紅外線

紅外線

紅外線是太陽光線中眾多不可見光線中的一種,由英國科學家赫歇爾於1800年發現,又稱為紅外熱輻射,太陽光譜[光學頻譜]中,紅光的外側必定存在看不見的光線,這就是紅外線。也可以當作傳輸之媒界。太陽光譜上紅外線的波長大於可見光線,波長為0.75~1000μm。紅外線可分為三部分,即近紅外線,波長為0.75~1.50μm之間;中紅外線,波長為1.50~6.0μm之間;遠紅外線,波長為6.0~l000μm之間。

基本信息

基本概念

太陽光譜

紅外線紅外線

紅外線是波長介乎微波與可見光之間的電磁波,波長在760納米至1毫米之間,是波長比紅光長的非可見光。覆蓋室溫下物體所發出的熱輻射的波段。透過雲霧能力比可見光強。在通訊、探測、醫療、軍事等方面有廣泛的用途。俗稱紅外光。

醫用治療紅外線主要為近紅外線(NIR,IR-ADIN)、短波紅外線(SWIR,IR-BDIN)、中波長紅外線(MWIR,IR-CDIN)、長波長紅外線(LWIR,IR-CDIN)。[1]近紅外線或稱短波紅外線,波長0.76~1.5微米,穿入人體組織較深,約5~10毫米;遠紅外線或稱長波紅外線,波長1.5~400微米,多被表層皮膚吸收,穿透組織深度小於2毫米。

紅外大氣視窗

近紅外線|(NearInfra-red,NIR)|700~2,000nm|0.7~2MICRON
中紅外線|(MiddleInfra-red,MIR)|3,000~5,000nm|3~5MICRON
遠紅外線|(FarInfra-red,FIR)|8,000~14,000nm|8~14MICRON

與光線

關係

光線是一種輻射電磁波,其波長分布自300nm(紫外線)到14,000nm(遠紅外線)。不過以人類的經驗而言,“光域”通常指的是肉眼可見的光波域,即是從400nm(紫)到700nm(紅)可以被人類眼睛感覺得到的範圍,一般稱為“可見光域”(Visible)。由於近代科技的發達,人類利用各種“介質”(特殊材質的感應器),把感覺範圍從“可見光”部份向兩端擴充,最低可達到0.08~0.1nm(X光,0.8~1Å),最高可達10,000nm(遠紅外線,熱像範圍)。

紅外線輻射源可區分為四部分:

白熾發光區(Actinicrange):或稱“光化反應區”,由白熾物體產生的射線,自可見光域到紅外域。如燈泡(鎢絲燈,TUNGSTENFILAMENTLAMP),太陽。
熱體輻射區(Hot-objectrange):由非白熾物體產生的熱射線,如電熨斗及其它的電熱器等,平均溫度約在400℃左右。
發熱傳導區(Calorificrange)由滾沸的熱水或熱蒸汽管產生的熱射線。平均溫度低於200℃,此區域又稱為“非光化反應區”(Non-actinic)。
溫體輻射區(Warmrange):由人體、動物或地熱等所產生的熱射線,平均溫度約為40℃左右。

演化方向

站在照相與攝影技術的觀點來看感光特性:光波的能量與感光材料的敏感度是造成感光最主要的因素。波長愈長,能量愈弱,即紅外線的能量要比可見光低,比紫外線更低。但是高能量波所必須面對的另一個難題就是:能量愈高穿透力愈強,無法形成反射波使感光材料擷取影像,例如X光,就必須在被照物體的背後取像。因此,攝影術就必須往長波長的方向——“近紅外線”部份發展。以造影為目標的近紅外線攝影術,隨著化學與電子科技的進展,演化出下列三個方向:
近紅外線底片:以波長700nm~900nm的近紅外線為主要感應範圍,利用加入特殊染料的乳劑產生光化學反應,使此一波域的光變化轉為化學變化形成影像。
近紅外線電子感光材料:以波長700nm~2,000nm的近紅外線為主要感應範圍,它是利用以矽為主的化合物晶體產生光電反應,形成電子影像。
中、遠紅外線熱像感應材料:以波長3,000nm~14,000nm的中紅外線及遠紅外線為主要感應範圍,利用特殊的感應器及冷卻技術,形成電子影像。

發現波長

公元1666年牛頓發現光譜並測量出3,900埃~7,600埃(400nm~700nm)是可見光的波長。1800年4月24日英國倫敦皇家學會(ROYALSOCIETY)的威廉·赫歇爾發表太陽光在可見光譜的紅光之外還有一種不可見的延伸光譜,具有熱效應。他所使用的方法很簡單,用一支溫度計測量經過稜鏡分光後的各色光線溫度,由紫到紅,發現溫度逐漸增加,可是當溫度計放到紅光以外的部分,溫度仍持續上升,因而斷定有紅外線的存在。在紫外線的部分也做同樣的測試,但溫度並沒有增高的反應。紫外線是1801年由RITTER用氯化銀(Silverchloride)感光劑所發現的。底片所能感應的近紅外線波長是肉眼所能看見光線波長的兩倍,用底片可以記錄到的波長上限是13,500埃,如果再加上其它特殊的設備,則最高可以達到20,000埃,再往上就必須用物理儀器偵測了。

特點測試

紅外線波長較長,(無線電、微波、紅外線、可見光。波長按由長到短順序),給人的感覺是熱的感覺,產生的效應是熱效應,那么紅外線在穿透的過程中穿透達到的範圍是在一個什麼樣的層次?如果紅外線能穿透到原子、分子內部,那么會引起原子、分子的膨大而導致原子、分子的解體。真的是這樣嗎?而事實上呢?紅外線頻率較低,能量不夠,遠遠達不到原子、分子解體的效果。因此,紅外線只能穿透了原子分子的間隙中,而不能穿透到原子、分子的內部,由於紅外線只能穿透到原子、分子的間隙,會使原子、分子的振動加快、間距拉大,即增加熱運動能量,從巨觀上看,物質在融化、在沸騰、在汽化,但物質的本質(原子、分子本身)並沒有發生改變,這就是紅外線的熱效應。

因此我們可以利用紅外線的這種激發機制來燒烤食物,使有機高分子發生變性,但不能利用紅外線產生光電效應,更不能使原子核內部發生改變。

同樣的道理,我們不能用無線電波來燒烤食物,無線電波的波長實在太長無法穿透到有機高分子間隙更不用說使其變性達到食物烤熟的目的。

通過上述我們知道:波長越短,頻率越高、能量越大的波穿透達到的範圍越大;波長越長,頻率越低、能量越小的波穿透達到的範圍越小。

輻射源區

白熾發光區

Actinicrange,又稱“光化反應區”,由白熾物體產生的射線,自可見光域到紅外域。如燈泡(鎢絲燈,TUNGSTENFILAMENTLAMP),太陽。

熱體輻射區

Hot-objectrange,由非白熾物體產生的熱射線,如電熨斗及其它的電熱器等,平均溫度約在400℃左右。
發熱傳導區
Calorificrange,由滾沸的熱水或熱蒸汽管產生的熱射線。平均溫度低於200℃,此區域又稱為“非光化反應區”(Non-actinic)。

溫體輻射區

Warmrange,由人體、動物或地熱等所產生的熱射線,平均溫度約為40℃左右。站在照相與攝影技術的觀點來看感光特性:光波的能量與感光材料的敏感度是造成感光最主要的因素。波長愈長,能量愈弱,即紅外線的能量要比可見光低,比紫外線更低。但是高能量波所必須面對的另一個難題就是:能量愈高穿透力愈強,無法形成反射波使感光材料擷取影像,例如X光,就必須在被照物體的背後取像。因此,攝影術就必須往長波長的方向——“近紅外線”部分發展。以造影為目標的近紅外線攝影術,隨著化學與電子科技的進展,演化出下列三個方向:

1.近紅外線底片:以波長700nm~900nm的近紅外線為主要感應範圍,利用加入特殊染料的乳劑產生光化學反應,使此一波域的光變化轉為化學變化形成影像。
2.近紅外線電子感光材料:以波長700nm~2,000nm的近紅外線為主要感應範圍,它是利用以矽為主的化合物晶體產生光電反應,形成電子影像。
3.中、遠紅外線熱像感應材料:以波長3,000nm~14,000nm的中紅外線及遠紅外線為主要感應範圍,利用特殊的感應器及冷卻技術,形成電子影像。

性質

物理性質

紅外線紅外線
在光譜中波長自0.76至400微米的一段稱為紅外線,紅外線是不可見光線。所有高於絕對零(-273℃)的物質都可以產生紅外線。現代物理學稱之為熱射線。醫用紅外線可分為兩類:近紅外線與遠紅外線。
近紅外線或稱短波紅外線,波長0.76~1.5微米,穿入人體組織較深,約5~10毫米;遠紅外線或稱長波紅外線,波長1.5~400微米,多被表層皮膚吸收,穿透組織深度小於2毫米。

物理特性
1.有熱效應
2.穿透雲霧的能力強

作用介紹

反射和吸收 

紅外線照射體表後,一部分被反射,另一部分被皮膚吸收。皮膚對紅外線的反射程度與色素沉著的狀況有關,用波長0.9微米的紅外線照射時,無色素沉著的皮膚反射其能量約60%;而有色素沉著的皮膚反射其能量約40%。長波紅外線(波長1.5微米以上)照射時,絕大部分被反射和為淺層皮膚組織吸收,穿透皮膚的深度僅達0.05~2毫米,因而只能作用到皮膚的表層組織;短波紅外線(波長1.5微米以內)以及紅色光的近紅外線部分透入組織最深,穿透深度可達10毫米,能直接作用到皮膚的血管、淋巴管、神經末梢及其他皮下組織。
紅外線紅斑 
足夠強度的紅外線照射皮膚時,可出現紅外線紅斑,停止照射不久紅斑即消失。大劑量紅外線多次照射皮膚時,可產生褐色大理石樣的色素沉著,這與熱作用加強了血管壁基底細胞層中黑色素細胞的色素形成有關。
治療作用 
紅外線治療作用的基礎是溫熱效應。在紅外線照射下,組織溫度升高,毛細血管擴張,血流加快,物質代謝增強,組織細胞活力及再生能力提高。紅外線治療慢性炎症時,改善血液循環,增加細胞的吞噬功能,消除腫脹,促進炎症消散。紅外線可降低神經系統的興奮性,有鎮痛、解除橫紋肌和平滑肌痙攣以及促進神經功能恢復等作用。在治療慢性感染性傷口和慢性潰瘍時,改善組織營養,消除肉芽水腫,促進肉芽生長,加快傷口癒合。紅外線照射有減少燒傷創面滲出的作用。紅外線還經常用於治療扭挫傷,促進組織腫張和血腫消散以及減輕術後粘連,促進瘢痕軟化,減輕瘢痕攣縮等。
對眼的作用 
由於眼球含有較多的液體,對紅外線吸收較強,因而一定強度的紅外線直接照射眼睛時可引起白內障。白內障的產生與短波紅外線的作用有關;波長大於1.5微米的紅外線不引起白內障。
對機體的作用 
光浴的作用因素是紅外線、可見光線和熱空氣。光浴時,可使較大面積,甚至全身出汗,從而減輕腎臟的負擔,並可改善腎臟的血液循環,有利於腎功能的恢復。光浴作用可使血紅蛋白、紅細胞、中性粒細胞、淋巴細胞、嗜酸粒細胞增加,輕度核左移;加強免疫力。局部浴可改善神經和肌肉的血液供應和營養,因而可促進其功能恢復正常。全身光浴可明顯地影響體內的代謝過程,增加全身熱調節的負擔;對植物神經系統和心血管系統也有一定影響。

套用

紅外線照射

操作
穴位照射,即單獨照射某一穴位,在反射罩前加用錐形管,以利於紅外線集中投射。用錐形管時,紅外線輻射量減弱,可令病人接近反射罩,錐形管前端距照射部位為5~10cm.
穴區照射,即以某一腧穴為中心,包括鄰近腧穴在內的某一局部,反射罩與照射部位距離40~60cm.
治療劑量應根據機體部位、病人感覺及皮膚溫度來決定。
適應症
(1)多種炎症,尤其是病程較長的慢性炎症
(2)軟組織腫脹性疾病。
(3)肌肉痙攣性疾病。
(4)一些慢性、虛寒性疾病。
注意事項
(1)在感覺障礙的區域照射要多加注意,以免因感覺遲鈍引起灼傷。
(2)嚴重的肢體血液循環障礙時,應慎用或禁用。這是由於周圍血液循環嚴重障礙時,照射的熱量很難被帶走,易於發生灼傷。局部代謝增加,使供血不足而更加缺氧,導致局部病情惡化,甚至壞死。
(3)心功能不全、惡性腫瘤、活動性肺結核、有出血性傾向或出血性疾病等不宜套用。
(4)治療過程中,若出現頭暈、噁心、欲吐、倦怠、乏力等情況,應停止治療,必要時給予對症處理。

紅外線光源

1、紅外線輻射器 

將電阻絲纏在瓷棒上,通電後電阻絲產熱,使罩在電阻絲外的碳棒溫度升高(一般不超過500℃),發射長波紅外線為主。紅外線輻射器有立地式和手提式兩種。立地式紅外線輻射器的功率可達600~1000瓦或更大。中國一些地區製成遠紅外輻射器供醫用,例如有用高矽氧為元件,製成遠紅外輻射器。
2、白熾燈 
在醫療中廣泛套用各種不同功率的白熾燈泡做為紅外線光源。燈泡內的鎢絲通電後溫度可達2000~2500℃。
白熾燈用於光療時有以下幾種形式:
立地式白熾燈:用功率為250~1000W的白熾燈泡,在反射罩間裝一金屬網,以為防護。立地式白熾燈,通常稱為太陽燈。
手提式白熾燈:用較小功率(多為200W以下)的白熾燈泡,安在一個小的反射罩內,反射罩固定在小的支架上。
3、光浴裝置 
可分局部或全身照射用二種。根據光浴箱的大小不同,在箱內安裝40~60W的燈泡6~30個不等。光浴箱呈半圓形,箱內固定燈泡的部位可加小的金屬反射罩。全身光浴箱應附溫度計,以便觀察箱內溫度,隨時調節。紅外線治療的操作方法:
1、患者取適當體位,裸露照射部位。
2、檢查照射部位對溫熱感是否正常。
3、將燈移至照射部位的上方或側方,距離一般如下:功率500W以上,燈距應在50~60cm以上;功率250~300W,燈距在30~40cm;功率200W以下,燈距在20cm左右。
4、套用局部或全身光浴時,光浴箱的兩端需用布單遮蓋。通電後3~5分鐘,應詢問患者的溫熱感是否適宜;光浴箱內的溫度應保持在40~50℃。
5、每次照射15~30分鐘,每日1~2次,15~20次為一療程。
6、治療結束時,將照射部位的汗液擦乾,患者應在室內休息10~15分鐘後方可外出。
注意事項
(1)治療時患者不得移動體位,以防止燙傷。
(2)照射過程中如有感覺過熱、心慌、頭暈等反應時,需立即告知工作人員。
(3)照射部位接近眼或光線可射及眼時,套用紗布遮蓋雙眼。
(4)患部有溫熱感覺障礙或照射新鮮的瘢痕部位、植皮部位時,套用小劑量,並密切觀察局部反應,以免發生灼傷。
(5)血循障礙部位,較明顯的毛細血管或血管擴張部位一般不用紅外線照射。
照射方式
1、不同照射方式的選擇 
紅外線照射主要用於局部治療,在個別情況下,如小兒全身紫外線照射時也可配合套用紅外線做全身照射。局部照射如需熱作用較深,則優先選用白熾燈(即太陽燈)。治療慢性風濕性關節炎可用局部光浴;治療多發性末梢神經炎可用全身光浴。
2、照射劑量
決定紅外線治療劑量的大小,主要根據病變的特點、部位、患者年齡及機體的功能狀態等。紅外線照射時患者有舒適的溫熱感,皮膚可出現淡紅色均勻的紅斑,如出現大理石狀的紅斑則為過熱表現。皮溫以不超過45℃為準,否則可致燙傷。
(一)適應症
風濕性關節炎,慢性支氣管炎,胸膜炎,慢性胃炎,慢性腸炎,神經根炎,神經炎,多發性末梢神經炎,痙攣性麻痹、弛緩性麻痹,周圍神經外傷,軟組織外傷,慢性傷口,凍傷,燒傷創面,褥瘡,慢性淋巴結炎,慢性靜脈炎,注射後硬結,術後粘連,瘢痕攣縮,產後缺乳,乳頭裂,外陰炎,慢性盆腔炎,濕疹,神經性皮炎,皮膚潰瘍等。
(二)禁忌症
有出血傾向,高熱,活動性肺結核,重度動脈硬化,閉塞性脈管炎等。
處方舉例
(1)紅外線照射雙膝關節:燈距40cm,30分鐘,每日一次,7次。適應症:慢性風濕性關節炎
(2)紅外線照射右側胸廓(下半部)燈距50cm,20分鐘,每日一次,8次。適應症:右側乾性胸膜炎
(3)太陽燈照射腰骶部:燈距40cm,20~30分鐘,每日一次,6次。適應症:腰骶神經根炎
(4)全身光浴:箱內溫度40~45℃,20~30分鐘,每日一次,8次。適應症:多發性末梢神經炎
(5)左小腿局部光浴:20~30分鐘,每日一次,8次。適應症:左側腓總神經外傷

污染問題

紅外線斯皮策紅外線太空望遠鏡視角
紅外線近年來在軍事、人造衛星以及工業、衛生、科研等方面的套用日益廣泛,因此紅外線污染問題也隨之產生。紅外線是一種熱輻射,對人體可造成高溫傷害。較強的紅外線可造成皮膚傷害,其情況與燙傷相似,最初是灼痛,然後是造成燒傷。紅外線對眼的傷害有幾種不同情況,波長為7500~13000埃的紅外線對眼角膜的透過率較高,可造成眼底視網膜的傷害。尤其是11000埃附近的紅外線,可使眼的前部介質(角膜晶體等)不受損害而直接造成眼底視網膜燒傷。波長19000埃以上的紅外線,幾乎全部被角膜吸收,會造成角膜燒傷(混濁、白斑)。波長大於14000埃的紅外線的能量絕大部分被角膜和眼內液所吸收,透不到虹膜。只是13000埃以下的紅外線才能透到虹膜,造成虹膜傷害。人眼如果長期暴露於紅外線可能引起白內障
紅外線可以人為製造,自然界中也廣泛存在,在焊接過程中也會產生,危害焊工眼部健康;一般的生物都會輻射出紅外線,體現出來的巨觀效應就是熱度。熱產生的原因,是組成物質的粒子做不規則運動,這個運動同時也輻射出電磁波,這些電磁波大部分都是紅外線。
1、太陽光到了晚上的確是幾乎沒有了,但是地球上的物質都會輻射紅外線,有的強烈有的平靜。紅外線照相是通過接收各種物質發出的紅外線,再把他們展現出來,但是其本身不是通過發出紅外線來照相的。
2、紅外線透視和夜視是分別利用了紅外線的不同性質。前面的夜視是因為人的肉眼不能看見紅外線,而特殊設計的照相機夜視儀卻專門接受紅外線,所以會出現我們覺得一片漆黑,而相機卻能拍到東西,因為實際上到處都是紅外線,對於紅外照相機和夜視儀來講是一片光明。
透視則是利用紅外線的波長比可見光要長,可以穿過一些可見光不能通過的面料(比如混棉和尼龍),所以通過一定的選擇濾波,可以得到這些面料後面的圖像

套用實例

主動式紅外夜視儀

1982年4月─6月,英國和阿根廷之間爆發馬爾維納斯群島戰爭。4月13日半夜,英軍攻擊阿根廷守軍據守的最大據點斯坦利港。3000名英軍布設的雷區,突然出現在阿軍防線前。英國的所有槍枝、火炮都配備了紅外夜視儀,能夠在黑夜中清楚地發現阿軍目標。而阿軍卻缺少夜視儀,不能發現英軍,只有被動挨打的份。在英軍火力準確的打擊下,阿軍支持不住,英軍趁機發起衝鋒。到黎明時,英軍已占領了阿軍防線上的幾個主要制高點,阿軍完全處於英軍的火力控制下。6月14日晚9時,14000名阿軍不得不向英軍投降。英軍領先紅外夜視器材贏得了一場兵力懸殊的戰鬥。
1991年海灣戰爭中,在風沙和硝煙瀰漫的戰場上,由於美軍裝備了先進的紅外夜視器材,能夠先於伊拉克軍的坦克而發現對方,並開炮射擊。而伊軍只是從美軍坦克開炮時的炮口火光上才得知大敵在前。由此可以看出紅外夜視器材在現代戰爭中的重要作用。

透視望遠鏡

就像F717晚上把夜視開啟來,再加個濾光鏡,就可以透視了,不過對全棉的衣服透視效果最差。這本來是一項有用的功能,然而很快用戶就發現這種紅外線夜視鏡片的功能不僅可套用於夜間望遠而且還可以透過人的衣服偷看到身體。而製造這種夜視附屬檔案的廠商為YAMADADENSHI,這家公司原本是為軍隊及防衛及套用生產光傳攝像頭的。

光波爐

光波爐的燒烤管由石英管或者銅管換成了鹵素管(即光波管),能夠迅速產生高溫高熱,冷卻速度也快,加熱效率更高,而且不會烤焦,從而保證食物色澤。從成本上來講,光波管成本只比銅管或者石英管增加幾元錢,所以,光波管在微波爐技術上的使用非常普遍。

國家標準

與紅外線相關的現行國家標準
GB/T4333.10-1990矽鐵化學分析方法紅外線吸收法測定碳量
GB/T11261-2006鋼鐵氧含量的測定脈衝加熱惰氣熔融-紅外線吸收法
GB/T4702.14-1988金屬鉻化學分析方法紅外線吸收法測定碳量
GB/T5059.7-1988鉬鐵化學分析方法紅外線吸收法測定碳量
GB4706.85-2008家用和類似用途電器的安全紫外線和紅外線輻射皮膚器具的特殊要求
GB/T4699.6-2008鉻鐵和矽鉻合金硫含量的測定紅外線吸收法和燃燒中和滴定法
GB/T4701.10-2008鈦鐵硫含量的測定紅外線吸收法和燃燒中和滴定法
GB/T4699.4-2008鉻鐵和矽鉻合金碳含量的測定紅外線吸收法和重量法
GB/T5686.7-2008錳鐵、錳矽合金、氮化錳鐵和金屬錳硫含量的測定紅外線吸收法和燃燒中和滴定法
GB/T7731.12-2008鎢鐵硫含量的測定紅外線吸收法和燃燒中和滴定法
GB/T3654.6-2008鈮鐵硫含量的測定燃燒碘量法、次甲基藍光度法和紅外線吸收法
GB/T5686.5-2008錳鐵、錳矽合金、氮化錳鐵和金屬錳碳含量的測定紅外線吸收法、氣體容量法、重量法和庫侖法
GB/T4702.16-2008金屬鉻硫含量的測定紅外線吸收法和燃燒中和滴定法
GB/T5059.9-2008鉬鐵硫含量的測定紅外線吸收法和燃燒碘量法
GB/T8704.3-2009釩鐵硫含量的測定紅外線吸收法及燃燒中和滴定法
GB/T8704.1-2009釩鐵碳含量的測定紅外線吸收法及氣體容量法
GB/T4701.8-2009鈦鐵碳含量的測定紅外線吸收法
GB/T24224-2009鉻礦石硫含量的測定燃燒-中和滴定法、燃燒-碘酸鉀滴定法和燃燒-紅外線吸收法
GB/T23140-2009紅外線燈泡
GB/T24583.6-2009釩氮合金硫含量的測定紅外線吸收法
GB/T24583.4-2009釩氮合金碳含量的測定紅外線吸收法
GB/T24583.7-2009釩氮合金氧含量的測定紅外線吸收法
GB/T7731.10-1988鎢鐵化學分析方法紅外線吸收法測定碳量
GB/T25930-2010紅外線氣體分析器試驗方法
GB/T25929-2010紅外線氣體分析器技術條件
GB/T13193-1991水質總有機碳(TOC)的測定非色散紅外線吸收法

電磁波分類

工頻電磁波 | 無線電波 | 紅外線 | 可見光 | 紫外線 | X射線 | γ射線

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