红外线摄影的基本原理

红外线摄影的基本原理

红外线的发现

早在1672年人们就发现了太(俗称白光)是由各种颜色的光复合而成，随后牛顿做出了单色光在性质上比白光更简单的著名结论。无论是当时还是现在，我们都可以利用分光棱镜把太分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等单色光，这也是很多光电试验中合成白光的原理。

1800年英国物理学家赫胥尔从热的观点来研究各单色光时发现了红外线，并且把光谱中看得见的那部分波称为“光”(可见光)，而人眼看不到的波则称为“线”，并习惯地命名为红外线。显然这样来对红外线进行定义是不科学的，尔后科学家的研究表明，红外线这种电磁波在实际应用中可划分为以下三个波段:近红外：波长为0.77～3.0μm、中红外：波长为3.0～30μm、远红外：波长为30～1000μm。

通常情况下的红外线摄影可以感应的红外线波长围为770～1000nm。红外线成像设备的特殊之处就是能探测这种物体表面所辐射的不为人眼所见的红外线，它所反映的是物体表面的红外辐射场，即温度场，帮助我们看到肉眼观察不到的事物，从另一种角度来观察我们所熟悉的事物。

红外线成像的原理和黑体的红外辐射规律

所谓黑体，简单地讲就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体，也就是说完全吸收。作为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射(吸收率不等于1)，所以黑体只是人们抽象出来的一种理想化的物体模型。但黑体热辐射的基本规律是红外线研究及应用的基础，它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系，同样，这也是我们研究红外成像的基本出发点。

黑体定律分别由以下三个基本定律构成：(1)辐射的光谱分布规律——普朗克辐射定律；

(2)辐射功率随温度的变化规律——斯蒂芬-玻耳兹曼定律；(3)辐射的空间分布规律——朗伯余弦定律。以上三个定律共同阐述了凡是温度高于开氏零度(绝对零度)的物体都会自发地向外发射红外热辐射，而且黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比，温度只要有较小的变化，就会引起物体的辐射功率发生较大变化。以上定律正是红外线成像的原理基础，即只要有温度存在，就有红外线摄影的可能。理论上，自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度(-273.15℃)，就存在分子和原子无规则的运动，其表面就会不断地辐射红外线。任何存在有温度的物体，除可以发出波长在380～770nm的可见光外，还可以发射不为人眼所见的波长为770～1350nm围的红外线。因此，红外线的最大特点就是普遍存在于自然界中，也就是说，任何“热”物体虽然不发光但都能辐射红外线，因此红外线又称为热辐射线，简称为热辐射。

红外线摄影的特点

很多人对于红外线摄影照片表现出来的色调和影像的质感感到惊异，其实这并不奇怪，因为红外线与可见光相比的一个特点是色彩更加丰富多样。由于可见光的最长波长是最短波长的1倍(380nm～770nm)，所以也叫作一个倍频程。而红外线的最长波长则是最短波长的10倍，即具有10个倍频程。因此,如果可见光能表现自然界中的7种颜色，则红外线便能表现70种，因此具有极其丰富的色彩表现力。另外红外线还具有良好的穿透性，如穿透烟雾、水气等，因此在航空摄影、军事摄影和其他题材摄影中有着不可替代的地位，例如航空摄影可以利用红外线发现健康、不健康的树木，森林，地脉甚至矿藏；医学上可以用于人体组织的穿透；科研及工程摄影可以用于鉴别印色，穿透织物；普通红外线摄影可以利用发散性产生虚幻的图画效果等等。

满足红外线摄影需要的条件(镜头和滤光镜)

红外线摄影可以使用普通镜头，但是在使用红外滤镜配合普通镜头进行红外线摄影时，镜头通常不对红外区进行校正。尤其是在利用传统的红外乳剂胶片进行聚焦时，必须稍稍增大相机镜头的伸长量。这是因为普通镜头设计的焦距是针对可见光的，因而在拍摄红外线时相应的焦距设定应大于拍摄可见光时的焦距，即使是在使用单消色差或复消色差镜头的时候，这一点也适用。此外，由于红外线波长比可见光的波长要长得多，其焦距不可能与可见光一致。因此须要专门对镜头进行红外区校正，一些传统相机镜头为了达到对红外光准确对焦的目的，专门设计了一个红外聚焦指数。而对于其它相机，必须通过多次实验以确定镜头所须增加的伸长量，通常是以0.3～0.4%焦距的数量级进行手工校正。

由于红外线光谱感应围较广，因此无论是传统红外线摄影还是数码红外线摄影都需要一个阻挡可见光及紫外线辐射，同时又可以透过红外线的特殊滤光镜，即红外线滤镜(Infrared Filter)，并且根据经验和感光材料的光敏围来确定和选择红外线滤镜的滤光系数。红外线滤镜在这个过程中起到的作用类似于带通滤波器的作用，让所需要波长的红外线通过，而将其它波长的光线阻断。

红外线摄影的感光器件(传统胶片和CCD/CMOS)

在传统摄影中，目前我们生产的黑白、彩色增感类材料可以满足绝大多数普通摄影的要求，并且对于某些特殊的用途，比如红外线摄影，则可以通过增加胶片乳剂的波长敏感度来增加它对于红外线的感光度，满足人们的需求。

红外增感染料在20世纪初被发现，直到20世纪30年代才得到广泛的应用。现在，红外增感染料所能够赋予的感光度已经被提高到了1200nm的光谱区域。但是在波长大约为1200nm时，虽然也可以实现材料增感，但是其辐射可以被水吸收，已经失去了实际使用意义，这使得记录波长更长的光谱在传统胶片领域成为一件比较困难的事情，因此为数码相机的感光器件CCD/CMOS在这个领域的应用提供了机会。

使用数码相机的CCD(光电耦合器)/CMOS作为感光元器件进行红外线摄影与传统红外线摄影最大不同的是，CCD/CMOS自身具备了400～1200nm的感光能力，涵盖了红外线的基本波长光谱。只是在一般的状况下由于可见光的光量远大于红外光，因而使用数码相机拍摄时并不能看出红外线效应，另一个原因则是许多数码相机的镜头都装有红外线消除滤镜(IR cut filter)，过滤了大部分红外线。但是红外线消除滤镜的好坏和数码相机所采用CCD/CMOS感光器件对红外线的灵敏程度才是决定数码相机是否具备红外线摄影能力的