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红外线的成像原理

“如果用红外摄影对人体成像，做出体表‘热图’……”会产生这样的认识：
 （1）红外摄影成物体的热图就是它的红外像；
（2）可见光不能使红外线胶片感光，只有红外线能使它感光；
（3）红外线胶片所记录的是目标物体发出的红外线；
（4）普通相机也能使用红外线胶片进行红外摄影。
事实上，这些理解都是错误的。引起错误认识的根源是没有说明红外摄影所成的红外像与热像仪所成的热图之间的区别，并且对红外线胶片的介绍也不够准确。下面就这两个问题做一阐述，不妥之处，敬请指正。

一、红外线的发现和分类
1800年，英国物理学家赫歇尔研究单色光的温度时发现：位于红光外，用来对比的温度计的温度要比色光中温度计的温度高，于是称发现一种看不见的“热线”，称为红外线。
红外线位于电磁波谱中的可见光谱段的红端以外，介于可见光与微波之间，波长为0.76～1000μm，不能引起人眼的视觉。在实际应用中，常将其分为三个波段：近红外线，波长范围为0.76～1.5μm；中红外线，波长范围为1.5～5.6μm；远红外线，波长范围为5.6～1000μm。它们产生的机理不太一致。我们知道温度高于绝对零度的物体的分子都在不停地做无规则热运动，并产生热辐射，故自然界中的物体都能辐射出不同频率的红外线，如相机、红外线胶片自身等。在常温下，物体辐射出的红外线位于中、远红外线的光谱区，易引起物体分子的共振，有显著的热效应。因此，又称中、远红外线为热红外。当物体温度升高到使原子的外层电子发生跃迁时，将会辐射出近红外线，如太阳、红外灯等高温物体的辐射中就含有大量的近红外线。借助不同波段的红外线的不同物理性质，可制成不同功能的遥感器。

二、不同波段的红外线成像原理和特点
红外遥感是指借助对红外线敏感的探测器，不直接接触物体，来记录物体对红外线的辐射、反射、散射等信息，通过分析，揭示出物体的特征及其变化的科学技术。红外遥感技术中能获得图像信息的仪器有：使用红外线胶片的照相机，具有红外摄影功能的数码相机，热像仪等。虽然它们都利用红外线工作，但成像原理和所成的图像的物理意义有很大的区别。红外摄影通常指利用红外线胶片和数码相机进行的摄影；前者属于光学摄影类，后者属于光电摄影类。

1．光学摄影类
红外胶片是一种能够感应红外线的胶片，有黑白红外胶片和彩色红外胶片两类。其成像原理与普通胶片相似：曝光时，卤化银发生化学变化，记录景物反射到胶片上电磁波的信息，通过显影、定影等技术获得景物图像。普通胶片记录的是波长为0.4～0.76μm范围内的可见光；由于红外胶片中加入了红外增感染料，使得它能记录波长在0.4～1.35μm间的可见光和近红外线。为了获得景物纯粹的红外像，需要在镜头前加装一个红外滤镜，滤掉可见光，只通过近红外线。那么，这部分近红外线是不是景物发出的呢？显然，日常摄影中的人体、树木等景物达不到能辐射近红外线的温度，它们的热辐射也不能使胶片形成足够清晰的像，所以应该是景物反射太阳辐射中的近红外线。故近红外线也称为摄影红外。
红外胶片成的像与普通胶片成的像有较大的差异。人体、草地对红外线反射较强，它们的黑白红外像就较白；河流、天空对红外线反射较弱，成的黑白红外像就较黑。由于彩色红外胶片的感光光谱、成色剂和普通彩色胶片的不同，彩色红外相片上的颜色也就不是景物真实颜色的反映，所以又称它为假彩色红外胶片。例如，健康绿色植物反射近红外线，它的红外像为红色，清澈的河水的红外像是深蓝色。虽然在肉眼看来病态的植物和健康的植物都为绿色，文件涂改前后的墨迹也没什么区别，但它们对红外线的反射强弱不同，成的红外像就有明显的差异。因此，它常用于刑侦、国土资源调查、环保等领域。
红外线较强的穿透能力和红外胶片易受热辐射影响的这些特点决定了在用红外胶片摄影时，对操作有较高的要求。红外胶片对波长为0.76～0.9μm的近红外线有最佳的感光性能，随着能感应的波长增大，感光药剂受温度的影响越来越显著，感光药剂化学稳定性也随之下降。例如，感光波长上限为1.1μm的红外胶片能保存三个月，当感光波长上限达到1.35μm时，只能保存8天。所以无论是保存还是携带都需要冷藏，装卸胶片都需要在暗室或者专用防红外线的暗袋中进行。由于红外胶片的曝光时间较长，出厂时没有标感光度，需要根据经验手动调整感光度，且自动相机的红外计数器发出的红外线能使其曝光；所以最好使用手动金属机身的相机。红外摄影调焦时须注意，有的相机物镜上有红外线聚焦指数，其标记为“R”；若没有此标记，则要先对可见光调焦后，再将镜头前移可见光焦距的1/250左右。

2．光电摄影类
自然界中的一些物质在受到辐射后，会引起它的电化学性质变化。例如温度升高后，电阻变小，产生电压。利用它们的这种物理性质可制成光电探测器，遥感仪器的光学系统收集到的辐射能量通过探测器实现光电转换。根据电磁波和探测器的作用机理不同，分为光子探测器和热电探测器。
光子探测器是利用光敏感材料的光电效应，把一定波长的电磁波信号转化为电信号输出。如一些具有红外摄影功能的数码相机的光电耦合器（CCD）能响应的波谱为0.4～1.1μm，同样在进行红外摄影时要加装红外滤镜，CCD所感应到的是景物反射太阳辐射中的或者是相机自带的红外灯发出的近红外线。
热电探测器是利用目标辐射的热效应对热敏电阻的电学性质的影响而工作。例如热红外成像装置，它是被动地接受目标的热辐射，通过其中光学成像系统聚焦到探测元件上进行光电转换，放大信号，数字化后，经多媒体图像技术处理，在屏幕上以伪色显示出目标的温度场—热红外图像（热图、热像）。热图像色调的明暗决定于物体表面温度及辐射率。它反映了目标的红外辐射能量分布情况，但是不能代表目标的真实形状。比如飞机升空后，在它原来停放的位置还能获得飞机停放时的热图像。探测元件工作的波段常为3～5μm和8～14μm，为获得足够的灵敏度，需要对探测器冷却。第二代热电探测器增加了测温功能的热红外成像装置，又称为热像仪，它在医疗、消防、航空遥感、军事等领域有广泛用途。
综上所述，红外摄影所成的红外像利用了景物反射的近红外线，体现了景物的几何形状；热像仪对人体成的热图，是利用人体自身热辐射获得的表示人体表面温度分布的图像。是两个不同的概念。红外胶片中的感光物质是卤化银，可见光也能使它感光。（