1、第一章 紅外輻射基本知識(shí)第一節(jié) 光的本質(zhì)關(guān)于光的本質(zhì)，許多世紀(jì)以來(lái)同時(shí)存在互相矛盾的論點(diǎn),但都在相互補(bǔ)充，不斷進(jìn)步。一、光的本質(zhì) 1.光微粒說(shuō)：早在17世紀(jì)牛頓(Newton)就提出光的微粒學(xué)說(shuō)。他認(rèn)為光是由有彈性的球形微粒所組成，稱為“光微粒”。據(jù)此牛頓說(shuō)明了光的直線傳播、反射和折射定律。2.光波動(dòng)說(shuō)：與牛頓同時(shí)代人惠更斯(Wheegense)提出了光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)。他認(rèn)為光是以球面波的形式傳播的。如果光在傳播過(guò)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(jù)這一理論可以解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象。3.電磁波說(shuō)：19世紀(jì)麥克斯(Maxis)提出光的電磁波理論。他認(rèn)為光是一種在空間傳播的電磁波。

2、該理論涉及光的電磁本質(zhì)，指出光和電磁性質(zhì)的一致性。證明了X線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線和無(wú)線電波等在本質(zhì)上是相同的，所不同的只是波長(zhǎng)上的差別而已。4.量子論說(shuō)：20世紀(jì)初普朗克(Planck)提出光的量子論學(xué)說(shuō)。他認(rèn)為：發(fā)光體的原子在發(fā)射光波時(shí)，是一份一份地發(fā)射的，光源好象射出一個(gè)一個(gè)“能量顆粒”，每個(gè)能量顆粒大小是固定的，稱為這種光的一個(gè)量子。量子的大小只與這種光的頻率有關(guān)。據(jù)此學(xué)說(shuō)，光除了波動(dòng)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(jiàn)光的量子次之，紅外線的量子更小。該學(xué)說(shuō)能解釋光的熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、熒光現(xiàn)象及光壓等。二、光的分類 根椐光的波長(zhǎng)分為可見(jiàn)光

3、和不可見(jiàn)光。1.可見(jiàn)光：占全部電磁波譜的極小部分。當(dāng)陽(yáng)光通過(guò)棱鏡后，由于不同波長(zhǎng)的光線穿透介質(zhì)產(chǎn)生的折射角度不同，因而在棱鏡后面的白屏上陽(yáng)光分散成紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七色光。可見(jiàn)光的波長(zhǎng)為400760nm（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(jiàn)光，波長(zhǎng)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(jiàn)光,波長(zhǎng)0.761000mm。紅外線之外端還有微波，無(wú)線電波。第二節(jié) 紅外輻射的特性 一、紅外輻射與紅外光譜 一切高于絕對(duì)零度（OK，-273.16）的物體都有自身的輻射熱，只是常溫物

4、體的輻射峰值不處在人類視覺(jué)范圍內(nèi)，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(shí)不存在絕對(duì)零度的物體)。 1800年，美國(guó)天文學(xué)家威赫謝爾（ershel）在研究太陽(yáng)光譜各部位的效應(yīng)時(shí)，使一支涂黑了的水銀溫度計(jì)受太陽(yáng)連續(xù)光譜照射，發(fā)現(xiàn)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(jiàn)的紅外線的存在。此后又發(fā)現(xiàn)熱效應(yīng)從紫光到紅光逐漸增強(qiáng)，而最大值是在紅光邊界以外。由此表明在太陽(yáng)光譜紅光邊界之外，還存在著人眼看不見(jiàn)的輻射能量，當(dāng)時(shí)稱這種輻射能量為“看不見(jiàn)的光線”，后稱之為“紅外線”，或“紅外輻射”。其頻率范圍為3×10114×1014之間。人體是天然輻射體，

5、輻射率高達(dá)0.98,輻射峰值波長(zhǎng)為9.3482mm.人體各部位溫度的差別，峰值在9 10.近幾十年來(lái)，由于各種性能的高靈敏度紅外探測(cè)器相繼出現(xiàn)，紅外技術(shù)獲得了迅速發(fā)展。在波長(zhǎng)由0.72mm（720nm）至1000mm的紅外波段又分成三個(gè)波段，但劃分的界限至今尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定。目前常采用分法有兩種，一種是：即波長(zhǎng)0.721.5 mm為近紅外波段，1.55.6 mm為中紅外波段，5.61000 mm為遠(yuǎn)紅外波段；0.7625 mm 為近紅外，2530 mm 為中紅外，301000 mm為遠(yuǎn)紅外。國(guó)內(nèi)也有另一種劃分法，詳表1-1。表1-1 紅外光譜區(qū)的劃分及適用領(lǐng)域 （單位：mm）適用領(lǐng)域近紅外中紅外遠(yuǎn)

6、紅外極遠(yuǎn)紅外軍事、空間和一般應(yīng)用0.753.03.06.06.015.0151000紅外烘烤加熱0.751.41.43.03.01000紅外光譜研究0.752.52.525251000 在紅外波段中，波長(zhǎng)以mm為單位，頻率用-1，它表明在真空中路程內(nèi)所含波長(zhǎng)的數(shù)目。 在紅外光譜學(xué)中，通常用“波數(shù)” 這個(gè)參數(shù)來(lái)表證。1 104（） （） 二、紅外線特性 紅外線和可見(jiàn)光一樣都是電磁波，因此也具有可見(jiàn)光的一般性質(zhì)，如遵從反射和折射定律；存在著干涉、衍射和偏振及介質(zhì)中的吸收和散射現(xiàn)象。由于電磁波具有波動(dòng)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(shù)h=6.

7、623´10-27爾格光能 e =h ×v = hc(1/l)可見(jiàn)，紅外波長(zhǎng)越長(zhǎng)能量越小，波長(zhǎng)越短能量越大溫度越高。溫度高到一定程度時(shí)就進(jìn)入紅光。紅外線和可見(jiàn)光一樣具有直線傳播特性，并服從可見(jiàn)光的反射、吸收、透射規(guī)律。公式P = Pp +Pa +P說(shuō)明：反射率：Pp/P=p 吸收率：Pa /P=a 透射率：P /P= a + p+= 1 紅外線與其它電磁波不同，具有其特殊性： .需要紅外探測(cè)器才能顯示：由于人眼見(jiàn)不到紅外線,所以在研究與應(yīng)用時(shí)，就必須要有對(duì)紅外線敏感的探測(cè)器，如利用其敏感效應(yīng)而制造的各類熱敏感探測(cè)器，利用其電效應(yīng)而制成的各類光電探測(cè)器等。 .光化學(xué)作用較差：

8、紅外線光子能量小，例如波長(zhǎng)為100的紅外光子，其能量?jī)H為可見(jiàn)光光子能量的1 /200。由于其光化學(xué)作用比可見(jiàn)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。 .熱效應(yīng)顯著：與可見(jiàn)光相比熱效應(yīng)顯著，如當(dāng)手靠近白熾電燈時(shí)，皮膚有強(qiáng)烈的灼熱感，因白灼電燈光線中有大量紅外線；當(dāng)手靠近日光燈時(shí)，則幾乎感覺(jué)不到熱的刺激，因其不含有紅外線。太陽(yáng)光中約70是紅外線，故太陽(yáng)光溫暖。 .紅外線易被一般物質(zhì)所吸收，穿透力也較弱。.產(chǎn)生紅外線的機(jī)理與其它波長(zhǎng)的電磁波也不相同。三、熱輻射定律紅外線是一種熱輻射，對(duì)于一個(gè)熱輻射體其波長(zhǎng)l與溫

9、度T、輻射量密度W三者間的關(guān)系服從如下幾個(gè)物理學(xué)定律。1.普朗克(Planck)公式：在單位時(shí)間內(nèi)，從黑體表面的單位面積在半球內(nèi)所輻射的能量對(duì)波長(zhǎng)的分布關(guān)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(zhǎng)0¥ 范圍內(nèi)普朗克公式的積分。即黑體的總輻射通量?jī)H與表面溫度有關(guān)，并且與溫度的4次方成正比。即當(dāng)溫度升高時(shí)，物體的總輻射量迅速增加。若測(cè)量出物體的輻出度，則可推算出它的溫度，這就是紅外測(cè)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

10、度的峰值波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度成反比。表明隨著溫主的升高，最大輻射能的波長(zhǎng)lm（輻射通量的峰值波長(zhǎng)）要向短波方向移動(dòng)。 4.朗伯(Lumbo)定律Wj=WnCOSj千卡/米2時(shí)  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(gè)理想的輻射體，它能全部吸引或全部發(fā)散輻射能量。但自然界并不存在真正的絕對(duì)黑體。任何物體在任何溫度下，對(duì)某一波長(zhǎng)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(duì)該波長(zhǎng)的輻出度。 第三節(jié) 紅外診斷發(fā)展史 早在兩千年前，古希臘醫(yī)生西波克拉底發(fā)現(xiàn)人體

11、發(fā)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(nèi)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(fā)現(xiàn)紅外線之后，人們就研究將其應(yīng)用于各個(gè)科技領(lǐng)域，因技術(shù)上的問(wèn)題尚未解決，故未廣泛應(yīng)用。紅外熱像儀，軍事上謂之紅外夜視儀，在2世紀(jì)三十、四十年代因軍事應(yīng)用而發(fā)展，它可在黑夜或濃厚的煙霧、云霧、高空中探測(cè)對(duì)方的目標(biāo)，包括已偽裝的目標(biāo)和高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，可觀察公里或更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)。1956年美國(guó)國(guó)防部才允許將其應(yīng)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(yè)和科研中,通過(guò)熱分布圖進(jìn)行故障和隱患檢測(cè)、質(zhì)量控制、節(jié)約能源等方面。美國(guó)1955

12、年Lawson始應(yīng)用于乳腺癌的診斷，1961年英國(guó)醫(yī)生Williams拍攝了世界上第一張乳腺癌熱圖，開(kāi)創(chuàng)了紅外熱像診斷的新紀(jì)元。1957年以來(lái)先后美國(guó)、英國(guó)、瑞典、德國(guó)、法國(guó)、荷蘭等國(guó)開(kāi)展了研究。經(jīng)過(guò)廣泛、深入的發(fā)展，醫(yī)用熱像技術(shù)廣泛用于臨床診斷,成為影像診斷的八大技術(shù)之一。我國(guó)六十年代由國(guó)外引進(jìn)的紅外乳腺掃描儀、醫(yī)用熱像診斷儀用于臨床診斷，先后有瑞典、日本、美國(guó)、德國(guó)的儀器進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，終因這些產(chǎn)品價(jià)格昂貴不能推廣。我國(guó)自制的醫(yī)用熱像診斷儀1976年在上海完成，最初為T(mén)Y-1型，其后有IR-100B型。首先在上海應(yīng)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(fā)展較慢。

13、從90年代初開(kāi)始的HR-2型，到1997年的WP-95型，最近重慶興華賽英斯醫(yī)用外熱像儀技術(shù)研所的DH-2000型標(biāo)志著我國(guó)醫(yī)用紅外熱像儀技術(shù)又有了新的發(fā)展。最近中華醫(yī)學(xué)會(huì)召開(kāi)全國(guó)熱圖診斷學(xué)術(shù)交流會(huì)議，經(jīng)過(guò)通過(guò)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(fā)表或涉及的論文近300篇。我國(guó)自1974年起，每?jī)赡暌粚玫娜珖?guó)紅外科學(xué)技術(shù)交流會(huì)已召開(kāi)了十四次，足見(jiàn)該門(mén)學(xué)科在我國(guó)已引起高度重視。90年代初起我國(guó)已建立醫(yī)用紅外熱像儀從科研、試制、生產(chǎn)、臨床應(yīng)用、推廣攻關(guān)體系。已建立了博士生教學(xué)點(diǎn)。第四節(jié) 紅外傳感器一、 傳感器又稱換能器或探測(cè)器，是把待檢各種信號(hào)（力、熱、聲、電磁、

14、光及化學(xué)、生化等）迅速變換為電信號(hào)的器件。工程師們依椐不同用途而設(shè)計(jì)不同的傳感器。 醫(yī)學(xué)傳感器即是一種用來(lái)拾取、捕捉生物各種生理活動(dòng)的信息，并將其轉(zhuǎn)換為容易處理、顯示電信號(hào)的裝置。目前醫(yī)用傳感器的種類繁多，諸如心內(nèi)導(dǎo)管微壓器、脈壓傳感器、超聲探頭、電磁血流計(jì)、X線探測(cè)器、光纖傳感器等等。對(duì)醫(yī)學(xué)傳感器的基本要求：響應(yīng)被測(cè)體的能量；不破壞活體的原有性質(zhì)；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(zhuǎn)變成其它形式能量的一種傳感器。根據(jù)紅外線與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的各種效應(yīng)，目前已研制出結(jié)構(gòu)新穎、靈敏度高、響應(yīng)快和種類繁多的紅外傳感器。根據(jù)工作

15、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（195-200）和室溫傳感器；根據(jù)響應(yīng)波長(zhǎng)范圍，可分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外傳感器；根據(jù)結(jié)構(gòu)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(jù)探測(cè)過(guò)程的機(jī)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(jī)理為敏感材料吸收紅外線的光量子能量，材料被激勵(lì)而釋放電子，使材料電阻驟然減少，載流子而形成載有信號(hào)的電子流。該類傳感器具響應(yīng)快，靈敏度高等特點(diǎn)，但對(duì)紅外線波長(zhǎng)有一定選擇性，對(duì)大于載流子的光不敏感，且在較寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)靈敏度不均勻。按其特性不同又可分為光導(dǎo)型、光電動(dòng)動(dòng)勢(shì)型和金屬-絕緣體-半導(dǎo)體型三型。三、 熱型紅外傳感器利用被測(cè)物體熱輻射引起的敏感元件溫度變化，從而導(dǎo)致電阻或電動(dòng)勢(shì)、表面電荷密度等變化進(jìn)行測(cè)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(cè)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，對(duì)于一切波長(zhǎng)皆具有平坦的光波響應(yīng)。缺點(diǎn)是靈敏較低，響應(yīng)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。參考文獻(xiàn)1 Jatteau M. Techniqu