Luận án tiến sĩ vật lí nghiên cứu và phát triển nguồn giả vật đen cho hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh thu bởi camera ảnh nhiệt vùng 8 12m

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

NGUYỄN QUANG MINH

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN NGUỒN GIẢ VẬT
ĐEN CHO HIỆU CHỈNH BẤT ĐỒNG NHẤT ẢNH THU
BỞI CAMERA ẢNH NHIỆT VÙNG 8-12m

LUẬN ÁN TIẾN SỸ

HÀ NỘI – 2017


VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………

NGUYỄN QUANG MINH

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN NGUỒN GIẢ VẬT
ĐEN CHO HIỆU CHỈNH BẤT ĐỒNG NHẤT ẢNH THU
BỞI CAMERA ẢNH NHIỆT VÙNG 8-12m

LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ
Chuyên ngành: Quang học

Mã số: 9440110

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1. GS.TS. Nguyễn Đại Hƣng
2. TS. Tạ Văn Tuân

Hà Nội – 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án tiến sỹ “Nghiên cứu và phát triển nguồn giả
vật đen cho hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh thu bởi camera ảnh nhiêt vùng 8 12 m” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và tài liệu trong luận
án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào.
Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ.

Tác giả luận án

Nguyễn Quang Minh


LỜI CẢM ƠN
Luận án đƣợc hoàn thành tại Viện Vật lý (IoP), Học viện Khoa học và
Công nghệ (GUST), Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt nam
(VAST). Nghiên cứu sinh bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các giảng
viên, các nhà khoa học, các cán bộ quản lý của Viện Vật lý, Học viện Khoa
học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Việt nam đã tận tình giảng dạy,
giúp đỡ, hƣớng dẫn nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện luận án.
Nghiên cứu sinh biết ơn sự quan tâm bàn luận, những nhận xét phản
biện sâu sắc về chuyên môn và sự hƣớng dẫn tận tình của GS.TS. Nguyễn Đại
Hƣng, Viện Vật lý, trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, thực hiện luận

án. Nghiên cứu sinh trân trọng những chỉ dẫn về ý tƣởng và phƣơng pháp
nghiên cứu, những hiệu đính chất lƣợng của TS. Tạ Văn Tuân, Hội Vật lý
Việt nam, trong từng nội dung của luận án.
Xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Viện Ứng dụng Công nghệ
(NACENTECH) - Bộ Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện cho nghiên
cứu sinh về thủ tục, giúp đỡ tôi thực hiện đầy đủ các khối lƣợng học tập,
nghiên cứu để hoàn thành luận án này. Kết quả của luận án không thể tách rời
sự hỗ trợ về chuyên môn, sự hợp tác rất hiệu quả của các đồng nghiệp đang
công tác tại Trung tâm Tích hợp Công nghệ (CSEi), Viện Ứng dụng Công
nghệ trong các nghiên cứu và thực nghiệm.
Luận án này cũng là thành quả mà tôi muốn gửi tặng gia đình, ngƣời
thân và bạn bè, luôn là chỗ dựa vững chắc, là nguồn động viên, hỗ trợ vô bờ
bến đối với tôi, giúp tôi vƣợt đƣợc mọi khó khăn, trở ngại, đạt đƣợc mục tiêu
đề ra./.


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ ................................................. 10
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 14
CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỨC XẠ VẬT ĐEN ...................... 19
1.1. Các đại lƣợng đặc trƣng bức xạ nhiệt ................................................. 19
1.1.1. Công suất bức xạ .......................................................................... 19
1.1.2. Độ trƣng bức xạ ............................................................................ 19
1.1.3. Độ thoát xạ ................................................................................... 21
1.1.4. Cƣờng độ bức xạ .......................................................................... 21
1.1.5. Độ rọi xạ ....................................................................................... 21
1.2. Hấp thụ, phản xạ, truyền qua bức xạ .................................................. 22

1.3. Bức xạ của vật đen tuyệt đối .............................................................. 23
1.3.1. Năng suất phát xạ đơn sắc ............................................................ 23
1.3.2. Đặc trƣng phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối................................. 23
1.3.3. Định luật Stefan - Boltzmann ....................................................... 24
1.3.4. Định luật Wien ............................................................................. 25
1.4. Cơ sở lý thuyết bức xạ nguồn giả vật đen .......................................... 25
1.4.1. Phát xạ của vật thực ..................................................................... 25
1.4.2. Hốc phát xạ của nguồn bức xạ giả vật đen................................... 26
1.4.2.1. Kiểu dạng hốc phát xạ............................................................ 27
1.4.2.2. Dòng bức xạ từ một bề mặt hốc phát xạ ................................ 28
1.4.2.3. Hệ số phát xạ hiệu dụng ........................................................ 30
1.4.2.4. Nhiệt độ bức xạ ...................................................................... 31
1.4.2.5. Tính bất đẳng nhiệt của hốc phát xạ thực .............................. 32
1.5. Kết luận Chƣơng 1 .......................................................................... 34
CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG BỨC XẠ
CỦA HỐC PHÁT XẠ VẬT ĐEN .................................................................. 35
1


2.1. Phƣơng pháp tính toán tất định........................................................... 36
2.1.1. Các biểu thức tính toán gần đúng ................................................. 36
2.1.2. Phƣơng pháp giải tích................................................................... 39
2.1.2.1. Phƣơng trình tích phân cơ bản ............................................... 39
2.1.2.2. Các phƣơng trình tính hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc hình
trụ - đáy nón lõm.................................................................................... 42
2.2. Phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo ................................................ 45
2.2.1. Phƣơng pháp Monte Carlo trong đo lƣờng bức xạ ...................... 46
2.2.1.1. Mô hình hóa ngẫu nhiên các tính chất quang học của bề mặt 47
2.2.1.2. Xác suất các quá trình lan truyền và tƣơng tác bức xạ .......... 53
2.2.1.3. Vẽ sơ đồ tia ............................................................................ 53

2.2.1.4. Kỹ thuật gán trọng số thống kê ............................................. 55
2.2.2. Mô phỏng Monte Carlo trong tính toán đặc trƣng bức xạ của hốc
phát xạ .....................................................................................................56
2.2.2.1. Phƣơng pháp mô phỏng dựa trên phát xạ .............................. 56
2.2.2.2. Phƣơng pháp mô phỏng dựa trên hấp thụ bức xạ .................. 58
2.3. Phƣơng pháp đo lƣờng thực nghiệm .................................................. 60
2.3.1. Các phƣơng pháp đo phản xạ ....................................................... 61
2.3.1.1. Đo phản xạ bằng laser ............................................................ 62
2.3.1.2. Đo phản xạ bằng nguồn bức xạ dải rộng ............................... 63
2.3.2. Đo lƣờng trắc xạ các nguồn bức xạ vật đen ................................. 65
2.3.2.1. Các thiết bị đo trắc xạ (radiometers)...................................... 65
2.3.2.2. Các máy đo phổ kế bức xạ (spectroradiometers)................... 66
2.3.3. Đo nhiệt độ ................................................................................... 67
2.4. Kết luận chƣơng 2 .............................................................................. 68
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HỆ SỐ PHÁT XẠ THEO
HƢỚNG HIỆU DỤNG CỦA HỐC HÌNH TRỤ - ĐÁY NÓN LÕM ............ 70
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 .................... 70

2


3.1.1. Tính các hệ số góc trong phƣơng trình hệ số phát xạ địa phƣơng
hiệu dụng của đáy nón .............................................................................. 72
3.1.1.1. Biến đổi các biểu thức hệ số góc ........................................... 72
3.1.1.2. Xử lý các điểm kỳ dị .............................................................. 74
3.1.2. Tính toán hệ số phát xạ địa phƣơng hiệu dụng của đáy nón bằng
kỹ thuật đa thức nội suy ............................................................................ 75
3.1.2.1. Lựa chọn dạng đa thức nội suy .............................................. 75
3.1.2.2. Nghiên cứu tính hệ số phát xạ địa phƣơng hiệu dụng của đáy

nón.........................................................................................................77
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.............................................................................................................81
3.2.1. Mô hình hóa hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm ......................... 83
3.2.1.1. Giả định các đặc trƣng quang học của hốc phát xạ ............... 83
3.2.1.2. Mô hình phân bố phản xạ của bề mặt hốc ............................. 85
3.2.2. Xác định đặc trƣng bức xạ theo hƣớng pháp tuyến hiệu dụng của
hốc phát xạ ................................................................................................ 87
3.2.3. Mô phỏng lan truyền bức xạ trong hốc phát xạ ........................... 88
3.2.4. Xây dựng giải thuật mô phỏng ..................................................... 91
3.3. Kết luận chƣơng 3 .............................................................................. 96
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 ................................................................................. 99
4.1. Các yêu cầu đối với nguồn giả vật đen............................................... 99
4.1.1. Yêu cầu sử dụng ........................................................................... 99
4.1.2. Các yêu cầu kỹ thuật chủ yếu ....................................................... 99
4.1.2.1. Kiểu dạng hốc phát xạ............................................................ 99
4.1.2.2. Dải phổ bức xạ ..................................................................... 100
4.1.2.3. Kích thƣớc khẩu độ ra .......................................................... 100
3


4.1.2.4. Hệ số phát xạ theo hƣớng hiệu dụng ................................... 100
4.1.2.5. Nhiệt độ làm việc ................................................................. 100
4.1.2.6. Nguồn điện cung cấp ........................................................... 101
4.1.3. Yêu cầu thiết kế .......................................................................... 101
4.2. Nghiên cứu thiết kế hốc phát xạ ....................................................... 102
4.2.1. Nghiên cứu xác định các tham số thiết kế của hốc phát xạ ....... 102

4.2.1.1. Khảo sát phân bố củae,n nhƣ là hàm của tỷ số R/r ............. 103
4.2.1.2. Khảo sát phân bố củae,n nhƣ là hàm của tỷ số L/R............ 106
4.2.1.3. Khảo sát phân bố củae,n nhƣ là hàm của góc  ................. 108
4.2.1.4. Xác định các tham số thiết kế của hốc phát xạ .................... 111
4.2.1.5. Đánh giá các tham số thiết kế hệ thống ............................... 114
4.2.2. Lựa chọn vật liệu phát xạ ........................................................... 115
4.3. Giải pháp cấp nhiệt và điều khiển nhiệt độ ...................................... 117
4.3.1. Yêu cầu về nguồn nhiệt .............................................................. 117
4.3.2. Điều khiển nhiệt độ của đáy nón ................................................ 121
4.4. Đánh giá đặc trƣng nguồn bức xạ giả vật đen .................................. 122
4.4.1. Nguồn bức xạ giả vật đen đƣợc chế tạo ..................................... 122
4.4.2. Khảo sát nhiệt độ bề mặt đáy nón .............................................. 125
4.4.3. Đánh giá đặc trƣng bức xạ bằng phổ kế bức xạ ......................... 128
4.5. Xử lý bất đồng nhất ảnh nhiệt .......................................................... 132
4.5.1. Mô hình đáp ứng tuyến tính của camera .................................... 133
4.5.2. Hiệu chỉnh tuyến tính bằng chuẩn hóa ....................................... 134
4.5.3. Nghiên cứu ứng dụng hiệu chỉnh NUC ảnh nhiệt vùng LWIR . 137
4.6. Kết luận Chƣơng 4............................................................................ 145
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 146
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 148
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ................. 149
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 150
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 163
P1. Biến đổi các biểu thức hệ số góc ......................................................... 163
4


P1.1 Biến đổi biểu thức hệ số góc dFx,ap .............................................. 163
P1.2Biến đổi biểu thức hệ số góc dFy0,ap ............................................. 164
P1.3 Biến đổi biểu thức hệ số góc d2Fy0,x ............................................ 165

P1.4 Giá trị của các hệ số góc tại các điểm kỳ dị ................................ 167
P2. Đặc trƣng phát xạ của một số vật liệu ................................................. 169
P3. Nguồn giả vật đen ................................................................................ 171
P3.1. Thiết kế cơ khí khối nguồn bức xạ ................................................ 171
P3.2. Mô tả nguồn giả vật đen ................................................................ 177

5


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU
A
Diện tích bề mặt bức xạ
b

Hằng số Wien

c

Tốc độ ánh sáng trong chân không

c1,c2

Các hằng số bức xạ

d

Đƣờng kính/Khoảng cách

D

Độ khuếch tán

d2F

Hệ số góc vi phân

E

Độ rọi bức xạ

f

Tiêu cự

f

Hàm phân bố phản xạ

F,dF

Hệ số góc

G,g

Hệ số khuếch đại/Hệ số nhân

h

Hằng số Plank

I

Cƣờng độ bức xạ

k

Hằng số Boltzmann

L

Độ trƣng/độ chói bức xạ

L,l

Độ dài

M

Năng suất phát xạ/ Độ thoát xạ

O,o

Hệ số bù

Q

Năng lƣợng bức xạ điện từ

R,r

Bán kính

r,T

Năng suất phát xạ đơn sắc

S,s

Diện tích

T

Nhiệt độ tuyệt đối

6




Góc giữa đáy nón và vách trụ



Bƣớc sóng

(,)

Các góc tọa độ trong hệ tọa độ cầu

,,b,,s

Các số giả ngẫu nhiên



Công suất/ Thông lƣợng quang học/bức xạ



Góc khối chùm bức xạ



Góc mở bức xạ ra của hốc phát xạ

r

Góc phản xạ

s

Góc phản xạ kiểu gƣơng

i

Góc tới



Hằng số Stefan-Boltzmann

,e

Hệ số hấp thụ, Hệ số hấp thụ hiệu dụng

, e

Hệ số phản xạ, Hệ số phản xạ hiệu dụng

, e

Hệ số phát xạ, Hệ số phát xạ hiệu dụng
Hàm phổ biến



Hệ số truyền qua



Tần số bức xạ điện từ



Trọng số thống kê
Vector chỉ phƣơng
Vector vị trí

7

CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BFL

Back Focal Length

Tiêu cự sau

BRDF

Bi-directional Reflectance
Distribution Function
Charge Couple Devices

Hàm phân bố độ phản xạ
lƣỡng hƣớng
Linh kiện liên kết điện tích

Cumulative Distribution
Function
Complementary Metal-OxideSemiconductor
Capacitive Trans Impedance
Amplifier
Circular Variable Filter

Hàm phân bố tích lũy

Directional - Hemispherical
Reflectance

Focal Plane Array

Độ phản xạ bán cầu theo
hƣớng
Mảng tiêu diện phẳng

FPN

Field-Programmable Gate
Array
Fixed Pattern Noise

Mảng tích hợp cỡ lớn khả
trình
Tạp kiểu hoa văn cố định

FWHM

Full Width at Half Maximum

HSR

Heat Sink Resistance

Độ rộng toàn phần nửa cực
đại
Trở nhiệt của tấm thu nhiệt

ICM

Integrative Cavity Method

Phƣơng pháp hốc tích hợp

IR

Infrared

Hồng ngoại

LWIR

Long Wavelength Infrared

Hồng ngoại bƣớc sóng dài

MC

Monte Carlo

Monte Carlo

MCM

Monte Carlo Method

Phƣơng pháp Monte Carlo

MCU

Micro-Controller Unit

Bộ vi điều khiển

NU

Non-Uniformity

Độ bất đồng nhất

NUC

Non-Uniformity Correction

Hiệu chỉnh bất đồng nhất

P.I.D

Proportional-IntegralDerivative

Tính vi tích phân tỷ lệ

CCD
CDF
CMOS
CTIA
CVF
DHR
FPA
FPGA

8

Bán dẫn ô xít kim loại bù
Bộ khuếch đại trở kháng
Bộ lọc vòng biến đổi


PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

PDF

Hàm phân bố xác suất

PWM

Probability Distribution
Function
Pseudo-Random Number
Generator
Pusle Width Modulation

RNG

Random Number Generator

Bộ tạo số ngẫu nhiên

ROIC

Read-out Integrated Circuit

Mạch đọc

RTD

Cảm biến nhiệt điện trở

SNR

Resistance Temperature
Detector
Signal - to - Noise Ratio

TE

Thermo-Electric

Thuộc điện - nhiệt

USD

Uniform Specular Diffuse

Tính khuếch tán gƣơng đồng
nhất

PRNG

Bộ tạo số giả ngẫu nhiên
Điều biến độ rộng xung

Tỷ số tín/tạp

9


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Đa thức nội suy của hàm tích phân d2Fyo,x dFx,ap với hệ số phát xạ
bề mặt  = 0,7. ................................................................................................. 79
Bảng 3.2: So sánh các giá trị trung bình của hàm số dFy0,ap và của tích phân
dF2y0,ap dFx,ap, đƣợc tính bằng kỹ thuật đa thức nội suy áp dụng trong luận án
và đƣợc tính bằng phƣơng pháp giải tích ở cùng điều kiện ( =0,7). ............. 80
Bảng 3.3: Hệ số phát xạ trung bình hiệu dụng của đáy nón (e)tb của hốc phát
xạ hình trụ - đáy nón lõm có hệ số phát xạ bề mặt  = 0,7. ............................ 81
Bảng 3.4: Hệ số phát xạ theo hƣớng pháp tuyến hiệu dụng của hốc hình trụ đáy nón lõm (L/R = 6, R/r =1,  = 60). ......................................................... 95
Bảng 4.1: Yêu cầu kỹ thuật hệ thồng. ........................................................... 101
Bảng 4.2: Giá trị e,n phân bố theo R/r tính cho các góc  khác nhau (trƣờng
hợp L/R = 6,  = 0,7). .................................................................................... 105
Bảng 4.3: Giá trị e,n của hốc phát xạ cho hai trƣờng hợp L/R=6 và L/R=3 (R/r
=1;  = 0,7;  = 25...60). ............................................................................ 107
Bảng 4.4: Trị số góc  “tới hạn” phụ thuộc tỷ số L/R ( = 0,7, R/r =1)....... 110
Bảng 4.5: So sánh hệ số phát xạ hiệu dụng e,n của hốc phát xạ nghiên cứu
(trƣờng hợp R/r = 1 và R/r =1,08). ............................................................... 112
Bảng 4.6: Hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát xạ (L/R =3; R/r =1,08;  =

55) với các giá trị  = 0,7; 0,8; 0,9 và 0,92. ................................................. 115
Bảng 4.7: Phân bố nhiệt độ bề mặt đáy nón. ................................................ 126
Bảng 4.8: Thông số kỹ thuật chính của module IR118 ................................ 138
Bảng 4.9: Thông số kỹ thuật các hệ quang học hồng ngoại ......................... 139
Bảng 4.10: Đánh giá bất đồng nhất ảnh. ....................................................... 142

10


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Độ trƣng bức xạ [47]. ...................................................................... 20
Hình 1.2: Hệ tọa độ cầu và đơn vị góc khối d [47]. ..................................... 20
Hình 1.3: Phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối (1.15)......................................... 24
Hình 1.4: Đặc trƣng phân bố phổ của các nguồn bức xạ [51]. ....................... 26
Hình 1.5: Một số dạng hốc phát xạ có khẩu độ ra lớn [26]. ........................... 27
Hình 1.6: Bức xạ thoát ra từ bề mặt của hốc phát xạ vật đen. ........................ 29
Hình 2.1: Hệ số phát xạ hiệu dụng phụ thuộc kích thƣớc và hệ số phát xạ bề
mặt của hốc phát xạ hình trụ (2.7). ................................................................. 38
Hình 2.2: Xây dựng phƣơng trình tích phân cơ bản cho hệ số phát xạ hiệu
dụng. ................................................................................................................ 39
Hình 2.3: Kiến trúc hình học hốc hình trụ, đáy nón lõm [39]. ....................... 43
Hình 2.4: Hàm phân bố độ phản xạ lƣỡng hƣớng BRDF [77]. ...................... 49
Hình 2.5: Độ nhám bề mặt và các hiện tƣợng phản xạ [80]. .......................... 49
Hình 2.6: Mô hình phản xạ bề mặt khuếch tán –gƣơng đồng nhất (USD) [81].
......................................................................................................................... 50
Hình 2.7: Mô hình phản xạ bề mặt 3 thành phần (3C BRDF) [81]. ............... 51
Hình 2.8: Mô hình phản xạ kiểu gƣơng do chiếu sáng của Phong [86]. ........ 52
Hình 2.9: Mô phỏng dựa trên phát xạ. ............................................................ 57
Hình 2.10: Sơ đồ hệ thống đo bức xạ phản xạ dùng nguồn laser [63]............ 62
Hình 2.11: Đo phản xạ laser sử dụng quả cầu tích phân [92]. ........................ 63

Hình 2.12: Sơ đồ đo bức xạ phản xạ dùng đèn sợi đốt ( = 400...700nm) [67].
......................................................................................................................... 63
Hình 2.13: Sơ đồ đo phản xạ trong dải phổ hồng ngoại dài [93]. ................... 64
Hình 2.14: Sơ đồ khối thiết bị đo trắc xạ [63]. ............................................... 66
Hình 2.15: Sơ đồ khối máy đo phổ kế bức xạ [30]. ........................................ 66
Hình 3.1: Bức xạ hƣớng pháp tuyến của hốc hình trụ - đáy nón lõm. ............ 71
Hình 3.2: Mô hình hốc phát xạ hình trụ - đáy nón lõm nghiên cứu. .............. 83
Hình 3.3: Mô hình phản xạ khuếch tán theo hƣớng [101]. ............................. 85
Hình 3.4: Chu trình dò tìm các điểm tƣơng tác............................................... 92
Hình 3.5: Lƣu đồ thuật toán mô phỏng Monte Carlo. .................................... 98
Hình 4.1: Mô hình tối ƣu các tham số thiết kế của hốc phát xạ.................... 102
Hình 4.2: Phân bố của e,n nhƣ là hàm của R/r (L/R= 6,  = 60). ............... 103
11


Hình 4.3: Hàm e,n (R/r) phụ thuộc tỷ số L/R ( trƣờng hợp  =60,  = 0,7).103
Hình 4.4: Hàm e,n (R/r) phụ thuộc góc  ( trƣờng hợp L/R = 6,  = 0,7)..... 103
Hình 4.5: Phân bố của e,n nhƣ là hàm của tỷ số L/R (R/r =1). .................... 106
Hình 4.6: Hàm e,n (L/R) phụ thuộc R/r ( trƣờng hợp  = 55,  = 0,7). ..... 106
Hình 4.7: Phân bố của e,n nhƣ là hàm của  (L/R =3, R/r =1). .................... 108
Hình 4.8: Hàm e,n ( ) phụ thuộc tỷ số L/R (R/r = 1,  = 0,7). .................... 109
Hình 4.9: Phân bố e,n theo góc  phụ thuộc tỷ số R/r (L/R = 3,  = 0,7) .... 110
Hình 4.10: Phân bố e,n nhƣ là hàm của hệ số phát xạ bề mặt  (r=60 mm, R/r
=1,08, L/R =3 và  = 55) ............................................................................. 114
Hình 4.11: Phụ thuộc phổ của hệ số hấp thụ và hệ số phản xạ pháp tuyến của
một số vật liệu đục [68]. ................................................................................ 116
Hình 4.12: Sơ đồ cấu tạo chung của máy phát nhiệt TE [112]. .................... 117
Hình 4.13: Biểu đồ xác định các tham số cực đại của máy phát nhiệt TE hoạt
động ở chế độ làm lạnh trong điều kiện tiêu chuẩn [112]. ........................... 119
Hình 4.14: Đặc tuyến hoạt động của module AC-027 [114]. ....................... 120

Hình 4.15: Sơ đồ vòng điều khiển nhiệt độ. ................................................. 122
Hình 4.16: Nguồn bức xạ giả vật đen đƣợc chế tạo. ..................................... 123
Hình 4.17: Sơ đồ mặt cắt ngang của khối nguồn bức xạ. ............................. 124
Hình 4.18: Sơ đồ đấu dây hệ thống của thiết bị nguồn giả vật đen. ............. 124
Hình 4.19: Phân vùng khảo sát phân bố nhiệt độ bề mặt đáy nón. ............... 126
Hình 4.20: Chênh lệch giữa nhiệt độ bức xạ trung bình của bề mặt đáy nón
TTB và nhiệt độ đặt TSV. .................................................................................. 127
Hình 4.21: Sơ đồ quang học phổ kế bức xạ SR 5000 [118]. ........................ 128
Hình 4.22: Khảo sát đặc trƣng bức xạ nguồn giả vật đen đƣợc chế tạo. ...... 130
Hình 4.23: Cửa sổ truyền qua của khí quyển đối với phổ hồng ngoại [51]. . 131
Hình 4.24: Thành phần cấu tạo camera ảnh nhiệt sử dụng IR FPA[18]. ...... 132
Hình 4.25: Hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh cho camera ảnh nhiệt (NUC). ..... 134
Hình 4.26: Hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh bằng chuẩn hóa 2 điểm [4]. ........ 135
Hình 4.27: Sơ đồ bố trí thực nghiệm đánh giá hiệu quả NUC. .................... 138
Hình 4.28: Module IR 118 không làm lạnh. ................................................. 138
Hình 4.29: Ảnh bức xạ hốc vật đen ở 20C trƣớc (a) và sau khi NUC (b)... 141
Hình 4.30: Biểu độ phân bố mức xám của ảnh bức xạ hốc vật đen ở 20C
trƣớc (a) và sau NUC(b)................................................................................ 141
12


Hình 4.31: Hình ảnh cảnh quan trƣớc và sau khi NUC. ............................... 143
Hình 4.32: Bố trí thực nghiệm hiệu chỉnh NUC cho camera ảnh nhiệt trong
phòng thí nghiệm. .......................................................................................... 143
Hình 4.33: Nguồn giả vật đen đƣợc triển khai sử dụng cho kỹ thuật NUC ảnh
nhiệt ở điều kiện thực địa. ............................................................................. 144

13

MỞ ĐẦU
Khoa học và công nghệ hồng ngoại là một lĩnh vực mới nổi trong
những thập niên gần đây do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vật liệu
bán dẫn, công nghệ quang tử, quang điện tử và các công nghệ tích hợp hiện
đại [1,2]. Một số lớn các ứng dụng về hồng ngoại (IR) đều dựa vào ảnh nhiệt,
liên quan tới tạo ảnh hồng ngoại [2-4]. Các thiết bị camera ảnh nhiệt (thermal
cameras) có khả năng thu nhận và hiển thị phân bố bức xạ nhiệt của cảnh
quan trong trƣờng nhìn của ống kính vật dƣới dạng ảnh nhìn thấy hai chiều
(2D) [4-6]. Với đặc điểm này, camera ảnh nhiệt đƣợc sử dụng ngày càng phổ
biến cho các yêu cầu nhìn đêm hay phục vụ cho các hệ thống quang điện tử
hiện đại có tính năng hoạt động ngày đêm [1,3,7-9].
Các camera ảnh nhiệt sử dụng cảm biến vùng hồng ngoại dƣới dạng
mảng tiêu diện phẳng (IR FPA) giữ vị trí thống lĩnh trong các ứng dụng ảnh
hồng ngoại hiện nay [2,3,5,6,10-13]. Cấu tạo chung của IR FPA bao gồm một
ma trận tích hợp một số lƣợng lớn các phần tử thu, một mạch đọc điện tử
(ROIC) với cơ chế dồn kênh và một số các kênh khuếch đại song song
[2,5,11-13]. Vì vậy, các camera ảnh nhiệt có bản chất là hệ thu nhận và xử lý
tín hiệu đa kênh với tín hiệu lối vào có mức tín hiệu/tạp (SNR) rất thấp [14].
Các thiết bị này có một hạn chế mang tính đặc trƣng là ảnh hiển thị lối ra
thƣờng bị ảnh hƣởng của tạp kiểu hoa văn cố định (FPN) [2,4,5,11,15].
Nguyên nhân của hiện tƣợng FPN là: i) Bất đồng nhất đáp ứng của các thành
phần cảm biến (các phần tử thu trên FPA và mạch đọc ROIC) do hạn chế của
công nghệ chế tạo cảm biến, ii) Hiện tƣợng phản xạ nhiệt bên trong hệ quang
cơ của camera do sai sót trong thiết kế, chế tạo, và iii) Sự suy biến các tham
số làm việc của hệ thống do nhiệt độ và thời gian khai thác [4,5,16-19]. Đối
với các camera ảnh nhiệt chuyên dụng có tính năng quan sát, phát hiện đối
tƣợng có kích thƣớc nhỏ ở khoảng cách lớn, hiện tƣợng các tạp FPN hiển thị
chồng chập trên ảnh bức xạ cảnh quan sẽ ảnh hƣởng tới chất lƣợng thông tin
đƣợc đăng tải trên ảnh nhận đƣợc, làm suy giảm mức tín/tạp tới mức khó
nhận dạng ảnh [5,15]. Để nhận đƣợc ảnh bức xạ nhiệt có chất lƣợng phù hợp

với mục đích sử dụng, cần phải có biện pháp giảm thiểu ảnh hƣởng của các
yếu tố sinh ra FPN. Kỹ thuật phổ biến đƣợc áp dụng là hiệu chỉnh bất đồng
nhất (NUC), dựa trên chuẩn hóa các đặc trƣng đáp ứng của các thành phần và
hệ thống của camera ảnh nhiệt [2,5,16-21]. Hiện có 2 kỹ thuật chính đƣợc sử
14


dụng cho mục đích xử lý NUC ảnh nhiệt [5,16-18,21-24], đó là: i) Hiệu chuẩn
tuyến tính (linear calibration) dựa trên các phông nền bức xạ chuẩn (chuẩn
hóa 1 điểm, 2 điểm hoặc đa điểm), và ii) Hiệu chuẩn thích nghi (adaptive
calibration) bằng cách xử lý ảnh hiển thị theo phông nền bức xạ tự nhiên.
Trong thực tiễn, kỹ thuật (i) đƣợc sử dụng rất rộng rãi do tính chính xác và
đơn giản của nó. Phần lớn các camera ảnh nhiệt thƣơng mại dùng cho mục
đích quan sát đều cho phép ngƣời dùng thực hiện quy trình NUC ảnh nhiệt
dựa trên kỹ thuật hiệu chuẩn tuyến tính [16,19,25].
Các nguồn bức xạ chuẩn dựa trên hốc phát xạ có khẩu độ ra bức xạ lớn
đƣợc sử dụng cho kỹ thuật hiệu chuẩn tuyến tính [13,17,26,27]. Hiện có nhiều
tên gọi khác nhau để chỉ các nguồn bức xạ chuẩn dựa trên hốc phát xạ, ví dụ
nhƣ: vật đen kỹ thuật, nguồn giả vật đen, nguồn vật đen mẫu, nguồn bức xạ
nhiệt chuẩn…[28]. Để thuận tiện, nếu không có chú giải đặc biệt, trong luận
án này sẽ sử dụng thuật ngữ “nguồn giả vật đen” để chỉ các nguồn bức xạ
chuẩn nói trên, và các hốc phát xạ dùng trong nguồn giả vật đen đƣợc gọi là
“hốc phát xạ vật đen”. Tùy thuộc vào các yêu cầu ứng dụng mà các hốc phát
xạ vật đen đƣợc thiết kế để có thể tạo ra chùm bức xạ tại khẩu độ ra của hốc
có tính chất là chuẩn trực, hội tụ, phân kỳ hoặc khuếch tán đều [17,27,29,30].
Đặc trƣng bức xạ của các nguồn giả vật đen đƣợc mô tả bởi đại lƣợng hệ số
phát xạ theo hướng hiệu dụng có tính chất phụ thuộc vật liệu cấu tạo, cấu trúc
hình học của các hốc phát xạ và hƣớng quan sát bức xạ [26,28]. Nguồn giả vật
đen có hệ số phát xạ theo hƣớng hiệu dụng càng gần với đơn vị, bức xạ ra của
nó trên hƣớng ấy có đặc trƣng càng gần giống hơn với bức xạ của nguồn vật

đen tuyệt đối (hay bức xạ mô tả đƣợc bởi luật bức xạ Plank) [26,28]. Trong
quá trình thiết kế và khảo sát đặc trƣng bức xạ của các nguồn giả vật đen, tính
toán là phƣơng pháp phổ biến để xác định đại lƣợng vật lý quan trọng này.
Hai phƣơng pháp tính toán chủ yếu đƣợc áp dụng là: Phƣơng pháp toán học
dựa trên mô tả trao đổi trao đổi nhiệt bức xạ giữa các bề mặt hốc bằng giải
tích (hay còn gọi là phƣơng pháp hốc tích hợp ICM - Integrative Cavity
Method), và phƣơng pháp Monte Carlo (MCM - Monte Carlo Method) dựa
trên cách tiếp cận ngẫu nhiên đối với các quá trình bức xạ [31].
Hiện nay, các nguồn giả vật đen thƣơng mại dựa trên hốc phát xạ dùng
để hiệu chuẩn camera ảnh nhiệt với khẩu độ ra bức xạ lớn (100 - 500) và
hệ số phát xạ hiệu dụng cao ( 0,9xx) có giá thành khá cao (hàng chục nghìn
15


USD). Cho đến nay, các nguồn giả vật đen đƣợc nhập ngoại về nƣớc ta chủ
yếu phục vụ cho các nghiên cứu đo lƣờng bức xạ trong phòng thí nghiệm,
không phù hợp cho các ứng dụng trên thực địa.
Những năm gần đây, Viện Ứng dụng Công nghệ - Bộ Khoa học và
Công nghệ đã triển khai nghiên cứu và ứng dụng ảnh nhiệt trên các hệ thống
quan sát, bám sát mục tiêu tự động hoạt động ngày đêm [8,9,32-36]. Để giải
quyết các yêu cầu quan sát tầm gần (<10 km), các camera ảnh nhiệt sử dụng
micrrobolometer FPA, hoạt động ở vùng hồng ngoại bƣớc sóng dài (LWIR),
với những ƣu điểm là không cần làm lạnh, giá thành thấp, bảo đảm kỹ thuật
dễ dàng với chi phí thấp... đang đƣợc quan tâm và tập trung nghiên cứu tại
Viện. Trong quá trình phát triển và ứng dụng các camera kể trên, yêu cầu xử
lý NUC hình ảnh dựa trên kỹ thuật hiệu chỉnh bằng chuẩn hóa đƣợc đặt ra
nhằm tạo ảnh hiển thị của bức xạ nhiệt có chất lƣợng đáp ứng đƣợc các yêu
cầu ứng dụng chuyên dụng nhƣ phát hiện, phân biệt và nhận dạng ảnh đối
tƣợng có kích thƣớc nhỏ trong chuỗi ảnh nhiệt video [18,29,37]. Vấn đề tự
thiết kế, chế tạo một kiểu nguồn giả vật đen có các đặc trƣng bức xạ đáp ứng

đƣợc yêu cầu hiệu chỉnh NUC bằng chuẩn hóa cho camera ảnh nhiệt, triển
khai ứng dụng đƣợc trong điều kiện khai thác thực tế, là yêu cầu cấp thiết cho
nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các camera ảnh nhiệt tại nƣớc ta. Ở trong
nƣớc, việc nghiên cứu chế tạo các nguồn giả vật đen tƣơng tự chƣa thấy công
bố. Trên cơ sở đó, chúng tôi đã lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu và phát
triển nguồn giả vật đen cho hiệu chỉnh bất đồng nhất ảnh thu bởi camera
ảnh nhiệt vùng 8-12 m”.
Mục tiêu của luận án là tạo các phƣơng pháp và công cụ tính hiệu quả
để thiết kế và chế tạo nguồn bức xạ giả vật đen dựa trên hốc phát xạ phục vụ
cho kỹ thuật hiệu chỉnh bất đồng nhất bằng hiệu chuẩn tuyến tính cho camera
ảnh nhiệt vùng LWIR, phù hợp với điều kiện khai thác thực tế của các thiết bị
này.
Chúng tôi lựa chọn một kiểu dạng hốc phát xạ đƣợc sử dụng rộng rãi
trong các nguồn bức xạ giả vật đen - đó là hốc hình trụ, đáy nón lõm - để
nghiên cứu cho mục đích trên. Ƣu điểm của nguồn bức xạ kiểu này là có chi
phí chế tạo thấp; hệ số phát xạ theo hƣớng hiệu dụng của hốc phát xạ cao; bức
xạ ra có xu hƣớng chuẩn trực, phân bố đều trên khẩu độ; khẩu độ ra bức xạ
lớn, trong khi chiều dài tổng thể của hốc tƣơng đối ngắn phù hợp với nhiều
16


ứng dụng cơ động [29,38-40]. Trở ngại lớn trong nghiên cứu chế tạo và phát
triển nguồn giả vật đen ở điều kiện nƣớc ta là thiếu hoặc không có các công
cụ tính toán thiết kế. Về nguyên tắc, chúng ta có thể tính toán hệ số phát xạ
theo hƣớng hiệu dụng của hốc phát xạ một cách trực tiếp bằng cách áp dụng
các biểu thức giải tích mô tả trao đổi trao đổi nhiệt bức xạ giữa các bề mặt
hốc (thƣờng là dƣới dạng các tích phân bội phức tạp) của các nghiên cứu
trƣớc đây [39,40], nhƣng cách làm này tốn rất nhiều thời gian, phức tạp và dễ
nhầm lẫn. Hiện đã có các công cụ phần mềm dựa trên phƣơng pháp mô phỏng
Monte Carlo dùng để tính toán hệ số phát xạ theo hƣớng hiệu dụng của các

hốc phát xạ. Đặc điểm chung của các phần mềm này là có giao diện trực
quan, thao tác dễ dàng, rất phù hợp với công việc thiết kế hốc phát xạ [41,42].
Tuy nhiên, những phần mềm thƣơng mại nhƣ vậy thƣờng có giá thành cao,
khó áp dụng cho quá trình thiết kế hốc phát xạ ở điều kiện trong nƣớc. Vì vậy,
việc nghiên cứu, xây dựng các phương pháp và công cụ tính toán phù hợp,
cho phép xác định hệ số phát xạ hiệu dụng của hốc phát xạ cần chế tạo, là một
vấn đề có ý nghĩa công nghệ quan trọng trong quá trình thiết kế nguồn giả vật
đen quan tâm.
Trên cơ sở đó, nội dung nghiên cứu chính của luận án bao gồm:
- Nghiên cứu quá trình trao đổi bức xạ nhiệt trong hốc phát xạ thực và
các đặc trƣng bức xạ của hốc.
- Nghiên cứu các phƣơng pháp tính toán hệ số phát xạ hiệu dụng của
hốc phát xạ và các phƣơng pháp đặc trƣng hóa nguồn bức xạ vật đen.
- Nghiên cứu xây dựng công cụ và kỹ thuật tính toán hệ số phát xạ
hiệu dụng trong trƣờng hợp hốc phát xạ dạng hình trụ - đáy nón lõm.
- 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 đƣợc
chế tạo thực hiện NUC cho camera ảnh nhiệt.
Ngoài 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 1.000 m). 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.
1.1. Các đại lƣợng đặc trƣng bức xạ nhiệt
1.1.1. 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]:
(1.2)
1.1.2. 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 1.1). 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 1.2).
Từ (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.

z

x

Hình 1.1: Độ trƣng bức xạ [47].

y

x

Hình 1.2: Hệ tọa độ cầu và đơn vị góc khối d [47].

20


1.1.3. 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-2.m-1), đƣợc tính bởi công suất
bức xạ phổ thoát khỏi một đơn vị diện tích [26,44]:
(1.4)
Biểu thức (1.4) có thể dễ dàng nhận đƣợc bằng cách thay (1.2) vào
(1.3), hay là:
(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.
1.1.4. 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]:
(1.8)
1.1.5. 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 (1.3) [26,45]:
(1.9)

21