紅外線攝影的基本原理

1、紅外線攝影的基本原理紅外線的發(fā)現(xiàn)早在1672年人們就發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光（俗稱白光）是由各種顏色的光復(fù)合而成，隨后牛頓做 出了單色光在性質(zhì)上比白光更簡(jiǎn)單的著名結(jié)論。無論是當(dāng)時(shí)還是現(xiàn)在， 我們都可以利用分光棱鏡把太陽(yáng)光分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等單色光，這也是很多光電試驗(yàn)中合成白 光的原理。無線電簸虹外銭可見光繳紫外垛X光線節(jié)光錢1800年英國(guó)物理學(xué)家赫胥爾從熱的觀點(diǎn)來研究各單色光時(shí)發(fā)現(xiàn)了紅外線，并且把光譜 中看得見的那部分波稱為“光”（可見光），而人眼看不到的波則稱為“線”，并習(xí)慣地命名為紅外線。顯然這樣來對(duì)紅外線進(jìn)行定義是不科學(xué)的，爾后科學(xué)家的研究表明，紅外線這種電磁波在實(shí)際應(yīng)用中可劃分為以下

2、三個(gè)波段：近紅外：波長(zhǎng)為 0.773.0卩m、中紅外：波長(zhǎng)為3.030卩m、遠(yuǎn)紅外：波長(zhǎng)為 301000卩m。通常情況下的紅外線攝影可以感應(yīng)的紅外線波長(zhǎng)范圍為7701000nm。紅外線成像設(shè)備的特殊之處就是能探測(cè)這種物體表面所輻射的不為人眼所見的紅外線，它所反映的是物體表面的紅外輻射場(chǎng)，即溫度場(chǎng)，幫助我們看到肉眼觀察不到的事物， 從另一種角度來觀察我們 所熟悉的事物。紅外線濾鏡紅外線成像的原理和黑體的紅外輻射規(guī)律所謂黑體，簡(jiǎn)單地講就是在任何情況下對(duì)一切波長(zhǎng)的入射輻射吸收率都等于1的物體,也就是說完全吸收。作為自然界中實(shí)際存在的任何物體對(duì)不同波長(zhǎng)的入射輻射都有一定的反 射（吸收率不等于1），所以

3、黑體只是人們抽象出來的一種理想化的物體模型。但黑體熱輻射的基本規(guī)律是紅外線研究及應(yīng)用的基礎(chǔ)，它揭示了黑體發(fā)射的紅外熱輻射隨溫度及波長(zhǎng)變化的定量關(guān)系，同樣，這也是我們研究紅外成像的基本出發(fā)點(diǎn)。黑體定律分別由以下三個(gè)基本定律構(gòu)成：（1）輻射的光譜分布規(guī)律一一普朗克輻射定律；輻射功率隨溫度的變化規(guī)律一一斯蒂芬-玻耳茲曼定律；（3）輻射的空間分布規(guī)律一一朗伯 余弦定律。以上三個(gè)定律共同闡述了凡是溫度高于開氏零度（絕對(duì)零度）的物體都會(huì)自發(fā)地向外發(fā)射紅外熱輻射，而且黑體單位表面積發(fā)射的總輻射功率與開氏溫度的四次方成正比，溫度只要有較小的變化，就會(huì)引起物體的輻射功率發(fā)生較大變化。以上定律正是紅外線成像的原理

4、基礎(chǔ)，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 要它的溫度高于絕對(duì)零度（-273.15 C ），就存在分子和原子無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，其表面就會(huì)不斷地 輻射紅外線。任何存在有溫度的物體，除可以發(fā)出波長(zhǎng)在380770nm的可見光外，還可以發(fā)射不為人眼所見的波長(zhǎng)為7701350nm范圍的紅外線。因此，紅外線的最大特點(diǎn)就是普遍存在于自然界中，也就是說，任何“熱”物體雖然不發(fā)光但都能輻射紅外線，因此紅外線 又稱為熱輻射線，簡(jiǎn)稱為熱輻射。紅外線攝影的特點(diǎn)很多人對(duì)于紅外線攝影照片表現(xiàn)出來的色調(diào)和影像的質(zhì)感感到驚異，其實(shí)這并不奇怪， 因?yàn)榧t外線與可見光相比的一個(gè)特點(diǎn)是色彩更加豐富多樣。

5、由于可見光的最長(zhǎng)波長(zhǎng)是最短波長(zhǎng)的1倍（380nm770nm），所以也叫作一個(gè)倍頻程。而紅外線的最長(zhǎng)波長(zhǎng)則是最短波長(zhǎng)的 10倍，即具有10個(gè)倍頻程。因此，如果可見光能表現(xiàn)自然界中的7種顏色，則紅外線便能表現(xiàn)70種，因此具有極其豐富的色彩表現(xiàn)力。另外紅外線還具有良好的穿透性，如穿透煙霧、水氣等，因此在航空攝影、 軍事攝影和其他題材攝影中有著不可替代的地位，例如航空攝影可以利用紅外線發(fā)現(xiàn)健康、不健康的樹木，森林，地脈甚至礦藏；醫(yī)學(xué)上可以用于人體組織 的穿透；科研及工程攝影可以用于鑒別印色，穿透織物；普通紅外線攝影可以利用發(fā)散性產(chǎn)生虛幻的圖畫效果等等。滿足紅外線攝影需要的條件（鏡頭和濾光鏡）紅外線攝影

6、可以使用普通鏡頭，但是在使用紅外濾鏡配合普通鏡頭進(jìn)行紅外線攝影時(shí)， 鏡頭通常不對(duì)紅外區(qū)進(jìn)行校正。尤其是在利用傳統(tǒng)的紅外乳劑膠片進(jìn)行聚焦時(shí)，必須稍稍增大相機(jī)鏡頭的伸長(zhǎng)量。這是因?yàn)槠胀ㄧR頭設(shè)計(jì)的焦距是針對(duì)可見光的，因而在拍攝紅外線時(shí)相應(yīng)的焦距設(shè)定應(yīng)大于拍攝可見光時(shí)的焦距，即使是在使用單消色差或復(fù)消色差鏡頭的時(shí) 候，這一點(diǎn)也適用。 此外，由于紅外線波長(zhǎng)比可見光的波長(zhǎng)要長(zhǎng)得多，其焦距不可能與可見 光一致。因此須要專門對(duì)鏡頭進(jìn)行紅外區(qū)校正，一些傳統(tǒng)相機(jī)鏡頭為了達(dá)到對(duì)紅外光準(zhǔn)確對(duì)焦的目的，專門設(shè)計(jì)了一個(gè)紅外聚焦指數(shù)。而對(duì)于其它相機(jī)，必須通過多次實(shí)驗(yàn)以確定鏡頭所須增加的伸長(zhǎng)量，通常是以0.30.4%焦距的數(shù)

7、量級(jí)進(jìn)行手工校正。由于紅外線光譜感應(yīng)范圍較廣，因此無論是傳統(tǒng)紅外線攝影還是數(shù)碼紅外線攝影都需要 一個(gè)阻擋可見光及紫外線輻射，同時(shí)又可以透過紅外線的特殊濾光鏡，即紅外線濾鏡 （Infrared Filter）,并且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和感光材料的光敏范圍來確定和選擇紅外線濾鏡的濾光系數(shù)。紅外線濾鏡在這個(gè)過程中起到的作用類似于帶通濾波器的作用，讓所需要波長(zhǎng)的紅外線通 過，而將其它波長(zhǎng)的光線阻斷。紅外線攝影的感光器件（傳統(tǒng)膠片和CCD/CMOS）在傳統(tǒng)攝影中，目前我們生產(chǎn)的黑白、 彩色增感類材料可以滿足絕大多數(shù)普通攝影的要 求，并且對(duì)于某些特殊的用途，比如紅外線攝影，則可以通過增加膠片乳劑的波長(zhǎng)敏感度來 增加它

8、對(duì)于紅外線的感光度，滿足人們的需求。紅外增感染料在 20世紀(jì)初被發(fā)現(xiàn)，直到 20世紀(jì)30年代才得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，紅 外增感染料所能夠賦予的感光度已經(jīng)被提高到了120Onm的光譜區(qū)域。但是在波長(zhǎng)大約為1200nm時(shí)，雖然也可以實(shí)現(xiàn)材料增感，但是其輻射可以被水吸收，已經(jīng)失去了實(shí)際使用意 義，這使得記錄波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光譜在傳統(tǒng)膠片領(lǐng)域成為一件比較困難的事情，因此為數(shù)碼相機(jī)的感光器件CCD/CMOS在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。使用數(shù)碼相機(jī)的 CCD（光電耦合器"CMOS作為感光元器件進(jìn)行紅外線攝影與傳統(tǒng)紅外 線攝影最大不同的是，CCD/CMOS自身具備了 4001200nm的感光能力，涵蓋了

9、紅外線的基本波長(zhǎng)光譜。只是在一般的狀況下由于可見光的光量遠(yuǎn)大于紅外光，因而使用數(shù)碼相機(jī)拍攝時(shí)并不能看出紅外線效應(yīng)，另一個(gè)原因則是許多數(shù)碼相機(jī)的鏡頭都裝有紅外線消除濾鏡 （IR cut filter），過濾了大部分紅外線。但是紅外線消除濾鏡的好壞和數(shù)碼相機(jī)所采用 CCD/CMOS感光器件對(duì)紅外線的靈敏程度才是決定數(shù)碼相機(jī)是否具備紅外線攝影能力的重 要因素，為此我們可以使用一般家用電器的紅外線遙控器對(duì)著數(shù)碼相機(jī)鏡頭，并按下遙控器按鍵，同時(shí)從相機(jī)的 LCD或EVF（電子取景器）中觀察是否能看到明亮光點(diǎn)的方法來判斷您 的數(shù)碼相機(jī)是否具備紅外線攝影的能力。影響紅外線攝影的潛在因素紅外線攝影可能會(huì)受到很多外部條件制約和影響，其中最主要的包括：1拍攝題材的材料性質(zhì)的影響：不同性質(zhì)的材料因?qū)椛涞奈栈蚍瓷湫愿鳟悾虼怂?們的紅外線發(fā)射性能也不盡相同，對(duì)于紅外線的敏感程度也不同。2表面狀態(tài)的影響：任何實(shí)際物體表面都不是絕對(duì)光滑的，總會(huì)表現(xiàn)為不同的表面粗糙 度。因此，這種不同的表面形態(tài)將對(duì)紅外線反射率造成影響，從而影響發(fā)射率的數(shù)值。 這種影響的大小同時(shí)取決于材料的種類。3溫度影響：溫度對(duì)不同性質(zhì)物體的影響是不同的，很難做出定量的分析，只有在拍攝 過程中積累經(jīng)驗(yàn)。4物體之間的輻射傳遞的影響：物體對(duì)于給定的入射輻射必然存在著吸收、反射，而當(dāng) 達(dá)到熱平衡后，其吸收的輻射能必