng pháp tiếp cận này chƣa thấy công bố trong các công trình khoa học liên quan tới tính toán thiết kế và chế tạo các hốc phát xạ vật đen. - Xây dựng giải thuật tính hệ số phát xạ hƣớng pháp tuyến hiệu dụng của hốc dạng hình trụ - đáy nón lõm đẳng nhiệt dựa trên kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo cho các quá trình bức xạ.

Mô hình bề mặt phản xạ khuếch tán theo hƣớng trên mặt phẳng hai chiều đƣợc sử dụng trong các phép mô phỏng. Đây là một đóng góp mới trong mô phỏng Monte Carlo để tính toán, thiết kế hệ thống cho các hốc phát xạ vật đen. - Thiết kế và chế tạo đƣợc một thiết bị nguồn giả vật đen dựa trên hốc phát xạ dạng hình trụ - đáy nón lõm cho bức xạ ra ở vùng 8-12 m và đạt các yêu cầu kỹ thuật đề ra. - Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở để thiết kế, chế tạo các nguồn giả vật đen dạng vật lý, phục vụ các nghiên cứu về kỹ thuật NUC cho camera ảnh nhiệt trong điều kiện phòng thí nghiệm cũng nhƣ trong điều kiện khai thác thực tế của các thiết bị này.

Đây là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn và có nhu cẩu rất cao trong nghiên cứu - phát triển, ứng dụng và đảm bảo kỹ thuật cho các camera ảnh nhiệt chuyên dụng ở điều kiện Việt nam. - Các kết quả và nội dung nghiên cứu của luận án còn đƣợc thể hiện ở các công trình đƣợc công bố trong các tạp chí và các hội nghị khoa học chuyên ngành trong nƣớc và quốc tế. 18 CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỨC XẠ VẬT ĐEN Bức xạ nhiệt là hiện tƣợng biến đổi nhiệt năng (hay nội năng của vật) thành năng lƣợng sóng điện từ (dải phổ từ 0,1 đến 1. Mọi vật thể có nhiệt độ lớn hơn 0 độ tuyệt đối đều phát xạ bức xạ nhiệt.

Bức xạ nhiệt phát ra bởi một bề mặt bao gồm một dải bƣớc sóng liên tục, với đặc trƣng cơ bản là năng lƣợng bức xạ phân bố phụ thuộc bƣớc sóng và hƣớng [26,28,43]. Bức xạ nhiệt lan truyền trong không gian và tƣơng tác với các môi trƣờng quang tuân thủ các định luật của quang học. Trong chƣơng này, chúng tôi trình bày tổng lƣợc về các đặc trƣng bức xạ, lý thuyết bức xạ của nguồn vật đen tuyệt đối và nguồn bức xạ giả vật đen. Các đại lƣợng đặc trƣng bức xạ nhiệt 1.

Công suất bức xạ Đại lƣợng công suất bức xạ (radiant power) hay thông lƣợng bức xạ (radiant flux) đặc trƣng cho năng lƣợng bức xạ trên một đơn vị thời gian [44-46]: (1.1) trong đó Q là năng lƣợng bức xạ, (J); t là thời gian, (s). Để mô tả phân bố công suất bức xạ theo bƣớc sóng, ngƣời ta sử dụng đại lƣợng công suất bức xạ phổ (spectral radiant power) hay thông lƣợng phổ (spectral flux), đƣợc định nghĩa là công suất bức xạ tại bƣớc sóng  trên một đơn vị phổ d [45]: (1. Độ trƣng bức xạ Để đặc trƣng cho phân bố theo hƣớng của năng lƣợng bức xạ xuất phát từ một bề mặt, đại lƣợng độ trƣng bức xạ (radiance) L đƣợc sử dụng. Độ trƣng bức xạ là thông lƣợng d phát xạ bởi một đơn vị diện tích bề mặt dA vào một đơn vị góc khối d xung quanh hƣớng (Hình 1.

Trong đó, dA có thể là bề mặt vật lý thực hoặc bề mặt ảo nào đó trong không gian. Để đặc trƣng đồng thời tính chất phụ thuộc phổ và hƣớng của năng lƣợng bức xạ, ngƣời ta thƣờng sử dụng đại lƣợng độ trƣng phổ (spectral radiance) [26,43-45,47]: 19 (1.3) với  là bƣớc sóng,  và  là các tọa độ góc trong hệ tọa độ cầu (Hình 1.3), độ trƣng bức xạ L đƣợc tính nhƣ là tích phân của L, theo mọi bƣớc sóng, hay là. Do độ trƣng phổ luôn mang tính chất là đại lƣợng đặc trƣng về hƣớng của bức xạ, nên trong luận án, để thuận tiện, tác giả sử dụng ký hiệu thay vì để biểu diễn độ trƣng bức xạ phổ.1: Độ trƣng bức xạ [47].2: Hệ tọa độ cầu và đơn vị góc khối d [47]. Độ thoát xạ Để đặc trƣng cho bức xạ rời khỏi bề mặt, ngƣời ta sử dụng đại lƣợng độ thoát xạ phổ (spectral exitance), M (W.m-1), đƣợc tính bởi công suất bức xạ phổ thoát khỏi một đơn vị diện tích [26,44]: (1.4) có thể dễ dàng nhận đƣợc bằng cách thay (1.5) với d trong hệ tọa độ cầu (Hình 1.2) đƣợc tính là [26,43,47]: (1.6) Trƣờng hợp phát xạ từ bề mặt không phụ thuộc hƣớng, hay bề mặt phát xạ ấy là khuếch tán, từ phƣơng trình (1.4) chúng ta có: (1.7) Tích phân của độ thoát xạ phổ theo mọi bƣớc sóng, , đƣợc gọi là độ thoát xạ tổng của một bề mặt, đặc trƣng cho quá trình phát xạ (emission) của bề mặt ấy.

Độ thoát xạ thƣờng đƣợc sử dụng để mô tả phát xạ của bề mặt khuếch tán hoàn toàn hay bề mặt của vật đen tuyệt đối. Cƣờng độ bức xạ Đại lƣợng cƣờng độ bức xạ (radiant intensity) I biểu diễn phần thông lƣợng bức xạ trên một đơn vị góc khối, là một đại lƣợng có đặc trƣng hƣớng, cũng rất hay đƣợc sử dụng trong nghiên cứu đo lƣờng quang bức xạ [45,47]: (1. Độ rọi xạ Xem xét trƣờng hợp bức xạ đƣợc chiếu tới một bề mặt, độ trƣng phổ của bức xạ chiếu cũng đƣợc tính tƣơng tự nhƣ (1.9) 21 trong đó ký hiệu i để chỉ bức xạ chiếu (irradiation).9), là độ trƣng phổ của bức xạ có thông lƣợng chiếu tới một đơn vị của bề mặt chặn theo hƣớng xác định bởi tọa độ góc tới , trên góc khối xung quanh hƣớng tới. Để đặc trƣng cho bức xạ chiếu trên bề mặt, đại lƣợng độ rọi phổ (spectral irradiance) E() (W.m-1) đƣợc sử dụng.

Trong hệ tọa độ cầu đại lƣợng này đƣợc xác định tƣơng tự (1.10) Cũng nhƣ vậy, độ rọi xạ tổng (iradiance) (W.m-2) đƣợc tính bằng cách lấy tích phân của độ rọi phổ E() (1.10) trên toàn bộ dải bƣớc sóng. Hấp thụ, phản xạ, truyền qua bức xạ Giả sử một bức xạ bị chặn lại bởi một môi trƣờng quang học (chất rắn hoặc chất lỏng) trên đƣờng lan truyền của nó, bức xạ này có thể bị phản xạ, hấp thụ bởi môi trƣờng hoặc truyền qua môi trƣờng ấy. Ở trạng thái cân bằng bức xạ trong môi trƣờng đang xét, quy luật bảo toàn năng lƣợng phải đƣợc tuân thủ.11) trong đó , , , và là thông lƣợng bức xạ tới, phản xạ, bức xạ bị hấp thụ và bức xạ truyền qua môi trƣờng tƣơng ứng. Chia cả hai vế của (1.12) đƣợc gọi là hệ số phản xạ phổ, hệ số hấp thụ phổ và hệ số truyền qua bức xạ phổ (hay các hệ số bức xạ đơn sắc) của môi trƣờng đang xét, tƣơng ứng.

Các đại lƣợng này cũng có tính chất đặc trƣng theo hƣớng. Để mô tả cho tính chất hay khả năng bức xạ nói chung của vật liệu thì , , đƣợc gọi là độ phản xạ, độ hấp thụ, độ truyền qua của vật liệu ấy nhằm phân biệt với các hệ số kể trên vốn liên quan tới hệ vật lý cụ thể. Bức xạ của vật đen tuyệt đối 1. Năng suất phát xạ đơn sắc Năng suất phát xạ đơn sắc của một vật r,T là năng lƣợng bức xạ từ một đơn vị diện tích của vật trong một đơn vị thời gian trên một khoảng bƣớc sóng d.

Nhƣ vậy, năng suất phát xạ đơn sắc của một bề mặt vật lý chính là độ thoát xạ phổ M,T của bề mặt ấy [44,45,47]. Đối với vật có khả năng hấp thụ và phát bức xạ nhiệt, theo định luật về bức xạ nhiệt cân bằng của Kirchhoff [26,45,48], ta có tỷ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc r,T và hệ số hấp thụ đơn sắc của một vật bất kỳ ở trạng thái bức xạ nhiệt cân bằng thì không phụ thuộc vào bản chất của vật đó, mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T của vật và bƣớc sóng bức xạ .13) Hàm là chung cho mọi vật nên đƣợc gọi là hàm phổ biến. Đối với trƣờng hợp vật có hệ số hấp thụ đơn sắc bằng đơn vị ( ), thì hàm phổ biến chính là năng suất phát xạ đơn sắc của nó ( ). Đặc trƣng phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối Vật đen tuyệt đối (hay còn gọi là vật đen lý tƣởng) là vật có khả năng hấp thụ hoàn toàn năng lƣợng mọi bức xạ điện từ tới nó ở mọi nhiệt độ, bất kể bƣớc sóng và hƣớng tới [26,43-45,47,50].

Nói cách khác, theo (1.12) thì vật đen là vật ở trạng thái cân bằng nhiệt động, tƣơng ứng với trƣờng hợp , và. Bức xạ vật đen tuyệt đối có những đặc tính: đẳng hƣớng và đồng nhất (bức xạ Lambert); không phân cực, phổ bức xạ liên tục; bức xạ vật đen tại một bƣớc sóng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Hai vật đen tuyệt đối bất kỳ bức xạ nhƣ nhau ở cùng một nhiệt độ và vật đen tuyệt đối có bức xạ lớn nhất so với bất kỳ vật thể thực nào ở cùng nhiệt độ. Trƣờng bức xạ bên trong hốc quang học ở trạng thái cân bằng nhiệt động cũng đƣợc coi là bức xạ có đặc tính của vật đen tuyệt đối [26,44,50].

Phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nó, năng lƣợng trong phổ tuân theo quy luật phân bố bức xạ Plank [26,47]: (1.14) 23 trong đó r,T là năng suất phát xạ đơn sắc; h= 6,626 x 10−34(J⋅s) là hằng số Plank; c=2,998x108 (m⋅s−1) là tốc độ ánh sáng trong chân không;  là bƣớc sóng bức xạ, (m); k = 1,381×10−23(J.K-1) là hằng số Boltzmann; T là nhiệt độ tuyệt đối.