紅外輻射基本知識

第一章 紅外輻射基本知識

第一節 光的本質

關于光的本質，許多世紀以來同時存在互相矛盾的論點,但都在相互補充，不斷進步。

一、光的本質

1.光微粒說：早在17世紀牛頓(Newton)就提出光的微粒學說。他認為光是由有彈性的球形微粒所組成，稱為“光微粒”。據此牛頓說明了光的直線傳播、反射和折射定律。

2.光波動說：與牛頓同時代人惠更斯(Wheegense)提出了光的波動學說。他認為光是以球面波的形式傳播的。如果光在傳播過程中遇到障礙物的小孔，則在小孔后面形成新的球面波，根據這一理論可以解釋光的干涉和衍射現象。

3.電磁波說：19世紀麥克斯(Maxis)提出光的電磁波理論。他認為光是一種在空間傳播的電磁波。該理論涉及光的電磁本質，指出光和電磁性質的一致性。證明了X線、紫外線、可見光、紅外線和無線電波等在本質上是相同的，所不同的只是波長上的差別而已。

4.量子論說：20世紀初普朗克(Planck)提出光的量子論學說。他認為：發光體的原子在發射光波時，是一份一份地發射的，光源好象射出一個一個“能量顆粒”，每個能量顆粒大小是固定的，稱為這種光的一個量子。量子的大小只與這種光的頻率有關。據此學說，光除了波動性外，還具有用量子表示的微粒性。量子的大小決定于頻率，所以紫外線的量子比較大，可見光的量子次之，紅外線的量子更小。該學說能解釋光的熱效應、化學效應、熒光現象及光壓等。

二、光的分類

根椐光的波長分為可見光和不可見光。

1.可見光：占全部電磁波譜的極小部分。當陽光通過棱鏡后，由于不同波長的光線穿透介質產生的折射角度不同，因而在棱鏡后面的白屏上陽光分散成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七色光。可見光的波長為400~760nm(納米)。1mm =1000nm(納米)。

2.紫外線：在紫色光之外端謂紫外線，肉眼不可見光，波長約為4-399nm.在紫外線之外端還有x射線、r射線、宇宙射線。

3.紅外線：在紅色光之外端謂紅外線，亦為不可見光,波長0.76~1000mm。紅外線之外端還有微波，無線電波。

第二節 紅外輻射的特性

一、紅外輻射與紅外光譜

一切高于絕對零度(OK，-273.16℃)的物體都有自身的輻射熱，只是常溫物體的輻射峰值不處在人類視覺范圍內，而處于紅外波段，因而人眼不能看到常溫物體的自身輻射(在自然界事實不存在絕對零度的物體)。

1800年，美國天文學家威.赫謝爾(V.Hershel)在研究太陽光譜各部位的效應時，使一支涂黑了的水銀溫度計受太陽連續光譜照射，發現在紅色那一端外水銀柱指示出較高的溫度，從而確定了不可見的紅外線的存在。此后又發現熱效應從紫光到紅光逐漸增強，而最大值是在紅光邊界以外。由此表明在太陽光譜紅光邊界之外，還存在著人眼看不見的輻射能量，當時稱這種輻射能量為“看不見的光線”，后稱之為“紅外線”，或“紅外輻射”。其頻率范圍為3×1011～4×1014Hz之間。人體是天然輻射體，輻射率高達0.98,輻射峰值波長為9.3482mm.人體各部位溫度的差別，峰值在9 ~10.

近幾十年來，由于各種性能的高靈敏度紅外探測器相繼出現，紅外技術獲得了迅速發展。在波長由0.72mm(720nm)至1000mm的紅外波段又分成三個波段，但劃分的界限至今尚無統一規定。目前常采用分法有兩種，一種是：?即波長0.72～1.5 mm為近紅外波段，1.5～5.6 mm為中紅外波段，5.6～1000 mm為遠紅外波段;‚0.76~25 mm 為近紅外，25~30 mm 為中紅外，30~1000 mm為遠紅外。國內也有另一種劃分法，詳表1-1。

二、紅外線特性

紅外線和可見光一樣都是電磁波，因此也具有可見光的一般性質，如遵從反射和折射定律;存在著干涉、衍射和偏振及介質中的吸收和散射現象。由于電磁波具有波動性和量子性，所以紅外線還以光子形式存在。

光的能量以光量子為單位，即普朗克(Planck)常數h=6.623´10-27爾格

光能 e =h ×v = hc(1/l)

可見，紅外波長越長能量越小，波長越短能量越大溫度越高。溫度高到一定程度時就進入紅光。

紅外線和可見光一樣具有直線傳播特性，并服從可見光的反射、吸收、透射規律。

公式P = Pp +Pa +Pτ

說明：反射率：Pp/P=p 吸收率：Pa /P=a 透射率：Pτ /P=τ ∴a + p+τ= 1

紅外線與其它電磁波不同，具有其特殊性：

1.需要紅外探測器才能顯示：由于人眼見不到紅外線,所以在研究與應用時，就必須要有對紅外線敏感的探測器，如利用其敏感效應而制造的各類熱敏感探測器，利用其電效應而制成的各類光電探測器等。

2.光化學作用較差：紅外線光子能量小，例如波長為100μm的紅外光子，其能量僅為可見光光子能量的1 /200。由于其光化學作用比可見光差，不能使普通相底上的溴化銀分子分解，所以普通照相膠片不易感光。紅外攝影底片是在感光乳劑中加入一定的特種材料，才能使紅外線感光。

3.熱效應顯著：與可見光相比熱效應顯著，如當手靠近白熾電燈時，皮膚有強烈的灼熱感，因白灼電燈光線中有大量紅外線;當手靠近日光燈時，則幾乎感覺不到熱的刺激，因其不含有紅外線。太陽光中約70%是紅外線，故太陽光溫暖。

4.紅外線易被一般物質所吸收，穿透力也較強。

5.產生紅外線的機理與其它波長的電磁波也不相同。

三、熱輻射定律

紅外線是一種熱輻射，對于一個熱輻射體其波長l與溫度T、輻射量密度W三者間的關系服從如下幾個物理學定律。

1.普朗克(Planck)公式：在單位時間內，從黑體表面的單位面積在半球內所輻射的能量對波長的分布關系為：輻射體的輻射能量是量子化的，隨著溫度升高，輻射能量功率增大。

2.司蒂芬-玻爾茲曼(Stefan-Boltzmann)定律：從1cm2黑體表面輻射到半球面空間的總輻射通量為波長0~¥ 范圍內普朗克公式的積分。即黑體的總輻射通量僅與表面溫度有關，并且與溫度的4次方成正比。即當溫度升高時，物體的總輻射量迅速增加。若測量出物體的輻出度，則可推算出它的溫度，這就是紅外測溫及紅外熱成像的基本原理。

3.維恩(Wieng)位移定律：輻射通量密度的峰值波長與絕對溫度成反比。表明隨著溫主的升高，最大輻射能的波長lm(輻射通量的峰值波長)要向短波方向移動。

4.朗伯(Lumbo)定律 Wj=WnCOSj[千卡/米2時 度

式中，Wn(與輻射源成法向的輻射通量密度)，Wj(與輻射源成j角的輻射通量密度)

5.基爾霍夫(Kirchhoff)定律：好的吸收體必然是好的輻射體。所謂“黑體”是一個理想的輻射體，它能全部吸引或全部發散輻射能量。但自然界并不存在真正的絕對黑體。任何物體在任何溫度下，對某一波長的輻出度和吸收率的比值皆相等，并且等于該溫度下黑體對該波長的輻

出度。

第三節 紅外診斷發展史

早在兩千年前，古希臘醫生西波克拉底發現人體發出的熱能，可用作診斷疾病。他在患者身上涂上一層泥，泥土干裂部分的人體內部就有炎癥，這是最早將體表皮溫用于診斷疾病的記載。

自1880年發現紅外線之后，人們就研究將其應用于各個科技領域，因技術上的問題尚未解決，故未廣泛應用。紅外熱像儀，軍事上謂之紅外夜視儀，在20世紀三十、四十年代因軍事應用而發展，它可在黑夜或濃厚的煙霧、云霧、高空中探測對方的目標，包括已偽裝的目標和高速運動的目標，可觀察1公里或更遠距離的目標。1956年美國國防部才允許將其應用于民用。其后用于冶金、電子、電力、氣象、石化、建筑、陶瓷、印刷、郵電等行業和科研中,通過熱分布圖進行故障和隱患檢測、質量控制、節約能源等方面。美國1955 年Lawson始應用于乳腺癌的診斷，1961年英國醫生Williams拍攝了世界上第一張乳腺癌熱圖，開創了紅外熱像診斷的新紀元。1957年以來先后美國、英國、瑞典、德國、法國、荷蘭等國開展了研究。經過廣泛、深入的發展，醫用熱像技術廣泛用于臨床診斷,成為影像診斷的八大技術之一。

我國六十年代由國外引進的紅外乳腺掃描儀、醫用熱像診斷儀用于臨床診斷，先后有瑞典、日本、美國、德國的儀器進入中國市場，終因這些產品價格昂貴不能推廣。我國自制的醫用熱像診斷儀1976年在上海完成，最初為TY-1型，其后有IR-100B型。首先在上海應用于顯微外科、燒傷科、乳腺癌，以后又有HWX-1型。此后由于種種原因發展較慢。從90年代初開始的HR-2型，到1997年的WP-95型，最近重慶興華賽英斯醫用外熱像儀技術研所的DH-2000型標志著我國醫用紅外熱像儀技術又有了新的發展。最近中華醫學會召開全國熱圖診斷學術交流會議，經過通過各方面的努力，在臨床方面已取得了豐碩成果，較為成熟的有40多種疾病。已發表或涉及的論文近300篇。

我國自1974年起，每兩年一屆的全國紅外科學技術交流會已召開了十四次，足見該門學科在我國已引起高度重視。90年代初起我國已建立醫用紅外熱像儀從科研、試制、生產、臨床應用、推廣攻關體系。已建立了博士生教學點。

第四節 紅外傳感器

一、傳感器

又稱換能器或探測器，是把待檢各種信號(力、熱、聲、電磁、光及化學、生化等)迅速變

換為電信號的器件。工程師們依椐不同用途而設計不同的傳感器。

醫學傳感器即是一種用來拾取、捕捉生物各種生理活動的信息，并將其轉換為容易處理、顯示電信號的裝置。目前醫用傳感器的種類繁多，諸如心內導管微壓器、脈壓傳感器、超聲探頭、

電磁血流計、X線探測器、光纖傳感器等等。對醫學傳感器的基本要求：響應被測體的能量;不破壞活體的原有性質;有足夠的靈敏度且安全可靠;最好具有多功能，且微型化。

二、紅外傳感器分類

紅外傳感器是把入射的紅外線能量轉變成其它形式能量的一種傳感器。根據紅外線與物質相互作用時產生的各種效應，目前已研制出結構新穎、靈敏度高、響應快和種類繁多的紅外傳感器。根據工作溫度不同可分為低溫傳感器(需用液氮、氖、氮致冷)、中溫傳感器(195-200k)和室溫傳感器;根據響應波長范圍，可分為近紅外、中紅外和遠紅外傳感器;根據結構和用途，可分為元型(單元)傳感器、多元陣列(鑲嵌)傳感器和成像傳感器;根據探測過程的機理，可分為熱敏傳感器和量子傳感器。

二、量子型紅外傳感器

其機理為敏感材料吸收紅外線的光量子能量，材料被激勵而釋放電子，使材料電阻驟然減少，

載流子而形成載有信號的電子流。該類傳感器具響應快，靈敏度高等特點，但對紅外線波長有一定選擇性，對大于載流子的光不敏感，且在較寬波長范圍內靈敏度不均勻。按其特性不同又可分為光導型、光電動動勢型和金屬-絕緣體-半導體型三型。

三、熱型紅外傳感器

利用被測物體熱輻射引起的敏感元件溫度變化，從而導致電阻或電動勢、表面電荷密度等變

化進行測量的器件。該型具敏感度高，使用方便，可在常溫下工作，其靈敏度與被測波長無關，對于一切波長皆具有平坦的光波響應。缺點是靈敏較低，響應速度較慢。按其特性又可分為熱敏電子式、熱電偶式、熱釋電式等。