红外光电世界一瞥

来源：上海技术物理研究所　　 作者：李向阳　　 时间：2006-12-01 11:09:50　　 点击数：1519

每当人们提到“红外”这个词的时候，或许不少人的头脑中反应出的一件与红外有关的应用就是家用的电视机的红外线遥控器。是的，这很正确。遥控器上有红外光发射元件而被控电器中有红外光接收装置。当我们按下遥控器的某个按钮时，遥控器中的电子线路就会将这个按钮的对应编码通过遥控器顶端的红外发射管发射出去。当被控的电器中的红外探测元件“看到”这些光码信号就把它们转变成电信号，再通过后续电路对信号的处理、识别等，从而执行一些操作。正是这一连串的动作，完成了我们的需求—譬如电视节目的频道切换。这一看似简单的操作，实际涉及了电—光、光—电的两次转换。

那么红外光是什么？它有什么特点呢？生活中还有那些地方会利用它呢？让我们进入红外光电世界小游一番。

一、红外线的发现

红外光也叫红外线，它是一位英国科学家发现的。1800年，赫胥尔在研究太阳光时，让光通过棱镜分解为彩色光带，他用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。试验中，他偶然发现一个奇怪的现象：放在光带红光外的一支温度计，比室内其他温度的指示数值高。经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种人的肉眼看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。（不过，要说明的是，事实上太阳发出的能量以波长580nm的绿光最强。）

二、红外线的基本特性

红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质。红外线的波长在0.76～100μm之间，位于无线电波与可见光之间。通常红外线按波长可进行简单分类，比如近红外、短波红外、中波红外、热红外、远红外等。物理学告诉我们，任何物体在常规环境下都会由于自身分子原子运动不停地辐射出红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。物体的温度越高，辐射出的红外线越多。物体在辐射红外线的同时，也在吸收红外线，物体吸收了红外线后自身温度就升高。

三、红外的应用

如前所述，红外线的主要特性之一是热作用强。因此人们利用红外线来加热物品。家庭用红外烤箱烤食品，浴室暖灯用红外线来取暖，医疗上利用红外线来理疗。这些红外加热的应用曾经在为我国节约能源方面立下了赫赫战功。至今，红外加热的科学研究尤其是最近与生物医疗等方面结合的研究，还相当活跃。但是，我们在这里不打算详细地介绍这方面的情况。

根据前面的理论介绍，我们不难设想，如果我们能过“看”到红外线，那么我们会看到一个光亮的世界，每一个物体都在发光。不过，如果某个物体温度比环境的温度高，它可能会更亮一些。因此人们想到了在夜间没有可见光光源的情况下，可以采用红外线成像，并采用特殊的手段使红外图像变成人眼可以看到的可见光图像，就是夜视仪。夜视仪在军事上有重要的应用。事实上，红外技术最初的大发展，正是起源于第一和第二次世界大战期间夜战的需要。

据说：伊拉克在攻击科威特前，为了避免美国的飞机炸毁伊拉克的战车。于是在沙漠中挖了很多地道，战时让战车躲入沙漠下的坑道内。可惜沙漠中白天时温度非常高，战车又大多是金属，吸收了很多的热量。黑夜时，沙漠的表面温度很快的就降下去了，可是埋在沙土里的战车温度较四周的沙土高，辐射出红外线。于是美国的飞机黑夜时利用红外线探测器，将每辆沙土下的战车看得一清二楚，结果战车被摧毁殆尽。

另外，通过测量物体的红外辐射的强度或者测量物体辐射出的各种波长红外光的比例，可以判断物体的温度。根据这个原理研制出了工业用的红外测温仪。由于红外光能从大气中传播，因此红外测温仪可以非接触地测量物体的温度。现代很多防盗器、自动灯、自动水龙头、自动干手机等等，其实大多是探测到人体红外辐射后而执行动作的。耳温计是一个红外线家庭应用的好例子。将耳温计对准耳朵内部，不到一秒钟便可以测量出耳朵内的温度。与传统的体温计相比，对于测量好动或生病的小孩最为方便。

由于红外线穿透云雾的能力比较强，利用灵敏的红外探测器可以在很远的距离以外探测物体发出的红外线，再经仪器的处理，可以显示出被测物体的形状和特征，这叫做红外遥感。利用卫星进行红外遥感，可以实施对地球勘测，寻找水源、监视森林火灾、估测大面积农作物的长势和收成，天气预报、预报风暴、寒潮和沙尘暴，甚至预报地震等。说到这里，你可能会问：卫星高高地挂在天上，它怎么能察觉地震呢？别着急，听我慢慢讲来：在这里，红外技术又一次起到了作用。利用卫星和航天站对地面进行红外观测，会使地震预测如虎添翼。我国科学家近来也开始了利用卫星热红外图像进行地震短期临震预报的研究，并取得了初步成绩。原来，地震前地表温度会发生变化，利用卫星居高临下的优势，通过判读卫星拍下的热红外遥感图片，我国科学家曾成功地预报了多起地震！

四、我国星载遥感仪器的部分介绍

那么我们中国有没有红外遥感仪器？有。仅在气象卫星的平台上，我们就有“风云一号扫描辐射计”和“风云二号扫描辐射计”两个系列的遥感仪器。我国的科技工作者自力更生，艰苦奋斗，研制的仪器设备的性能达到并部分超过了国外同类仪器水平。其中风云一号的FY-1C和FY-1D被世界气象组织列入了世界业务极轨气象卫星的行列，欧洲、美国和亚洲等多个国家都建立了兼容接收中国FY-1C卫星的卫星数据接收系统和相应的数据处理、应用系统。我们中国为全世界的自然灾害监测、环境研究作出了应有的贡献。

我国于1988年9月首次发射太阳同步轨道试验气象卫星"风云一号"。"风云一号"卫星星体呈盒子形，星体两侧各有一块太阳电池翼。卫星上装有扫描辐射计，它可以日夜观测云层、陆地和海面温度等。
我国分别于1997年和2000年利用长征3号火箭从西昌卫星基地发射了两颗地球静止气象卫星：风云二号A和风云二号B气象卫星。和FY-1系列气象卫星一样，FY-2卫星数据也向国际用户开放，卫星数据可以被其它国家分享。FY-2气象卫星从空间实施对地球观测，可以同时获得可见光、热红外及水汽红外图像。经一系列处理后，就得到了我们每天可以看到的中央气象台天气预报中的云图动画。

风云一号和风云二号都是气象卫星，都载有红外/可见多波段扫描辐射计，那么他们有什么不同呢？细心的读者已经看到了，二个系列的卫星的轨道不同。一个是所谓太阳同步的极轨卫星，即轨道经过地球南北两极，而另外一个卫星是地球同步的。这样，风云一号是可以全球观察的，而风云二号是瞄准我国上空观测的。之后我国预计发射的气象卫星，它们的编号继续沿用了这一方式，例如，奇数号的风云三号就是全球观察的极轨卫星，而偶数号的风云四号是赤道上空主要对准我国的地球同步卫星。这两种卫星之间的优势是互补的。因为对于地面上的同一点的观测而言，同步卫星的观测时间间隔可以做得很短，而极轨卫星因为轨道高度较低，对地面成像的分辨率可以做得较高。

五、红外光电仪器的核心部件之一 —— 红外探测器

各种红外光电设备之所以能够“看到”红外光，是因为他们有一个专门对红外线敏感的“眼睛”，人们通常把这种对红外光敏感的元件叫做红外探测器。红外探测器就是能够把入射的微弱红外光转换为电子线路可以测量的电信号的光电转换器件。它与人们熟悉的太阳能电池有着相似之处：他们完成的任务都是把光转变为电。但是，太阳能电池主要对可见光敏感，而红外探测器的敏感对象是红外光。

事实上，对于整个电磁波，不同的波段有不同的敏感元件。对于这些元件有时人们称之为探测器，有时又叫做传感器或敏感器。这里我们主要看一看红外波段都有哪些探测器。

我们知道，红外光具有很强的热效应，当红外光照到探测器上被吸收后，吸收体的温度就会有所升高，利用这一特点，人们制备了多种探测器。例如，利用温差电动势原理的热点堆红外探测器、利用热释电效应的红外热电探测器、以及利用电阻率随温度变化的热敏电阻等。由于这种探测的机理是热学的变化，因此当红外光照射到探测器上以后，探测器的响应有一定的滞后，时间一般有毫秒到秒不等。当前，人们为了探测器的灵敏度和规模进一步提高，科学家们在研制一种叫做“微测辐射热计”的红外探测器的过程中，利用微机械的方法，把微小的探测灵敏元用细细“腿”从衬底上支撑起来，这样当红外光照射到探测灵敏元上，由于其具有近似悬空的结构，热量不容易散失掉，因此可以得到相对较高的温升，也就是提高了探测的灵敏度。由于这种方法，与硅的大规模集成电路工艺基本兼容，因此有希望做成大规模的探测器阵列。对于热探测器而言，一般地对红外光的波长没有太多的选择性。另外，热探测器可以在室温下很好地工作。

除了热探测器以外，还有一类探测器的工作机理是利用了红外光子与探测器物质中的电子相互作用的原理，我们把这些探测器成为红外光子探测器。在这些过程中，由于不同波长的红外光子具有不同的光子能量，对于某一特定的物质，存在着一个特定的红外波长，如果红外光波长大于这一波长，光子与物质相互作用的程度较弱，因此无法探测，这一特定波长就叫做探测器的响应截止波长。因此，光子探测器一般都工作在特定的波段，下表列出了一些目前典型的各波段探测器。
波段（波长） 工作在该波段的典型红外光子探测器
近红外（0.7~1.1μm） 硅光电二极管 （Si）
短波红外（1~3 μm） 铟镓砷（InGaAs）、硫化铅探测器(PbS)
中波红外（3~5 μm） 锑化铟（InSb）、碲镉汞探测器（HgCdTe）
长波红外、热红外（8~14 μm） 碲镉汞探测器（HgCdTe）
远红外（16 μm以上） 量子阱探测器(QWIP)

光子探测器与热探测器相比较，由于其探测的基本原理属于所谓的“量子型”的，器件对红外的敏感度优值（称为探测率）比较高，通常被用于需要高灵敏探测的仪器中。前文所述的风云系列红外遥感仪器中，红外探测器多采用了碲镉汞红外探测器。不过，光子探测器，尤其是中、长波红外探测器，通常要求工作于深低温，所以一般要采用制冷机或者液氮将他们的工作温度降到零下190℃左右，这给一般应用增加了一些麻烦。
但是，光子探测器具有响应速度快的特点，它的响应时间一般在微秒或纳秒的数量级，因此一些快速测量的场合，只能采用光子型探测器。譬如，随着我国铁路系统火车不断提速，列车轴温测量红外系统的探测器已经从原来的热探测器逐渐更换为半导体致冷的光子型红外探测器，其原因就是原有的热探测器的毫秒级的响应时间已经来不及测量靠得较近的两个火车轮轴的温度。

随着应用的发展以及探测器的研究开展，目前的红外探测器已经从单元的器件朝着多元面阵发展，美国等发达国家已经研制出了2048×2048元（400万像素）的红外面阵器件，这样的面阵器件非常类似于大家熟知的数码相机中的CMOS或CCD传感器，由于这类器件工作是一般安放在成像透镜的焦面上，所以它们又被叫做红外焦平面器件（IRFPA）。另外，科学家们也在研究利用一只器件同时探测不同波段的红外信号，若与可见光器件做个类比，也就是红外的“彩色CCD”。随着红外焦平面技术的发展，或许不久的将来，我们会从电器店买到方便、实用的红外彩色照相机，有了它，即使伸手不见五指的黑夜里，也可以看到活动的人和动物。

总之，我们坚信，虽然红外技术最初的发展得益于战争的需要，但是一种拓宽人们感知世界能力的技术，势必将为人类做出更多的贡献。