“看得見”的紅外線

梁巖　常發(fā)冉　牛智川　施毅

在講解紅外線之前，我們先來認(rèn)識一下電磁波。它包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。它們的波長依次逐漸減小，頻率逐漸增大，在真空中都以光速（3×108米/秒）傳播。

本文的“主角”——紅外線，在電磁波譜中位于可見光和微波之間，波長在700納米～1毫米之間，包括近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外。近紅外是指紅外光譜中靠近可見光的部分，遠(yuǎn)紅外是指紅外光譜中靠近微波的部分，中紅外則介于兩者之間。

需要注意的是，紅外線是“無形”的，即我們?nèi)庋劭床坏降模挥谌祟惾庋劭吹降募t光之外，頻率低于紅光。同理紫外線也是如此，它位于人類肉眼所看到的紫光之外，頻率高于紫光。

無論有無生命，物體都向外輻射紅外線，溫度越高，輻射紅外線的本領(lǐng)越強(qiáng)。

紅外線是我們?nèi)庋蹮o法觀測的，想要“看見”紅外線就需要用到特殊的設(shè)備，也就是紅外探測器。紅外探測器是對紅外輻射做出反應(yīng)的探測器，根據(jù)原理的不同主要分為熱探測器和光子探測器。

入射的紅外線產(chǎn)生的熱效應(yīng)一般會產(chǎn)生溫度的變化，熱探測器是通過對這種變化進(jìn)行追蹤測量，將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行探測的。而光電探測器一般指的是光子探測器，是利用光電效應(yīng)（在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子吸收能量后逸出而形成電流，即光生電）將光信號轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行探測，這種探測器的響應(yīng)速度和靈敏度更高。

電磁波譜圖

人們利用紅外線制造出了多種多樣的紅外探測器，能夠幫助我們更好地認(rèn)識世界。如今，紅外探測器已在夜視、熱成像、高光譜成像、氣象、天文學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，在我們的生產(chǎn)、生活中“大顯神通”。

黑夜里的“眼睛”

夜晚，人們在微光下很難分辨周圍的環(huán)境和物體，而紅外夜視儀可以幫助我們在這種弱光的情況下看清周圍的環(huán)境。

在沒有足夠的可見光時(shí)，夜視儀可以將微弱光環(huán)境下的光子轉(zhuǎn)化為電子，通過信號放大和轉(zhuǎn)換，形成可見光信號。其中的主動(dòng)型夜視儀，因?yàn)樗陨砭哂屑t外光源，可以用于增加夜視設(shè)備轉(zhuǎn)換的可用環(huán)境光，增加黑暗環(huán)境下的能見度，最終通過紅外探測器進(jìn)行探測。

家用主動(dòng)型紅外夜視儀

熱紅外光譜中人體溫度的圖解

用溫度捕捉圖像

日常生活中，我們經(jīng)常需要測量體溫，傳統(tǒng)的水銀體溫計(jì)費(fèi)時(shí)且不安全，現(xiàn)在可以用紅外熱成像技術(shù)快速測體溫。

紅外熱成像技術(shù)是通過熱像儀捕捉物體在某一過程中發(fā)出的紅外輻射來成像的。根據(jù)黑體輻射定律，紅外輻射由溫度高于絕對零度（0開爾文=零下273.15攝氏度）的所有物體發(fā)出，所以無論有無照明光源，熱成像系統(tǒng)都可以看到周圍的環(huán)境。而且物體發(fā)出的輻射量隨著溫度的升高而增加，因此人們可以通過熱像儀觀察到物體溫度的變化。

洞察萬物的紅外線“偵探”

紅外探測器還可以用于高光譜成像技術(shù)，通過收集和處理整個(gè)電磁波譜的信息來獲取場景圖像中每個(gè)像素的光譜，從而達(dá)到尋找物體、識別材料并進(jìn)行檢測的目的。

人眼看到的可見光可以分為長波段的紅色、中波段的綠色和短波段的藍(lán)色，而高光譜成像則將光譜劃分為更多更細(xì)的波段。在高光譜成像中，探測器捕捉的光譜具有精細(xì)的波長分辨率，能夠覆蓋廣泛而連續(xù)的波長范圍。簡單來說，高光譜探測器可以利用一組“圖像”來收集特定區(qū)域的電磁波譜的信息，每個(gè)“圖像”都代表一段狹窄的光譜波長范圍，將這些“圖像”組合成一個(gè)三維的高光譜數(shù)據(jù)立方，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終形成高光譜圖像。

工程師們在天文學(xué)、農(nóng)業(yè)、分子生物學(xué)、地球科學(xué)等領(lǐng)域都建立了高光譜傳感器系統(tǒng)。現(xiàn)今已經(jīng)發(fā)展到生態(tài)學(xué)和監(jiān)控等領(lǐng)域，例如近紅外高光譜成像可用于快速監(jiān)測殺蟲劑在單個(gè)種子上的劑量，以便對殺蟲劑噴灑最佳劑量和覆蓋的均勻度進(jìn)行控制。

高光譜成像原理示意圖（繪圖/魏欣）

監(jiān)測氣象變化

裝備著紅外相機(jī)的氣象衛(wèi)星可以通過掃描產(chǎn)生紅外圖像，圖像中不同位置的云或者陸地會呈現(xiàn)出不同的顏色，工程師通過對圖像進(jìn)行分析可以確定云的高度和類型、計(jì)算陸地和表面水的溫度，并確定海洋表面特征的位置，從而監(jiān)測氣象變化。

同時(shí)，這些紅外衛(wèi)星圖片也可以描繪出海洋漩渦或渦流，例如繪制海流圖，這對航運(yùn)業(yè)很有價(jià)值。農(nóng)民和漁民可以通過紅外衛(wèi)星圖像了解陸地和海水的溫度變化，以保護(hù)農(nóng)作物使其免受霜凍影響，或者增加海上的魚類捕獲量，甚至厄爾尼諾現(xiàn)象（發(fā)生在熱帶太平洋海溫異常增暖的一種氣候現(xiàn)象）也可以被發(fā)現(xiàn)。

超級臺風(fēng)曼克胡特紅外圖像

飛馬座螺旋星系圖

探索無垠宇宙

在天文學(xué)上，紅外探測器可以對天體的紅外輻射進(jìn)行觀測和分析。由于每個(gè)有溫度的物體都會進(jìn)行紅外輻射，因此紅外天文學(xué)的研究幾乎包括宇宙中的所有事物。

宇宙以電磁輻射（或光）的形式向我們發(fā)送大量的信息，這些信息大部分位于紅外波段，我們用眼睛或可見光望遠(yuǎn)鏡是觀測不到的。此外，這些紅外信息大部分被大氣層隔絕，只有少量到達(dá)地球表面，然而通過研究這一小段紅外波長，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了大量的新信息。20世紀(jì)80年代，隨著科技的發(fā)展，人類將紅外望遠(yuǎn)鏡送入大氣之外的衛(wèi)星軌道，有了更為驚人的發(fā)現(xiàn)。

2022年12月，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)布了一張距離地球2.2億光年的飛馬座螺旋星系NGC7469圖像。通過韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的紅外線觀測，可觀察到其明亮中心附近密集的恒星形成環(huán)等特征。

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（責(zé)任編輯/張麗靜 美術(shù)編輯/周游）