天天即時：“實驗走入課堂”科普系列之一：紅外熱成像儀

作者：劉書鋼 黑龍江大學教授，北京師范大學教育學部兼職教授，銳光凱奇（鎮(zhèn)江）光電科技有限公司首席科學家，中國儀器儀表學會青少年光科學主題（鎮(zhèn)江）科普教育基地負責人

(資料圖)

為紀念1960年由美國休斯研究實驗室的物理學家梅曼制造的第一臺紅寶石激光器，聯(lián)合國教科文組織將每年的5月16日設為“國際光日”（International Day of Light）。

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

首先讓我們重溫學習一下電磁波譜。從物理學角度來說，光波是一種具有一定頻率（波長）范圍的電磁輻射，其波長覆蓋的范圍很廣。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，來探測物體的熱輻射。

熱成像把熱輻射轉化為灰度值，再利用各物體的灰度值差異來成像，經系統(tǒng)處理轉變?yōu)槟繕宋矬w的熱圖像，以灰度級或偽彩色顯示出來，從而發(fā)現(xiàn)和識別目標。熱成像儀是通過非接觸探測紅外能量（熱量），并將其轉換為電信號，進而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對溫度值進行計算的一種檢測設備。

紅外（IR）或紅外熱成像儀的工作原理是檢測并測量從物體發(fā)出的紅外輻射，即熱信號。為此，必須首先為熱成像儀配備一個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，從而檢測并讀取這些頻率。

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

由于紅外輻射的特點，探測和成像設備都比較昂貴。今天為大家介紹一款可以走入課堂、使用手機實現(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中的演示產品由菲力爾（FLIR Systems Inc）公司提供。

視頻2通過一個實際的案例，觀測電冰箱的熱輻射現(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電冰箱的熱輻射情況，因為冰箱冷凍室在冰箱的下部，明顯輻射強度要大于上部分。

作為授課的老師，在講授紅外輻射相關的理論知識時，可以觀測一些學生熟悉的實際場景，例如使用普通相機和紅外熱像儀拍攝手的圖片，加以對比，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，學生很是容易理解到熱輻射。通過下邊的圖片還可以觀測到熱輻射的反射，圖3：

圖3 熱輻射反射的一個例子

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。一切溫度高于絕對零度的物體都能產生熱輻射，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，波長覆蓋范圍理論上可從0直至∞，一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播。由于電磁波的傳播無需任何介質，所以熱輻射是在真空中唯一的傳熱方式。關于熱輻射，其重要規(guī)律有4個：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個定律，有時統(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，通過反射進入到熱像儀的成像系統(tǒng)。

大家都熟悉的冷血動物這個詞語本來就是民間誤讀，不是正式的稱呼。這類動物的正式名稱叫變溫動物或外溫動物，指的是體內缺乏溫度調節(jié)系統(tǒng)的動物類群，它們沒有恒定體溫，會根據(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動物熱輻射的情況，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。為了進一步給讀者比較深刻的印象，我們使用了熱像儀同時觀測兩個保溫杯、一個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保溫杯輻射的明顯（也許可以使用這種辦法出一個標準檢測保溫杯的保溫性能），烏龜幾乎觀測不到熱輻射，手的輻射當然是最明顯的了。在拍攝這個視頻的同時，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的內容得出自己的結論。

PS 使用Chat中國版本的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，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物體的熱量分布，通過測量物體表面散發(fā)的紅外線來生成熱成像圖像。它可以檢測到遠距離內的熱源，如人體、動物、發(fā)動機等，也可以在夜間或低光環(huán)境中工作。紅外熱像儀通常應用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領域。

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。紅外夜視儀通常應用于警用、軍用、狩獵等領域。

因此，可以看出，紅外熱像儀和紅外夜視儀具有不同的應用場合和作用。

請讀者給出自己的評判

PS每年的今天，5月16日是國際光日(IDL)，是一項全球倡議，強調光和基于光的技術在科學、文化、教育和可持續(xù)發(fā)展方面的核心作用，國際光日不僅僅是慶祝激光科學的紀念日，也是為了強調光學與光子學不斷改變著人們的生活，在人類社會進步中發(fā)揮越來越大的作用。

**供稿：中國儀器儀表學會青少年光科學（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

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