“實(shí)驗(yàn)走入課堂”科普系列之一：紅外熱成像儀

作者：劉書鋼 黑龍江大學(xué)教授，北京師范大學(xué)教育學(xué)部兼職教授，銳光凱奇（鎮(zhèn)江）光電科技有限公司首席科學(xué)家，中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)青少年光科學(xué)主題（鎮(zhèn)江）科普教育基地負(fù)責(zé)人

為紀(jì)念1960年由美國(guó)休斯研究實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家梅曼制造的第一臺(tái)紅寶石激光器，聯(lián)合國(guó)教科文組織將每年的5月16日設(shè)為“國(guó)際光日”（International Day of Light）。

為了讓更多人了解光學(xué)及光學(xué)儀器科技，我們特別在“國(guó)際光日”所在的5月科普一下紅外熱成像儀。

首先讓我們重溫學(xué)習(xí)一下電磁波譜。從物理學(xué)角度來說，光波是一種具有一定頻率（波長(zhǎng)）范圍的電磁輻射，其波長(zhǎng)覆蓋的范圍很廣。其中電磁輻射中只有一小部分能夠引起肉眼的感覺，其波長(zhǎng)在350nm-750nm的范圍，如圖1：

圖1 電磁波譜

一切物體，無論是北極冰川，還是火焰、人體，甚至極寒冷的宇宙深空，只要其溫度高于絕對(duì)零度（-273℃）都能輻射電磁波。熱成像主要通過采集熱紅外波段（8μm-14μm）的光，來探測(cè)物體的熱輻射。

熱成像把熱輻射轉(zhuǎn)化為灰度值，再利用各物體的灰度值差異來成像，經(jīng)系統(tǒng)處理轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)物體的熱圖像，以灰度級(jí)或偽彩色顯示出來，從而發(fā)現(xiàn)和識(shí)別目標(biāo)。熱成像儀是通過非接觸探測(cè)紅外能量（熱量），并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對(duì)溫度值進(jìn)行計(jì)算的一種檢測(cè)設(shè)備。

紅外（IR）或紅外熱成像儀的工作原理是檢測(cè)并測(cè)量從物體發(fā)出的紅外輻射，即熱信號(hào)。為此，必須首先為熱成像儀配備一個(gè)可以使紅外頻率通過的鏡頭，該鏡頭可以將紅外頻率聚焦在特殊的傳感器陣列上，從而檢測(cè)并讀取這些頻率。

傳感器陣列被構(gòu)造為像素網(wǎng)格，每個(gè)像素網(wǎng)格都會(huì)對(duì)熱輻射產(chǎn)生響應(yīng)，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。然后這些信號(hào)將被發(fā)送到熱成像儀主體內(nèi)的處理器，該處理器使用算法將其轉(zhuǎn)換為不同溫度值的彩色圖。這張彩色圖隨后會(huì)被發(fā)送到顯示屏上。

由于紅外輻射的特點(diǎn)，探測(cè)和成像設(shè)備都比較昂貴。今天為大家介紹一款可以走入課堂、使用手機(jī)實(shí)現(xiàn)的紅外熱像儀，通過視頻1讀者可以先了解一下：

視頻1

視頻1中的演示產(chǎn)品由菲力爾（FLIR Systems Inc）公司提供。

視頻2通過一個(gè)實(shí)際的案例，觀測(cè)電冰箱的熱輻射現(xiàn)象：

視頻2 電冰箱的熱輻射分布

視頻2是通過熱像儀來觀測(cè)電冰箱的熱輻射情況，因?yàn)楸淅鋬鍪以诒涞南虏浚黠@輻射強(qiáng)度要大于上部分。

作為授課的老師，在講授紅外輻射相關(guān)的理論知識(shí)時(shí)，可以觀測(cè)一些學(xué)生熟悉的實(shí)際場(chǎng)景，例如使用普通相機(jī)和紅外熱像儀拍攝手的圖片，加以對(duì)比，圖2是手的熱像儀拍攝的圖片：

圖2 手的熱像儀的圖片

通過手的熱像儀圖片，學(xué)生很是容易理解到熱輻射。通過下邊的圖片還可以觀測(cè)到熱輻射的反射，圖3：

圖3 熱輻射反射的一個(gè)例子

圖3是使用熱像儀拍攝的圖片，拍攝者身體熱量輻射到窗戶的玻璃上，然后反射回來熱像儀記錄下來。解釋清楚這一個(gè)現(xiàn)象并不是很容易的事情，涉及到熱輻射中的基本定律。熱輻射，物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，短波成分也愈多。熱輻射的光譜是連續(xù)譜，波長(zhǎng)覆蓋范圍理論上可從0直至∞，一般的熱輻射主要靠波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見光和紅外線傳播。由于電磁波的傳播無需任何介質(zhì)，所以熱輻射是在真空中唯一的傳熱方式。關(guān)于熱輻射，其重要規(guī)律有4個(gè)：基爾霍夫輻射定律、普朗克輻射分布定律、斯蒂藩－玻耳茲曼定律、維恩位移定律。這4個(gè)定律，有時(shí)統(tǒng)稱為熱輻射定律。熱輻射是以光波形式傳遞熱量就比較容易解釋圖3，人的熱輻射以電磁波的形式傳播到玻璃上，通過反射進(jìn)入到熱像儀的成像系統(tǒng)。

大家都熟悉的冷血?jiǎng)游镞@個(gè)詞語本來就是民間誤讀，不是正式的稱呼。這類動(dòng)物的正式名稱叫變溫動(dòng)物或外溫動(dòng)物，指的是體內(nèi)缺乏溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)物類群，它們沒有恒定體溫，會(huì)根據(jù)外界環(huán)境溫度而變化。因此可以利用紅外熱像儀來觀看冷血?jiǎng)游餆彷椛涞那闆r，如圖4是觀看烏龜和魚的熱輻射情況：

圖4 左圖是烏龜，右圖是魚

圖4可以清清楚楚地看到，烏龜和魚的熱輻射非常的弱，基本就是環(huán)境的溫度。但是人手的熱輻射要比周圍空氣高。為了進(jìn)一步給讀者比較深刻的印象，我們使用了熱像儀同時(shí)觀測(cè)兩個(gè)保溫杯、一個(gè)小烏龜和人手熱輻射，見視頻3：

視頻3 保溫杯、小烏龜和人手的熱輻射

視頻中可以清楚看到，兩個(gè)保溫杯裝同樣溫度水的情況下，靠右的保溫杯熱輻射比另外一個(gè)保溫杯輻射的明顯（也許可以使用這種辦法出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)保溫杯的保溫性能），烏龜幾乎觀測(cè)不到熱輻射，手的輻射當(dāng)然是最明顯的了。在拍攝這個(gè)視頻的同時(shí)，還在紋影儀上拍攝了視頻4：

視頻4 保溫杯、小烏龜和手在紋影儀上的情況

感興趣的讀者可以比較視頻3和視頻4的內(nèi)容得出自己的結(jié)論。

PS 使用Chat中國(guó)版本的Chat Moss問“紅外熱像儀和紅外夜視儀是不是一樣？”，給出的回答如下：

雖然兩者都使用紅外線技術(shù)，但紅外熱像儀和紅外夜視儀的工作原理和用途有很大的不同。紅外熱像儀主要用于檢測(cè)物體的熱量分布，通過測(cè)量物體表面散發(fā)的紅外線來生成熱成像圖像。它可以檢測(cè)到遠(yuǎn)距離內(nèi)的熱源，如人體、動(dòng)物、發(fā)動(dòng)機(jī)等，也可以在夜間或低光環(huán)境中工作。紅外熱像儀通常應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。

而紅外夜視儀則利用紅外線的反射原理，通過接收周圍環(huán)境中的微弱紅外線來增強(qiáng)暗光或無光環(huán)境中的視覺效果，使人眼能夠清晰地看到目標(biāo)。紅外夜視儀通常應(yīng)用于警用、軍用、狩獵等領(lǐng)域。

因此，可以看出，紅外熱像儀和紅外夜視儀具有不同的應(yīng)用場(chǎng)合和作用。

請(qǐng)讀者給出自己的評(píng)判

PS每年的今天，5月16日是國(guó)際光日(IDL)，是一項(xiàng)全球倡議，強(qiáng)調(diào)光和基于光的技術(shù)在科學(xué)、文化、教育和可持續(xù)發(fā)展方面的核心作用，國(guó)際光日不僅僅是慶祝激光科學(xué)的紀(jì)念日，也是為了強(qiáng)調(diào)光學(xué)與光子學(xué)不斷改變著人們的生活，在人類社會(huì)進(jìn)步中發(fā)揮越來越大的作用。

**供稿：中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)青少年光科學(xué)（鎮(zhèn)江）主題科普教育基地、**銳光凱奇（鎮(zhèn)江）光電科技有限公司