紅外線影像理論

這裡僅介紹紅外線的簡介與攝影機的應用。紅外線影像處理，則在下一 個章節作詳細的介紹。

2.3.1 紅外線簡介

紅外線約有200 年歷史，1800 年威廉薛爾爵士（William Herschel）

用稜鏡把太陽分光而得的放射於水銀溫度計黑化的水銀囊部分，測定其 吸收能量所致的溫升，並以未被投射的溫度計為標準，發現紫色光升 2℃，紅色光升 7℃，紅色外肉眼看不到的光比紅色光高 2℃，這是首次 發現紅外線實驗，並發現可視域長波長端外有熱作用的放射譜。

1951 年 Brngel 將紅外線的歷史分為：黎明期（1800~1880 年）、開 拓期（1881~1950 年）、發展期（1951 年~），不過在 1951 年後就快速發 展，在1960~1970 年以後可說是展開期。

克希荷夫(Kirchhoff) 提出黑體（black body）的概念，史蒂芬(J.

Stefan) 在 1879 年以經驗求得在黑體條件，為放射能正比於溫度 T 的 4 次方。此經驗律在1884 年由波茲曼(L. Bolzman) 理論化，建立史蒂芬-波茲曼(Stefan-Boltzman) 定律。1865 年馬克思威爾(C. Maxwell)預見電 磁波，1887 年赫茲(H. Hertz) 實證此理論會影響放射理論，而統一建立 電磁波譜。此理論經韋恩(W. Wein)、雷利(L. Rayleigh)之修改，在 1900 年由普朗克(Planck) 完成，有關熱放射能譜分布理論體系獲得證實。

紅外線是電磁波領域的一部份定義為：是一種電磁波，當任何物體 的溫度在絕對溫度(-273 )℃ 以上時，都會釋放出紅外線，而波長在 0.7µm~1000µm（1mm）之間。依其能量含量的不同，又可分成近紅外 線（0.7µm~4µm）、中紅外線（4µm~40µm）、遠紅外線（40µm~1000µm）

三個範圍，如圖2-6 所示。應用在各種不同的用途[18]，如表 2-1 所示。

Gamma ray 伽瑪射線

NIR MIR FIR

0.7μm 4μm 40μm 1000μm

Gamma ray 伽瑪射線

NIR MIR FIR

0.7μm 4μm 40μm 1000μm

圖 2-6 電磁輻射光譜圖

表 2-1 紅外線之種類及應用

類別 波長範圍 應用

近紅外線 (Near Infrared)

0.7至4µm 電耦合裝置(Charge Coupled Device, CCD)攝影機、點對點式人體溫度移動 感應檢測器。

中紅外線 (Middle Infrared)

4至40µm 紅外線氣體分析儀及紅外線熱影像 儀。

遠紅外線 (Far Infrared)

40至

可見光，而是許多自然界物質運動現象(分子的轉動與振動)所釋放或吸 收的輻射能量恰巧落在紅外線能量區，因此可用紅外線來探知待分析物 存在的種類、數目甚至外觀形象。

2.3.2 紅外線成像的原理

要了解紅外線的成像原理，就必須要先知道黑體(black body)，所 謂黑體，簡單地講就是在任何情況下對一切波長的入射輻射吸收率都等 於1 的物體，也就是說完全吸收。作為自然界中實際存在的任何物體對 不同波長的入射輻射都有一定的反射(吸收率不等於 1)，所以黑體只是 人們抽像出來的一種理想化的物體模型。但黑體熱輻射的基本規律是紅 外線研究及應用的基礎，它揭示了黑體發射的紅外熱輻射隨溫度及波長 變化的定量關係，也是紅外成像的基本出發點。

黑體定律分別由以下三個基本定律構成：(1)輻射的光譜分佈規 律—普朗克(Planck)輻射定律；(2)輻射功率隨溫度的變化規律—史蒂芬-波茲曼（Stefan－Boltzmann）定律；(3)輻射的空間分佈規律—朗伯 (Lambert)餘弦定律。以上三個定律共同闡述了凡是溫度高於凱氏零度 (絕對零度)的物體都會自發地向外發射紅外熱輻射，而且黑體單位表面 積發射的總輻射功率與凱氏溫度的四次方成正比，溫度只要有較小的變 化，就會引起物體的輻射功率發生較大變化。以上定律正是紅外線成像 的原理基礎，即只要有溫度存在，就有紅外線攝影的可能。

理 論 上 ， 自 然 界 中 的 一 切 物 體 ， 只 要 它 的 溫 度 高 於 絕 對 零 度 (-273.15 )℃ ，就存在分子和原子無規則的運動，其表面就會不斷地輻射 紅外線。任何存在有溫度的物體，除可以發出波長在380～770nm 的可 見光外，還可以發射不為人眼所見的波長為 770～1350nm 範圍的紅外 線。因此，紅外線的最大特點就是普遍存在於自然界中，也就是說，任 何「熱」物體雖然不發光但都能輻射紅外線，因此紅外線又稱為熱輻射 線，簡稱為熱輻射。

2.3.3 紅外線攝影機之應用

紅外線攝影機最早是做為軍事用途之夜視功能，但隨著科技進步與 生活方式及需求的改變。紅外線攝影機的主要應用領域已涵蓋包括環保 (大氣污染監測)、製程監控 (機器之溫度變化感測或保養的監控)、治安 保全 (家庭保全系統)、交通 (汽車夜間輔助駕駛)、醫療診斷(癌症腫瘤 診斷)、地球資源及衛星氣象偵測等與人類工作及生活息息相關之應用 領域上。

1. 目標搜尋（如海上搜尋、要點防禦、空中搜尋等）。

2. 研究發展（如引擎燃燒、複合材料、建築材料、電路板設計檢 測、熱傳導研究、輪胎設計等）。

3. 預防保養、設備檢查（如發電、變電、輸電、配電設備、鍋爐、

儲槽、蒸氣管線等）。

4. 污染防治、資源探測（如空氣、水污染偵測、海洋溫域、地熱

平衡等）。

5. 醫學診斷（如燒燙傷、血管疾病、脊椎病變、皮膚病變等）。