近紅外線影像技術[编辑]
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[隐藏]光的一般特性[编辑]
- 可見光：波長範圍在380nm到720nm之間，但因人類的眼睛對可見光中各個波長的感應度並不相同，尤其在高低界限部份的感應非常遲鈍，所以通常把可見光定義在400到700nm之間。
- 波長大於700nm以上的「紅外線」與波長短於400nm以下的「紫外線」已超出人類視覺範圍，因此技術上不該把這兩種波譜稱為「光」，須稱其為「線」。
- 人類視覺對不同波長的光有不同的感覺力，經過實驗，視覺最敏感的波長在550nm前後，屬於黃綠色光。基於這個特性，早期的各種螢光幕一律都是綠色；暗房中的安全燈是深綠色的，都是應用實例[1]。
- 眼睛是最不可靠的辨色儀器，心情、環境、背景光線、光照狀況、體能狀況等都會影響視覺。
- 光線被定義的波長範圍。關於各種色光，各方定義略有不同，本表僅供參考。
| 光色 | 波長範圍（nm） |
| 近紫外線*註2*（Ultraviolet） | 320-370 |
| 紫（Violet） | 370-410 |
| 靛藍（Indigo） | 430-480 |
| 藍（Blue） | 480-500 |
| 青（Cyan） | 500-540 |
| 綠（Green） | 540-560 |
| 黃綠（Yellowish-green） | 560-580 |
| 橙（Orange） | 580-610 |
| 紅（Red） | 610-650 |
| 暗紅（Deep red） | 650-780 |
| 近紅外線（Infra-red） | 780-1400 |
紫外線的波長範圍[编辑]
| 紫外線（Ultraviolet，UV） | 10nm～400nm |
| 超紫外線（Vacuum Ultraviolet,VUV） | 10nm～110nm |
| 中紫外線（Middle Ultraviolet,MUV） | 110nm～250nm |
| 近紫外線（Near Ultraviolet,NUV） | 250nm～400nm |
光線與"紅外線"的關係[编辑]
光線是一種輻射電磁波，其波長分佈自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-RAY, 0.8～1A），最高可達10,000nm（遠紅外線，熱成像範圍）。紅外線的波長範圍[编辑]
| 近紅外線(Near Infra-red, NIR) | 700~ 2,000nm | 0.7~2 MICRON |
| 中紅外線 (Middle Infra-red, MIR) | 3,000~ 5,000nm | 3~5 MICRON |
| 遠紅外線(Far Infra-red, FIR) | 8,000~14,000nm | 8~14 MICRON |
紅外線的發現[编辑]
1666年牛頓發現光譜並測量出3,900A～7,600A（400nm～700nm）是可見光的波長。1800年4月24日英國倫敦皇家學院（ROYAL SOCIETY）的Sir WILLIAM HERSCHEL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份，溫度仍持續上昇，因而斷定有紅外線的存在。在紫外線的部份也做同樣的測試，但溫度並沒有增高的反應。紫外線是1801年由RITTER用氯化銀（Silver chloride）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13,500A，如果再加上其它特殊的設備，則最高可以達到20,000A，再往上就必須用物理儀器偵測了。
紅外線輻射源區分[编辑]
紅外線輻射源可區分為四部份：- 白熾發光區（Actinic range）：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，TUNGSTEN FILAMENT LAMP），太陽。
- 熱體輻射區（Hot-object range）：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（Calorific range）：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（Warm range）：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。
近紅外線攝影術[编辑]
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，演化出三個方向。近紅外線底片[编辑]
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[编辑]
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[编辑]
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。近紅外線的取像原理[编辑]
近紅外線的取像係使用攝影或照相設備擷取被攝物體經由「自發」（Emits），「反射」（Reflects），「透射」（Transmits）或「激發」（Emits Luminescence， ）所產生的近紅外線光域的光波。所謂「激發」係指經由可見光光線的激發，使被照射之物質散發出近紅外線波域的「螢光」(Fluorescence)或「磷光」(Phosphorescence)來。至於「磷光」與「螢光」的差異為：「磷光」可以儲蓄光能，持續一段發光時間，而「螢光」必須在激發光不停的照射下才能發光。無論是近紅外線「螢光」或「磷光」，其產生的情況通常是使用中長波光線(如藍、綠色光)，照射該物體，而令其產生更長波的「近紅外線發光」(Infrared luminescence)。由於激發光是二次發光，本身能量有限，因此並沒有熱輻射。在技術上，為了要確定所發出的紅外光是由該物體受激發所產生而不是從光源反射出來的，通常會在光源加上藍綠色濾色片，用以過濾及純化激發光源；另外，在攝像鏡頭前加上濾除藍綠色光線的濾色片，以濾除可能從物體表面反射而來的藍綠光，使影像不會受其它色光的污染。在這裡要談的是近紅外線取像技術，它的定義是：使用近紅外線感應材料擷取被攝物體發出的有關近紅外線的訊息，而不是近紅外線對物體所造成反應的原因，也不是近紅外線對底片或其它感光材質的「反應」原因。因此本章的重點只以浮光掠影的方式交待原理，而以比較多的篇幅介紹實際的應用。
近紅外線的取像方式[编辑]
近紅外線取像方法計有兩類五種：直接[编辑]
使用對近紅外線感應之照相乳劑[编辑]
在照相乳劑中加入特殊的增感染料，使其對近紅外線感應。- 利用「赫契爾效應」（HERSCHEL EFFECT）記錄近紅外線影像。
此效應不久就被法國的BECQUEREL引伸並經實驗證實成為「潛影赫契爾效應」（LATENT HERSCHEL EFFECT）：使用一般未經染料增感之底片，使之對「短波長」光線做全面基本曝光，形成背景潛影，然後再使用「長波長」做特定形像的二次曝光，此時背景潛影會被「長波長」所破壞。
當時獲取「潛影赫契爾效應」近紅外線影像的方法是：先用未經增感的乾片進行第一次全面性平均曝光，形成全面性的均勻潛影，然後再把此乾片放進對特定近紅外線波長感應的染料溶液中進行「近紅外線增感促進浴」數分鐘，使染料充份浸透在整張乾片中，然後再進行第二次近紅外線曝光，顯影後即可獲得到所需要的近紅外線影像。至於影像的正負極性，須視使用狀況的需要在第一次曝光時調整。第二次曝光的目的與功能只是利用近紅外線波長破壞原有的背景潛影而已。
間接[编辑]
運用薄膜蒸發原理，取得近紅外線影像。此法先在感光紙張背面烤上一層燈灰（Lamp black），然後再在正面塗佈一層極薄的介質膜，此種介質的特性為不透明、高蒸氣壓、低汽化點、受熱直接昇華。影像投射在燈灰面上，形成不同程度的熱吸收量，於是在曝光後，屬近紅外線的部份視程度及強度而造成不同的汽化斑紋，由於介質膜被蒸發汽化後，變成厚薄不均，因此形成不同的連續性色調，即近紅外線影像。再用一般底片把結果記錄下來。
此法亦是JOHN HERSCHEL博士在1840年所研創。沉寂390年後才被CZERNY發揚光大，他發覺紙背的燈灰層是影響成像感光範圍極重要的關鍵。若直接用荼（Naphthalene）或樟腦（Camphor）薄層——把荼或樟腦均勻蒸著塗佈在0.1u的珂鑼玎薄膜上——曝光範圍居然可以達到60,000A的波長。
如果把荼或樟腦更換成提煉石油的中間產物（標準大氣壓力下，溫度在260℃～280℃間所產生的提煉物）則感應速度更可提高50倍。1937年CZERNY及MOLLET更創造出「蒸發成像術」（EVAPOROGRAPHY）這新字來代表這項技術，它可感光的光譜範圍為13,000A到90,000A。
蒸發成像術所用的相機，必須使用特製的近紅外線鏡頭，當時是用「岩鹽」（Rock salt，天然鹽結晶或氯化物結晶）製作。在研究過程中，經過測試能夠形成近紅外線影像的薄膜介質及其感應範圍如下表：
- 能夠形成近紅外線影像的薄膜介質及其感應範圍
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- 液態二氯甲烷 Liquid methylene chloride 21,000 A
- 氣態鹽酸 Gaseous hydrochloric acid 35,000 A
- 二氧化碳 Carbon dioxide 43,000 A
- 水蒸汽 Water vapor 63,000 A
- 糠醛或夫喃甲醛 Furfural 90,000 A
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磷光顯影法（Phosphoro-graphic method）[编辑]
此法把硫化鈣（Calcium sulphide），硫化鋅（Zinc sulphide），硫化鎘（Cadmium sulphide），鹼土硫化物（Alkaline earth sulphides），矽鋅礦（Zinc silicatex , Willemite）等磷光物質碾碎，薄薄敷於透明薄膜上（如玻璃、塑膠等）製成磷光板[2]。先對磷光板做全面性均勻之「短波長」光域照射，使全板呈螢光反應，然後再經近紅外線照射，則被近紅外線照射的部份呈磷光反應，因而產生反轉的影像，如將此磷光片與底片接觸印像（Contact printing），便可獲得近紅外線之影像。-
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- 由實驗證實，使用硫化鋅來製成的磷光板，可以攝得13,000A的影像。此法稱為「磷光顯影法」。
- 「磷光顯影法」的效果及持續時間受下列因素影響：磷光板溫度、第一次激發磷光的照射光溫度、照射時間、第二次近紅外線光照射強度及照射時間、近紅外線波長、……等。經第二次近紅外線曝光後的影像，可以降低磷光板溫度而使影像「凍結」，而提高磷光板溫度至常溫時，又可「解凍」，使螢光板重新活化。整個方法全在乎靈活的運用磷光板的磷光激發（Excitation）與磷光抑制（Extinction）。
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光電法（Electro-optical）[编辑]
從電子影像管（Electron-image tube）轉攝近紅外線影像。 利用光電原理，先讓近紅外線光學影像投映在「光陰極」上，使「光陰極」產生游離的光電子，再經過「靜電場」（Electrostatic field）轉映，使游離之光電子聚焦並撞擊在螢光屏上，還原成可見的螢光影像，然後再用照相機拍攝下來。此種光電裝置稱為「電子透鏡」（Electron lens），最常採用的「光陰極」是把銫蒸鍍在氧化銀晶質上（Caseium on silver oxide）。 這種電子影像管在二次大戰期間非常盛行，即是「近紅外線觀察鏡」或稱「近紅外線轉影器」（Infrared viewer or image converter）。近紅外線取像方式之總結[编辑]
前述的五種取像方式，由於手續繁瑣，而且各有特質，使得其使用範圍大受限，不能廣泛的當作一般性技術來應用。可是拜今日科技之賜，這些特定應用範圍的能力也更強化，操作也更為簡便，也各自有一定的使用範圍，並未隨時代的久遠而沒落。近紅外線底片攝像原理與演變[编辑]
使用底片（或感光材料、感光元件）拍攝影像，最基本的條件就是要讓底片（或元件）能夠對所拍攝的物體影像產生光化學（或光電）變化。以底片為例，在各種鹵化銀粒子中，AgCl（氯化銀）及AgI（碘化銀）的感光範圍可以從紫光波域延伸到部份的藍光波域，AgBr（溴化銀）則從紫光波域經藍光延伸到綠光波域，可是就沒有一種單純的鹵化銀粒子可以對黃光波域以上的波長感光。所以早期的暗房中，用紅燈做為安全燈。
但是，如果在AgBr中加入少量的AgI，則其感光範圍可以延伸到接近綠光的位置。直到1873年，德國的H. W. Vogel研究太陽光光譜特性時，偶然發現在鹵化銀表層中加入染料可以改變鹵化銀的感光特性，於是他做了一連串的實驗來支持他的推理。首先使用珊瑚色染料（Coralline），使感度增進到黃光的範圍，接著使用綠色的苯氨染料（Green aniline dye）使感光乳劑可以對紅光感應。從此，染料成為照相技術的研究主題。
不過加入特定染料後的感光乳劑只對鹵化銀本身感應的光域及染料的對比色光域產生感應，其他的範圍仍然不能感應。這種特性對特定波長記錄感光最為有用，但是要想使底片對全部可見光感應，就需要大費周章了。直到1930年代初期，才有「正色片」（Ortho chromatic & Isochromatic）問世。
至於對近紅外線感應的研究，在1891年Higgs使用二硫化合物（Bisulfite compound--Alizarine blue），感應到深紅及近紅外線的光線，及1900年LEHMANN使用Alizarine blue加上Nigrosine等物質，感應到9,000A的光譜範圍。其後又有許多人嚐試過多種其他染料，直到1919年Dicyanine的發現才進入穩定情況，並可感應到10,000A以上，但它的缺點是製作手續複雜且乾片的保存困難。
1919年華盛頓「化學局」（BUREAU OF CHEMISTRY）發現新的染料，叫（Krypto cyanine），具有穩定的特性，可以在調製乳劑時加入，感應範圍在7,000～8,000A之間，終於成為可以量產的商品。
更進一步的結果是1925年由柯達公司的H. T. CLARKE發現的Neocyanine，感應範圍由6,500～9,000A之間，如果加上氫氣處理，可以達到10,000A。
第一次世界大戰期間（1931－1935），為了進行空中偵查敵方兵力佈署情形，對近紅外線感應劑的研究更是密集，而有Tricarbocyanine的發現，其感應光譜高達11,000A；Xenocyanine可到12,000A；以及1934年的Tetra-, Penta- carbocyanine可到13,000A（其最高測試光譜是13,600A）。
為何對13,500A以上的近紅外線照相未繼續發展下去？原因是：
- 大氣中的水汽對近紅外線波長在14,000A～15,000A間的吸收力最強，故受限制。
- 15,000A以上的感光材料，不易保管及處理，室溫、體溫等各種熱體幅射都會在底片上造成陰翳（Fog）而降低了解析度，甚至破壞影像的完整性。而且在這個波長以上的，已屬於熱像範圍。
註解[编辑]
| 完全解密『脈衝光』 | |||
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完全解密『脈衝光』
★脈衝光 波長寬 能量低
脈衝光並不能稱為雷射機種，因為脈衝光是利用波長550nm到1200nm之間的寬頻波段來照射皮膚，皮膚的不同問題會本就只能吸收某部份波長，由於這麼大範圍的波長，不同的皮膚問題可以同時獲得自己可以吸收的波長而得到改善。雖然能夠同時改善多種問題但因為能量低所以往往不能完全解決，可是因此相對於雷射具有不會結痂、不會反黑的吸引人優點。
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