西元1800年初期，赫胥尔爵士（Sr. W. Herschel﹐注）正设法制一保护片，使他在观测太阳时不致损及眼睛，此举使他发现了红外光。当时的感觉是，滤光片虽能减低大量的光，唯皮肤感受的热似乎仍然存在。这使他假设光与热是不同的，在可见光谱外必有些「看不到的光」，因此他重复了牛顿在百年前做的分光实验。如图一所示，当温度计的位置往红光方向移动时，其指示的平衡温度即愈来愈高，而且在红外光以外肉眼看不到的区域仍然不止其势。赫胥尔当时结论红光外为一「暗热」谱域。由于忙于天文观测，他并未就此重视，仅于前后二年间发表了三篇有关红外光之论文。其中有一篇内容是五十几种物质，包括玻璃、晶体、酒等等，对于红外光的穿透特性。
此后，许多学者即继续赫胥尔的研究，皆不外改进红外光测量的灵敏度与速度，以及红外光物理的探讨。有人曾制作更小的温度计，使灵敏度由16分钟、0.5℃改进到很快便可量到0.l℃的精确值。1823年席贝克（T. J. Seebeck）发现热电偶效应以后，即被诺毕里（Nobili）应用为红外光的量度。1833年米隆尼（Melloni）将数个热电偶串联成热电堆（thermopile），增加了40倍的灵敏度，并用此侦测到30呎外的人体辐射热。1840年赫胥尔（J.Herschel）制作了蒸发油膜，并以此获得一热影像图，是近代热影像技术的始源。1843年贝克勒尔（A.Becquerel）发现红外光之磷光物质，可将红外光或热转变成可见光。1883年亚伯尼（W. Abney）制作了红外光底片，获得1.3微米（µｍ）波长以内的影像。兰格雷（S.P. Langley）在同时期制成现时仍沿用的辐射计（bolometer），他与亚伯特（C. G. Abbot）在1901年曾利用改进的辐射计测得1/4哩外的牛只体温。1917年，凯斯（Case）第一次以硫化亚铊（Tl2S）制成光电导侦测器，此为近代量子侦测器的开端。此种由束缚的价电子将射入之光子吸收而解脱成自由电子，因而增加导电电荷及电路电流的光－电直接转换，效率十分高，可获得极灵敏的红外光侦测功能。
除了侦测器的发展以外，红外光物性的量度亦同时进展着。1850年以前，对于热是否与光一样为辐射波的形式，一直无法定论。但1847年，佛考特（J. B. L. Foucault）与费里奥（A. H. L. Fizeau）曾测到1.5微米波长的范围。1880年居里（P.Curie）测至7微米区。1897年罗门（Ruben）则测至20微米区，其后与尼寇尔斯（E. F. Nichols）在1898年更延伸至150微米的波长，几临1,000微米的微波边界。1883年米隆尼曾发表一系列的论文，讨论有关光学材料的透明性质。他发现岩盐对于红外光有极优良的透明度，就用此材料做透镜与棱镜施于红外光谱的量度，奠定了近代红外光谱学的基础。米隆尼甚至还曾定量太阳之辐射，1839年时，他曾判断日光辐射中，波长的变化是由透过大气层时，其中的水分子吸收所致。其后兰格雷等人继续求证各吸收谱带的不同吸收分子，并延伸到微波边界。
1900年代，大家开始注意到红外光应用的开发，如红外光谱分析、辐射计量与标准，星球表面温度量度，以及红外光医疗等等。柯伯壬兹（W. W. Coblentz）曾自1903年起致力于此先驱工作，凡四十年而不断。第一次世界大战时，军事用途的红外光技术开始出现，其中如红外光通讯、红外光搜索，在当时已能侦测一哩外的飞机或千呎外的人员了。
第二次世界大战时，红外光技术进展甚速。德国科学家曾发现低温冷却可使量子侦测器变得更加敏感。战前此种侦测器与影像管本已开始发展，由于夜间作战的需要，此种红外光夜视器更引起军方相当大的兴趣。德军曾将发展的系统用于1941～1943年间的北非坦克战中，以及1944年东部阵线的夜间作战，十分有效。美国方面发展较缓，1945年琉球登陆战中，美军曾配备夜视镜（sniperscope），可在无光下射击75码外的目标。日本由于德国的影响，曾尝试发展这种技术，但未完成前战争即已结束。
战后，军方更大力支持此等深具潜力的技术发展。1950年代美国政府公布了响尾式的热追踪飞弹时，曾引起大众的惊奇。接着红外光侦测技术即迅速展开而应用于各方面，如自动导航及追踪、太空飞行、星球遥测、大地资源测量、癌症诊断、非破坏检验、化工控制、救难搜索、能源节约、表面温度计量等。
今日，在赫胥尔发现红外光一百八十年后，此技术不仅已极致地发展，而且其应用仍在方兴未艾中。
一般来说，红外线侦测皆以遥感（remote sensing）为之。其大致的原理（见图二）有两种技术：主动式与被动式。前者乃由侦测系统发射一编码式的雷射光或其他特殊红外光波，经射达目标后，部分反射回侦测器来完成侦测之作用。后者则利用被测物本身自然放射的光来作用，因此必须先透彻了解其辐射光的谱性。两种中以前者技术较简单而且可靠，但仅能适于短距离侦察。后者若能知其谱性，其将无所遁逃，且效能几无所弗趋，可谓「千里眼」。
不管何者，系统本身包含五要素，即发光源的特性、大气层的透光性质、光文技术、红外光侦测技术，以及电子信号处理技术。由于侦察之功能为五种要素相乘之效，因此，优良的红外光系统必将此五种要素涉及的科学与技术极致发挥。兹分述如下：
一﹑光源特性
（一）黑体辐射源
1900年12月14日，蒲朗克发表了著名的「黑体辐射定律」，启发了近代的量子理论，其式如下﹕
（l）
意谓一完全效率的辐射体（即所谓黑体），其谱辐射功率Wλ乃为辐射之波长与该物之绝对温度的函数，式中C1与C2为二永恒常数。其分布如图三所示，由图中可看出辐射体之温度愈高，辐射波愈往紫外光方向偏移，而温度低则往红外光移动，其辐射总强度且同时减少。总强度与温度之关系可由（l）式对所有波长积分（求和）获得，即
W=σT4（瓦／平方公分） （2）
此式称为「史蒂芬—波兹曼定律」，其中σ＝5.67×10-12瓦／公分2,K4为史—波常数，可见一物温度愈高愈易被测。另外，如图中虚线所示之最高峰值的曲线乃由「芬式位移定律」归范，即
（3）
意谓在绝对温度T之黑体，其最大辐射之波长与温度互成反比关系。举一例，若人体表皮之温度为27℃，亦即300K，则人体最强的辐射波应在2898÷300＝9.66微米处，并且，每平方公分之辐射能据（2）式应为0.046瓦。若以人面部平均为200平方公分，则人面部总辐射功率应为9.2瓦。这些能量包括各种波长的电磁波，但绝大部分皆为不可见的红外光。又以波音707式喷射机为例，其引擎尾管的温度在550℃上下，故所发出的最强烈波长应在3.5微米处，同时其单引擎的辐射亮度高达约每立体弧度2000瓦。当然，其中大部分仍在红外光区域，约有27％在3.2～4.8微米间。若以此值计，该引擎射达32公里外的照度约为2×10-10瓦／平方公分，即每平方公分上受五十亿分之一瓦的光能。即使热量不散的话，以此照射一克的水，需158年方能令其升高l℃。但这个数值在今日灵敏的侦测器是不难侦察到的。上述的结论是，凡有温度的东西必放射特殊之电磁波，因之可利用为侦测之目标。即使在寒冷虚无的太空，我们已测出它的温度为3.5K（－269.5℃），因此绝非完全「暗然无光」。
黑体辐射乃是一理想状况，与其类似而不如者称为灰体。其辐射乃在（1）、（2）二式中各乘以一放射系数 ，此数为波长函数。设计良好的灰体，其 有趋近于1者。人的皮肤在2微米以上的波长下，不管黑、白、红、黄皆十分接近黑体，亦因此容易调节体温。又根据克希荷夫定律，良好的辐射必为良好的吸收体，亦即不良之反射体；反之亦可类推。雪在可见光谱区耀眼洁白，可知为不良的辐射体，其 值接近于零，自身发射很少的可见光波。但水在远红外光谱区，却相当的「黑」，是很有效率地在发射红外光波。故吾人必不可以肉眼所见而遽下判断。大家都知道，响尾蛇是利用它的舌尖来「观察」外界的红外光景物的，人却无法。
（二）选择性辐射源
灰体的波长分布是一连续性，受蒲朗克定律限制者。但在一般气体甚或液体的辐射中，常呈不连续的谱线或谱带的波长分布状。我们可由本生灯的燃烧辐射光谱（见图四）了解。这些谱律的结构是由燃烧气体中所含的原子或分子所造成，可说是它们的指印。其中2.7微米峰值主要由水分子造成，而4.4微米峰值由二氧化碳的气体造成。这些看似不遵照黑体辐射的放射光谱，一则可利用为光谱分析化学原理，或为大地资源遥测的方法，一则可做被追踪物的光源，而达到侦测目的。例如，当一喷射机飞行时，即大量喷出含水分及二氧化碳的废气，当一追踪体由前面或侧面趋近时，将无法看到上述喷射尾管的高温灰体辐射，但却可见到喷出的广大气体辐射，此时可就2.7或4.4微米的波长侦测，而达到追踪的目的。若利用滤光器将其他杂光去除而仅留其一波长，则更可获得优良的信号一杂音比，而不致错误地判别目标。有些主动侦测系统以雷射光当发射光源，由于其波长分布极为狭小，若以精密的滤光器仅滤此狭小的雷射光谱线时，则任何的杂光绝大部分将无法到达侦测器面，因而绝少引起错误的目标辨别。
（三）背景杂光
即使全然无反射光波，被测物所处的背景空间亦绝非暗然无光的。我们可视这背景为其温度下的黑体辐射体，故必有部分的光波射达侦测系统，并与目标光一起被接收。假如这些背景光的强度超过目标光者，或是其谱性与之无法区分，则侦测系统将无法查出目标的方位而处于「盲状」。这就好象我们朝太阳看一物，或如在丛林中搜查一穿绿服者一般，不是能见度不良就是对比不足；这些不是侦测所需的杂光引发了侦测器上电信号的杂音（noise）。图五是海面上一艘船的影像，右图以远红外线观看比左图有更优良的对比，很容易由电子系统检出。背景的红外杂光较少是红外光侦测的另一优点。如上述，即使在黑暗的太空，仍有3.5K的黑体辐射。若在吾人的常温环境，则为约300K的黑体辐射了。它无所不在，因此便无法去除。不管侦测系统本身如何优良，背景杂光便成了系统侦测度的极限，我们称之为「背景极限侦测度」。
二﹑大气透光性
空气并不是如我们肉眼所见一般的透澈状，若将其穿透性在光谱上展开来看，我们即可见到复杂的穿透率曲线（见图六），在0.75～3微米，3～6微米以及6～15微米间显然各有一群「光窗」（window）存在。因此亦就分别被区别为近红外光区、中红外光区以及远红外光区。在15微米以上至微波的1,000微米边缘则绝大部分不透明，称其为极远红外光。故此部分的应用在地面上极少，但在无大气的太空中却有用，如作为星球量度方面。由图六曲线可以了解，大气对某些波长的光有时比可见光更为透明。我们若要做红外光遥测，则必须利用上述的任一光窗部分方才有效。以「死光」为例，就极可能是二氧化碳雷射所激射的10.6微米光波，因为在这波长空气吸收率十分小，故可历远不衰。若观察图七更可了解红外光遥测的另一好处了，图中横轴代表0.65微米之红光「能见度」，纵轴则代表同状况下另外不同波长的「能见度」，可知该红光能见度1公里时，10.6微米光可达约6公里，而可见光在3公里时，此红外光则更超过30公里。看得愈远，其效愈显。由图上观之，似乎波长愈大，效果愈良好。由于图六曲线的衰减部分乃空气分子所造成，因此该曲线仅为一般的状况，真正的穿透率细节须视环境状况，如湿度与污染的程度、测量的解析力以及其他许多因素而定。一般以水分子之吸收影响最大，因此与高度十分有关。在海平面由于海水的蒸发，情形最厉，但在40,000呎的同温层以上时，水分几乎不存在，影响就可以忽略了。不过在此同时，臭氧层的吸收就愈来愈重要。
三﹑光文技术
辐射光到达侦测系统时，一般并不直截了当地照射于侦测器面上。为了增加照度及聚焦，须增加一可透红外光的透镜系统。为了减少背景杂光，则须增加一抗反射的滤光片，用来遏止不需要的杂光，并让所需的光「侧身而过」，如此可增加目标与背景的对比。又为了避免侦测器与其后系统所引起的自身内部杂音，另须增加一切光器（reticle 或 chopper）于透镜前或后，使透达侦测器的光能以一预知的编码被接受，而后能与上述的无定形内部杂音利用电子滤波器区分，并被检出。此种切光器通常又能完成目标方位的测定以及其他作用，简单例子可由图八了解。其中所示的圆盘白色部分可以透光，黑色部分则否，圆盘以一定速旋转，当黑白界线到达水平位置时，可利用盘缘的电磁装置（未示出）测知此参考时间。以后当旋转至目标光影被遮着时，计出其与参考时间的时差，再乘以切光盘的转速，即可获取目标物的方位角δ，较复杂的切光器亦可将目标的径向坐标测出。又此经切光盘调变的特殊频率，如图右示者，可以利用电子滤波器由其他杂音中抽出。遥测中做「点光源侦察」比「影像侦察」在光文部分简易许多，后者须对摄取面做电视映像般的扫描动作，而且透镜系统、焦聚面与解像力更形重要。
光文部分与下述红外光侦测器皆涉及深奥理论与技术经验，且极不易获得进步的资料，为红外光遥测系统中最重要的两部分。
四﹑红外光侦测器
侦测器之于侦测系统就如眼睛之于人一般，其重要性不言而喻。简单地说，它乃是一种将光能直接或间接转变成电能，而能以电子方式继续作信号处理的变能器（transducer），又俗称「电眼」。对于红外光而言，灵敏性的电眼不容易制作。由于大部分涉及军事用途的关系，技术的细节不易为外人所知。一般而言，红外光侦测器分光电型（又称量子型）与热型两类。分述如下：
（一）光电型侦测元件
为半导体材料所构成。如图九中1所示，当光子射入材料内时，与晶体内受晶格电位束缚的价带电子碰撞而被其吸收，后者同时被激发成自由电子，并造成一电洞，二者皆可导电，因而引致电路电流的变化，此种感应形式称为光电导型（photoconductive type﹐简 pc）。若以介面二极体的结构为之，则在受光后亦可在电路上感应一电压，此种型式称为光电压型（photovoltaic type﹐简 pv）。其工作原理有若一般的硅太阳电池，祇是太阳电池的设计在强调最佳的能量效率，而侦测器则注重最高的电压感应效率。光电压与光电导两者比较，以前者较灵敏，但多了一层介面制作的困难步骤。由于为半导体材料之关系，此类侦测器受爱因斯坦关系式的限制，其最高敏感波长（又称截止波长）λc为
λc（微米）＝1.24÷Eg（电子伏特）
其中之Eg为半导体材料之能隙值。广用于积体电路的硅晶，其能隙值为1.1电子伏特，故以之为侦测器，最高祇能测达1.15微米之近红外光而已。若须测至更大波长，可利用硅晶渗入微量铜元素，而引起外质光电效应来达成，如图九中2所示者，但此法较不广用。其他的方法可利用改变半导体材料来达成目的，例如，用硫化铅晶体为之，可测至3.5微米；用锑化铟可至6.9微米；用碲化镉汞齐则视镉汞齐之成分比例，可延伸到微波以上。这些材料的晶体都不容易制作，而制成侦测元件更难。美国Honeywell公司出售的碲化镉汞齐侦测元件，次级品一粒价格在万元美金上下，尚须美国政府之批准方能进口。不过据说，美国货并不一定最好。
（二）热型侦测元件
包括许多种不同型式的间接能量转换装置。其大致的原理如图十所示。一般皆须在敏感材料上的受光处，敷以吸收系数近于1的类黑体薄膜，使热线（红外光）到达时能有最大效率的吸收。此吸收促使材料之温度上升，继而引起效应，引致电阻变化者称「热敏阻体」（thermistor），致电动势产生者称「热电偶」（thermal couple），致极化电荷改变者称「焦电体」（pyroelectric），致体积变化因而改变电容值者称「高勒池」（Golay cell）等等。这些效应都可直接或间接改变成电压，然后予以放大输出。不管何者，材料效应的温度系数必是愈大愈灵。而且由于热容量的关系，元件的体积愈小，愈能引致大温度的变化。更同时要设法使吸收之热不中途散失，而减低升温之效。
上面曾提及最高的侦测度为「背景极限」，因之，一侦测器在某环境覆盖下，绝不可能超过该环境温度的黑体辐射所造成的「背景极限值」。图十一显示各种侦测器在约1965年时期的技术状况，虚线为常温27℃下的光电导与光电压的极限值。我们可看出当时许多侦测器已做到近乎完善的地步，如光电压锑化铟5.2微米之值已临极限数分之一而已。今日距当时已过了十五年，许多侦测器都更加改进。例如，焦电元件已由当时刚发展未久的108之值，跃到近期已公布的约1010之值。（未公布的未知）同时新近集中发展的碲化镉汞齐，当时则尚未出现，现亦发展得十分良好。
光电型的红外光侦测器十分灵敏，但制作十分不易，价格昂贵，且使用时皆须备于极低温下。如铜渗之锗半导体元件，甚至须在液态氮的超低温使用，十分不便。若要在随机待命之飞行器上使用，必须自备液氮产生系统，更加麻烦。而热型侦测器感度较差，但却可于常温应用，容易制作，价格较廉，并且没有如光电型者有波长限制，适合各种大量使用而不求极高度精密的用途。
最近，红外线侦测器盛行开发马赛克（行列）式结构的积体侦测片，以为应用于「热影像」处理的电子扫描方面，因为如此可免去机械扫描的麻烦。
图十二显示一硫化铅光电侦测器以供读者参考。
五﹑电子信号处理
此步骤在获取最佳的信号-杂音比、方位测定、图像重组、伺服控制，以及其他特殊目的。本部分所含的技术知识较为公开，故较容易。但个案设计时，所面临的许多一般问题，如处理时间、图形识别技术等等，皆需要相当多的经验与知识配合，故亦不能等闲视之。
对于一侦测系统而言，上述五个要素无法完全独立，两者之间的介面匹配问题互相牵连着，在整体的考虑中，常需截此长以补彼短，来获得最佳的设计。
图十三为瑞典AGA公司出产的红外线热像仪的结构。目标光首先经球面镜1反射至纵向扫描镜2，然后达到一硅材八面棱镜4上，通过此棱镜后，再经一锗晶体制的凸透镜，再经面镜3，反射通过另一锗晶透镜，最后聚焦于一液态氮容器7下冷却的锑化铟光电侦测器面上，使该器输出一与光能成正比的感应电压，以供电子信号处理。锗晶透镜不仅可做聚焦用，同时可作红外线之滤光器。由于光学几何的关系，仅有摄取面上的一点光线能够达到侦测器面。此点坐标随扫描镜2与八面棱镜的姿势而变。当镜2以每秒16次之前后鞠躬时，侦测系统即对摄取面作每秒16次之上下扫描。而当八面棱镜作每秒200周次转动时，即有8×200＝1600次的水平扫描。因此，上述动作可获每秒16张的影像，每张水平扫描线共有100条，影像约为一般电视（256条）的一半清晰度。若将棱镜转快则可获得更清晰之图片，但系统其他部门须一道配合。上述两镜子的机械扫描动作，必须以伺服马达及精密机件同步控制，否则即会影响影像的解析力。将输出之电信号同步重组于萤光幕上，我们即可看到肉眼无法看到的红外光影像了。就另一观点而言，这个影像乃是摄取物表面的温度分布状况，称为热影像。
图十四之中间图为左图一变压器的热影像。在巧妙的电子信号处理下，我们亦可看出其10℃时的等温线（如右图）。
在了解了红外光侦测的一般原理以后，我们介绍一下这种奥妙的技术的一般用途。
一﹑科学方面
有卫星气象预测，地球资源调查如石油探勘、农作状况估量等，星球量度，火山研究，污染侦查，森林防火，太空航行控制，生态监视以及磁场量度等等。图十五为「经济部遥感探测技术发展策划小组」所绘的一张地面农作的情况，利用不同的红外光波长，可将各种不同品质的水稻以及其他作物分辨出来，甚至可了解其成长状况，作为收成之预测、病虫害防测等。
二﹑医学方面
可作癌症判断，烫伤患部诊断，周边脉管疾病分析，关节炎检查，盲肠炎诊断，红外线物理治疗等等。图十六左图显示一病患左乳部的温度异常，她拒绝接受手术，右图为二年后的状况，癌细胞已蔓延。此种诊断并不能保证百分之百正确，但是可增加其他方法诊断的正确性，同时不仅迅速而且可免切片检查的痛苦，为预防的好方法。
三﹑工业方面
非破坏性检验如电厂设备检查，热管及油槽裂缝检查等等。图十七示一输配电设备，右图之箭头指出最后一个磁碍子端点部过热，有破坏之虞。其他如表面温度计量，应用在冶金之热处理，流体力学，热传导研究，建筑物保温监查，化工厂程序控制，积体电路元件设计，红外线通讯等各方面，不胜枚举。图十八为可见光及红外光下的两张照片，下图中显示一积体电路工作时，内部温度的分布。由于半导体元件对温度十分敏感，元件温度的分布状况在设计上就变成十分重要了。以热影像分析十分方便。
四﹑军事方面
如追踪，自动导航，卫星监视，光达测距，搜索，雷射导引航行，武器，载具、人员侦查，燃烧、破坏研判，毒气分析，夜间驾驶以及其他等等。图十九示灌木林中一人物之可见光与红外光的照片，优劣十分明显。
五﹑其他方面
如救难搜索（图二十），盲人引路，防盗，防火等等，无法一一详述。
红外线侦测技术的优点在于：一﹑人或物皆自身放射红外光，其光谱各有特色，容易侦查及判别。二、空气对于某些红外光甚至比可见光更加透明，因此这些光「能见度」高，无远弗趋。三﹑阳光之下，红外光的成分是较少的，因此，选择目标的红外光辐射作侦查，其与背景之对比可较强烈，百无一失。当然此种技术决非万能，不良天气对红外光侦查就是致命伤之一。红外光的现象与侦测技术对一般人就如同魔术一般迷惑，但对科学家、工程师而言，却是揭开万象之谜与施惠于人类社会之钥，这亦是赫胥尔当初无法料想到的。
后语
笔者十分感谢交大半导体实验室的杨月娇与徐台凤两位绘图与打字的烦劳。亦感谢科学月刊社长卢志远教授所提供的许多资料，更感谢AGA台湾代理新加股份有限公司严才澄先生提供许多宝贵资料，方使得本篇能有少许内容可言。希望这篇概述能引起读者的兴趣与注意，因为红外光侦测术在不久的未来必广泛地被应用，施惠人类，而不是仅少数人知的魔术。
注：赫胥尔爵士为英国皇家天文协会会员，因发现天王星而闻名。他原为德国人，因厌恶当时欧陆战争不停而移居英格兰。始以音乐为生，后为天文所迷，终生致力不移。其子约翰（J. Herschel）受父相传，亦为闻名之天文学家。
谢正雄现任教于交通大学电子研究所。
摘自:http://library.ccut.edu.tw/sct/content/1981/00020134/0007.htm
