“实验走入课堂”科普系列之一：红外热成像仪

• 2023-05-29 20:15:55 来源：科普中国网

作者：刘书钢 黑龙江大学教授，北京师范大学教育学部兼职教授，锐光凯奇（镇江）光电科技有限公司首席科学家，中国仪器仪表学会青少年光科学主题（镇江）科普教育基地负责人

(资料图片)

为纪念1960年由美国休斯研究实验室的物理学家梅曼制造的第一台红宝石激光器，联合国教科文组织将每年的5月16日设为“国际光日”（International Day of Light）。

为了让更多人了解光学及光学仪器科技，我们特别在“国际光日”所在的5月科普一下红外热成像仪。

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首先让我们重温学习一下电磁波谱。从物理学角度来说，光波是一种具有一定频率（波长）范围的电磁辐射，其波长覆盖的范围很广。其中电磁辐射中只有一小部分能够引起肉眼的感觉，其波长在350nm-750nm的范围，如图1：

图1 电磁波谱

一切物体，无论是北极冰川，还是火焰、人体，甚至极寒冷的宇宙深空，只要其温度高于绝对零度（-273℃）都能辐射电磁波。热成像主要通过采集热红外波段（8μm-14μm）的光，来探测物体的热辐射。

热成像把热辐射转化为灰度值，再利用各物体的灰度值差异来成像，经系统处理转变为目标物体的热图像，以灰度级或伪彩色显示出来，从而发现和识别目标。热成像仪是通过非接触探测红外能量（热量），并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。

红外（IR）或红外热成像仪的工作原理是检测并测量从物体发出的红外辐射，即热信号。为此，必须首先为热成像仪配备一个可以使红外频率通过的镜头，该镜头可以将红外频率聚焦在特殊的传感器阵列上，从而检测并读取这些频率。

传感器阵列被构造为像素网格，每个像素网格都会对热辐射产生响应，并将它们转换成电信号。然后这些信号将被发送到热成像仪主体内的处理器，该处理器使用算法将其转换为不同温度值的彩色图。这张彩色图随后会被发送到显示屏上。

由于红外辐射的特点，探测和成像设备都比较昂贵。今天为大家介绍一款可以走入课堂、使用手机实现的红外热像仪，通过视频1读者可以先了解一下：

视频1

视频1中的演示产品由菲力尔（FLIR Systems Inc）公司提供。

视频2通过一个实际的案例，观测电冰箱的热辐射现象：

视频2 电冰箱的热辐射分布

视频2是通过热像仪来观测电冰箱的热辐射情况，因为冰箱冷冻室在冰箱的下部，明显辐射强度要大于上部分。

作为授课的老师，在讲授红外辐射相关的理论知识时，可以观测一些学生熟悉的实际场景，例如使用普通相机和红外热像仪拍摄手的图片，加以对比，图2是手的热像仪拍摄的图片：

图2 手的热像仪的图片

通过手的热像仪图片，学生很是容易理解到热辐射。通过下边的图片还可以观测到热辐射的反射，图3：

图3 热辐射反射的一个例子

图3是使用热像仪拍摄的图片，拍摄者身体热量辐射到窗户的玻璃上，然后反射回来热像仪记录下来。解释清楚这一个现象并不是很容易的事情，涉及到热辐射中的基本定律。热辐射，物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。关于热辐射，其重要规律有4个：基尔霍夫辐射定律、普朗克辐射分布定律、斯蒂藩－玻耳兹曼定律、维恩位移定律。这4个定律，有时统称为热辐射定律。热辐射是以光波形式传递热量就比较容易解释图3，人的热辐射以电磁波的形式传播到玻璃上，通过反射进入到热像仪的成像系统。

大家都熟悉的冷血动物这个词语本来就是民间误读，不是正式的称呼。这类动物的正式名称叫变温动物或外温动物，指的是体内缺乏温度调节系统的动物类群，它们没有恒定体温，会根据外界环境温度而变化。因此可以利用红外热像仪来观看冷血动物热辐射的情况，如图4是观看乌龟和鱼的热辐射情况：

图4 左图是乌龟，右图是鱼

图4可以清清楚楚地看到，乌龟和鱼的热辐射非常的弱，基本就是环境的温度。但是人手的热辐射要比周围空气高。为了进一步给读者比较深刻的印象，我们使用了热像仪同时观测两个保温杯、一个小乌龟和人手热辐射，见视频3：

视频3 保温杯、小乌龟和人手的热辐射

视频中可以清楚看到，两个保温杯装同样温度水的情况下，靠右的保温杯热辐射比另外一个保温杯辐射的明显（也许可以使用这种办法出一个标准检测保温杯的保温性能），乌龟几乎观测不到热辐射，手的辐射当然是最明显的了。在拍摄这个视频的同时，还在纹影仪上拍摄了视频4：

视频4 保温杯、小乌龟和手在纹影仪上的情况

感兴趣的读者可以比较视频3和视频4的内容得出自己的结论。

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PS 使用Chat中国版本的Chat Moss问“红外热像仪和红外夜视仪是不是一样？”，给出的回答如下：

虽然两者都使用红外线技术，但红外热像仪和红外夜视仪的工作原理和用途有很大的不同。红外热像仪主要用于检测物体的热量分布，通过测量物体表面散发的红外线来生成热成像图像。它可以检测到远距离内的热源，如人体、动物、发动机等，也可以在夜间或低光环境中工作。红外热像仪通常应用于工业、军事、医疗等领域。

而红外夜视仪则利用红外线的反射原理，通过接收周围环境中的微弱红外线来增强暗光或无光环境中的视觉效果，使人眼能够清晰地看到目标。红外夜视仪通常应用于警用、军用、狩猎等领域。

因此，可以看出，红外热像仪和红外夜视仪具有不同的应用场合和作用。

请读者给出自己的评判

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PS每年的今天，5月16日是国际光日(IDL)，是一项全球倡议，强调光和基于光的技术在科学、文化、教育和可持续发展方面的核心作用，国际光日不仅仅是庆祝激光科学的纪念日，也是为了强调光学与光子学不断改变着人们的生活，在人类社会进步中发挥越来越大的作用。

**供稿：中国仪器仪表学会青少年光科学（镇江）主题科普教育基地、**锐光凯奇（镇江）光电科技有限公司

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