红外辐射基本知识

第一章红外辐射基本知识

第一节光的本质

关于光的本质，许多世纪以来同时存在互相矛盾的论点,但都在相互补充，不断进步。

一、光的本质

1.光微粒说：早在17世纪牛顿(Newton)就提出光的微粒学说。他认为光是由有弹性的球形微粒所组成，称为“光微粒”。据此牛顿说明了光的直线传播、反射和折射定律。

2.光波动说：与牛顿同时代人惠更斯(Wheegense)提出了光的波动学说。他认为光是以球面波的形式传播的。如果光在传播过程中遇到障碍物的小孔，则在小孔后面形成新的球面波，根据这一理论可以解释光的干涉和衍射现象。

3.电磁波说：19世纪麦克斯(Maxis)提出光的电磁波理论。他认为光是一种在空间传播的电磁波。该理论涉及光的电磁本质，指出光和电磁性质的一致性。证明了X线、紫外线、可见光、红外线和无线电波等在本质上是相同的，所不同的只是波长上的差别而已。

4.量子论说：20世纪初普朗克(Planck)提出光的量子论学说。他认为：发光体的原子在发射光波时，是一份一份地发射的，光源好象射出一个一个“能量颗粒”，每个能量颗粒大小是固定的，称为这种光的一个量子。量子的大小只与这种光的频率有关。据此学说，光除了波动性外，还具有用量子表示的微粒性。量子的大小决定于频率，所以紫外线的量子比较大，可见光的量子次之，红外线的量子更小。该学说能解释光的热效应、化学效应、荧光现象及光压等。

二、光的分类

根椐光的波长分为可见光和不可见光。

1.可见光：占全部电磁波谱的极小部分。当阳光通过棱镜后，由于不同波长的光线穿透介质产生的折射角度不同，因而在棱镜后面的白屏上阳光分散成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。可见光的波长为400~760nm（纳米）。1μm =1000nm(纳米)。

2.紫外线：在紫色光之外端谓紫外线，肉眼不可见光，波长约为4-399nm.在紫外线之外端还有x射线、r射线、宇宙射线。

3.红外线：在红色光之外端谓红外线，亦为不可见光,波长0.76~1000μm。红外线之外端还有微波，无线电波。

第二节红外辐射的特性

一、红外辐射与红外光谱

一切高于绝对零度（OK，-273.16℃）的物体都有自身的辐射热，只是常温物体的辐射峰值不处在人类视觉范围内，而处于红外波段，因而人眼不能看到常温物体的自身辐射(在自然界事实不存在绝对零度的物体)。

1800年，美国天文学家威．赫谢尔（Ｖ．Ｈershel）在研究太阳光谱各部位的效应时，使一支涂黑了的水银温度计受太阳连续光谱照射，发现在红色那一端外水银柱指示出较高的温度，从而确定了不可见的红外线的存在。此后又发现热效应从紫光到红光逐渐增强，而最大值是在红光边界以外。由此表明在太阳光谱红光边界之外，还存在着人眼看不见的辐射能量，当时称这种辐射能量为“看不见的光线”，后称之为“红外线”，或“红外辐射”。其频率范围为3×1011～4×1014Ｈｚ之间。人体是天然辐射体，辐射率高达0.98,辐射峰值波长为9.3482μm.人体各部位温度的差别，峰值在9 ~10.

近几十年来，由于各种性能的高灵敏度红外探测器相继出现，红外技术获得了迅速发展。在波长由0.72μm（720nm）至1000μm的红外波段又分成三个波段，但划分的界限至今尚无统一规定。目前常采用分法有两种，一种是：①即波长0.72～1.5 μm为近红外波段，1.5～5.6 μm为中红外波段，5.6～1000 μm为远红外波段；②0.76~25 μm 为近红外，25~30 μm 为中红外，30~1000 μm为远红外。国内也有另一种划分法，详表1-1。

表1-1 红外光谱区的划分及适用领域（单位：μm）

适用领域近红外中红外远红外极远红外

军事、空间和一般应用0.75~3.0 3.0~6.0 6.0~15.0 15~1000

红外烘烤加热0.75~1.4 1.4~3.0 3.0~1000

红外光谱研究0.75~2.5 2.5~25 25~1000

在红外波段中，波长以μm为单位，频率用ｃｍ-1，它表明在真空中１ｃｍ路程内所含波长的数目。

在红外光谱学中，通常用“波数”ū这个参数来表证。

1 104

ū＝─────＝──────

λ（ｃｍ）λ（μｍ）

二、红外线特性

红外线和可见光一样都是电磁波，因此也具有可见光的一般性质，如遵从反射和折射定律；存在着干涉、衍射和偏振及介质中的吸收和散射现象。由于电磁波具有波动性和量子性，所以红外线还以光子形式存在。

光的能量以光量子为单位，即普朗克(Planck)常数h=6.623?10-27尔格

光能ε =h ?v = hc(1/λ)

可见，红外波长越长能量越小，波长越短能量越大温度越高。温度高到一定程度时就进入红光。

红外线和可见光一样具有直线传播特性，并服从可见光的反射、吸收、透射规律。

公式P = P p +P a +Pτ

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

红外线与其它电磁波不同，具有其特殊性：

１.需要红外探测器才能显示：由于人眼见不到红外线,所以在研究与应用时，就必须要有对红外线敏感的探测器，如利用其敏感效应而制造的各类热敏感探测器，利用其电效应而制成的各类光电探测器等。

２.光化学作用较差：红外线光子能量小，例如波长为100μｍ的红外光子，其能量仅为可见光光子能量的1 /200。由于其光化学作用比可见光差，不能使普通相底上的溴化银分子分解，所以普通照相胶片不易感光。红外摄影底片是在感光乳剂中加入一定的特种材料，才能使红外线感光。

３.热效应显著：与可见光相比热效应显著，如当手靠近白炽电灯时，皮肤有强烈的灼热感，因白灼电灯光线中有大量红外线；当手靠近日光灯时，则几乎感觉不到热的刺激，因其不含有红外线。太阳光中约70％是红外线，故太阳光温暖。

４.红外线易被一般物质所吸收，穿透力也较弱。

５.产生红外线的机理与其它波长的电磁波也不相同。

三、热辐射定律

红外线是一种热辐射，对于一个热辐射体其波长λ与温度T、辐射量密度W三者间的关系服从如下几个物理学定律。

1.普朗克(Planck)公式：在单位时间内，从黑体表面的单位面积在半球内所辐射的能量对波长的分布关系为：辐射体的辐射能量是量子化的，随着温度升高，辐射能量功率增大。

2.司蒂芬-玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律：从1cm2黑体表面辐射到半球面空间的总辐射通量为波长0~∞范围内普朗克公式的积分。即黑体的总辐射通量仅与表面温度有关，并且与温度的4次方成正比。即当温度升高时，物体的总辐射量迅速增加。若测量出物体的辐出度，则可推算出它的温度，这就是红外测温及红外热成像的基本原理。

3.维恩(Wieng)位移定律：辐射通量密度的峰值波长与绝对温度成反比。表明随着温主的升高，最大辐射能的波长λm（辐射通量的峰值波长）要向短波方向移动。

4.朗伯(Lumbo)定律

W?=WnCOS?[千卡/米2时 度

式中，Wn(与辐射源成法向的辐射通量密度)，W?（与辐射源成?角的辐射通量密度）

5.基尔霍夫（Kirchhoff）定律：好的吸收体必然是好的辐射体。所谓“黑体”是一个理想的辐射体，它能全部吸引或全部发散辐射能量。但自然界并不存在真正的绝对黑体。任何物体在任何温度下，对某一波长的辐出度和吸收率的比值皆相等，并且等于该温度下黑体对该波长的辐出度。

第三节红外诊断发展史

早在两千年前，古希腊医生西波克拉底发现人体发出的热能，可用作诊断疾病。他在患者身上涂上一层泥，泥土干裂部分的人体内部就有炎症，这是最早将体表皮温用于诊断疾病的记载。

自1880年发现红外线之后，人们就研究将其应用于各个科技领域，因技术上的问题尚未解决，故未广泛应用。红外热像仪，军事上谓之红外夜视仪，在2０世纪三十、四十年代因军事应用而发展，它可在黑夜或浓厚的烟雾、云雾、高空中探测对方的目标，包括已伪装的目标和高速运动的目标，可观察１公里或更远距离的目标。1956年美国国防部才允许将其应用于民用。其后用于冶金、电子、电力、气象、石化、建筑、陶瓷、印刷、邮电等行业和科研中,通过热分布图进行故障和隐患检测、质量控制、节约能源等方面。美国1955 年Lawson始应用于乳腺癌的诊断，1961年英国医生Williams拍摄了世界上第一张乳腺癌热图，开创了红外热像诊断的新纪元。1957年以来先后美国、英国、瑞典、德国、法国、荷兰等国开展了研究。经过广泛、深入的发展，医用热像技术广泛用于临床诊断,成为影像诊断的八大技术之一。

我国六十年代由国外引进的红外乳腺扫描仪、医用热像诊断仪用于临床诊断，先后有瑞典、日本、美国、德国的仪器进入中国市场，终因这些产品价格昂贵不能推广。我国自制的医用热像诊断仪1976年在上海完成，最初为TY-1型，其后有IR-100B型。首先在上海应用于显微外科、烧伤科、乳腺癌，以后又有HWX-1型。此后由于种种原因发展较慢。从90年代初开始的HR-2型，到1997年的WP-95型，最近重庆兴华赛英斯医用外热像仪技术研所的DH-2000型标志着我国医用红外热像仪技术又有了新的发展。最近中华医学会召开全国热图诊断学术交流会议，经过通过各方面的努力，在临床方面已取得了丰硕成果，较为成熟的有40多种疾病。已发表或涉及的论文近300篇。

我国自1974年起，每两年一届的全国红外科学技术交流会已召开了十四次，足见该门学科在我国已引起高度重视。90年代初起我国已建立医用红外热像仪从科研、试制、生产、临床应用、推广攻关体系。已建立了博士生教学点。

第四节红外传感器

一、传感器

又称换能器或探测器，是把待检各种信号（力、热、声、电磁、光及化学、生化等）迅速变换为电信号的器件。工程师们依椐不同用途而设计不同的传感器。

医学传感器即是一种用来拾取、捕捉生物各种生理活动的信息，并将其转换为容易处理、显示电信号的装置。目前医用传感器的种类繁多，诸如心内导管微压器、脉压传感器、超声探头、电磁血流计、X线探测器、光纤传感器等等。对医学传感器的基本要求：响应被测体的能量；不破坏活体的原有性质；有足够的灵敏度且安全可靠；最好具有多功能，且微型化。

二、红外传感器分类

红外传感器是把入射的红外线能量转变成其它形式能量的一种传感器。根据红外线与物质相互作用时产生的各种效应，目前已研制出结构新颖、灵敏度高、响应快和种类繁多的红外传感器。

根据工作温度不同可分为低温传感器（需用液氮、氖、氮致冷）、中温传感器（195-200ｋ）和室温传感器；根据响应波长范围，可分为近红外、中红外和远红外传感器；根据结构和用途，可分为元型（单元）传感器、多元阵列（镶嵌）传感器和成像传感器；根据探测过程的机理，可分为热敏传感器和量子传感器。

二、量子型红外传感器

其机理为敏感材料吸收红外线的光量子能量，材料被激励而释放电子，使材料电阻骤然减少，载流子而形成载有信号的电子流。该类传感器具响应快，灵敏度高等特点，但对红外线波长有一定选择性，对大于载流子的光不敏感，且在较宽波长范围内灵敏度不均匀。按其特性不同又可分为光导型、光电动动势型和金属-绝缘体-半导体型三型。

三、热型红外传感器

利用被测物体热辐射引起的敏感元件温度变化，从而导致电阻或电动势、表面电荷密度等变化进行测量的器件。该型具敏感度高，使用方便，可在常温下工作，其灵敏度与被测波长无关，对于一切波长皆具有平坦的光波响应。缺点是灵敏较低，响应速度较慢。按其特性又可分为热敏电子式、热电偶式、热释电式等。

参考文献

1．Jatteau M. Techniques of infrared thermography. Bibl Radiol 1975;(6):9-24 2．Ahle NW, Buroni JR, Sharp MW, Hamlet MP. Infrared thermographic measurement of circulatory compromise in trenchfoot-injured Argentine soldiers. Aviat Space Environ Med 1990 Mar;61(3):247-50