红外（IR）或红外热成像仪的工作原理

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

今天的内容是关于红外热成像，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。

视频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。

在讲授红外辐射相关的理论知识时，可以观测一些熟悉的实际场景，例如使用普通相机和红外热像仪拍摄手的图片，加以对比

通过手的热像仪图片，大家很是容易理解到热辐射。

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

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。

审核编辑：刘清