揭密不可見光：淺談您所看不見的紅外線世界

從紅外線輻射基礎到尖端成像系統，深入軍工醫學領域應用
 

紅外線 (IR) 輻射

在日常生活中，我們會接觸到許多不同形式的電磁輻射，可見光、紫外光、無線電波和 X 光都是電磁輻射的例子，它們之間僅有波長的差異；紅外線輻射則佔據了電磁波譜中介於可見光和微波之間的區域，下圖顯示了電磁波譜的主要區段，以及波譜中的一些特定特徵。
 

圖 1. 電磁波譜
 

所有物體都會因其溫度而持續發出紅外線輻射，當物體溫度升高時，它會發出更強的紅外線輻射，且輻射的波長更短。在中等溫度（華氏 200 度以上）下，輻射強度足以讓人體偵測到熱量；而在夠高的溫度（華氏 1200 度以上）下，輻射強度夠高且波長夠短，使得輻射跨越可見光譜紅光端的門檻，這就是為什麼熱鋼會發出紅光的原因。當物體溫度更高時（例如，燈泡的鎢絲在華氏 5000 度時），輻射強度會更高（也就是說，它會發出更亮的光），且波長會更短（更偏向白色）。然而，即使在低溫下，低於可見光發射的門檻，所有物體仍會發出這種波長較長的紅外光，不同溫度的物體會發出不同波長和強度的紅外光，這些物體發出的輻射會創造出一個紅外線場景，其性質類似於可見光場景。

紅外線成像系統

人眼無法偵測到紅外光，但紅外線能量可以透過電子方式偵測。現今已有精密電子儀器可以掃描場景，並將紅外光轉換為電子訊號，這些訊號可以顯示在影像監測器上、由電腦進行分析，或記錄在底片上，從電學角度來看，這些儀器的輸出與傳統攝影機的輸出非常相似。

不同於人眼或傳統攝影機依賴反射的可見光來照亮場景中的物體，這些紅外線攝影機偵測的是場景中物體自身發出的紅外線能量，因此，紅外線攝影機在完全黑暗的環境中與在正常日光下的運作效果一樣好。

紅外線成像系統的設計會依照其預期用途來滿足不同的效能參數，軍事應用，例如飛彈導引，需要最高的準確度和可靠性；許多商業應用則需要低成本、易用性和易於維護的特性。

紅外線成像的應用幾乎是無限的，它讓您可以在夜間或穿透薄霧和煙霧看見物體，也讓您能夠以高準確度量測遠距離物體的溫度分佈。軍事應用包括：目標獲取、飛彈與武器導引、導航、偵察、監視和地形分析；商業應用則存在於許多領域：工業（工廠維護、品質控制、非破壞性檢測）、環境與科學（地球與太陽科學、污染控制、節約能源、資源開發）、醫療（乳房攝影、動脈狹窄檢測、軟組織損傷評估）和民用（執法、消防、監視、邊境巡邏）等等，僅舉幾例。

表 1 顯示了紅外線技術的廣泛應用，此表由 Richard Hudson 在其 1969 年出版的著作《Infrared System Engineering》中彙編而成，該書是廣受推崇的紅外線手冊。自該書首次出版以來，大部分的活動都集中在軍事應用；紅外線成像系統的高成本限制了其在商業應用中的使用。然而，過去幾年來，偵測器技術和相關的支援電子設備取得了重大突破，導致成像紅外線系統的成本大幅降低，這些新系統的價格現在使得 Hudson 書中所列的各種應用變得可行，為紅外線設備開闢了廣大的新市場。

表 1. 紅外線應用矩陣 (摘自 Richard D. Hudson Jr. 所著《Infrared System Engineering》，John Wiley & Sons 出版，1969 年)
 

紅外線成像系統的測試與評估

由於其複雜性，紅外線成像系統是昂貴、精密且需要高維護的設備，為了確保這些系統的正常運作並充分發揮其效能，需要頻繁的測試和校準。設計紅外線成像系統的工程師會在設計和開發階段對其進行測試，以評估效能參數並改進設計以優化效能；紅外線成像系統的製造商需要將實際效能與規格進行比較，並在交付前對系統進行校準；最終使用者必須定期測試其系統以驗證其正常運作，並且必須在工作環境中定期對其進行重新校準。

紅外線成像系統的一些重要效能特性包括空間解析度（解析精細細節的能力）、熱解析度（解析微小溫差的能力）、速度（對快速變化場景作出反應而無模糊的能力）以及動態範圍（在不飽和的情況下可觀測的溫度跨度）。目前已發展出標準測試來量化這些特性，此外，還有無數專門的測試用於評估特定需求。

紅外線測試設備

紅外線成像系統的設定、測試和校準需要使用專門的測試設備，這些測試設備用於創造具有精確已知特性的紅外線場景，將此場景投射到待測紅外線成像系統的輸入端，並評估紅外線成像系統輸出的品質。

所需測試的性質取決於紅外線成像系統的應用，顯然，用於停車場監視的攝影機的正常運作，其重要性遠低於超音速噴射戰鬥機在低空夜間作戰中所使用的紅外線導航和瞄準系統的正常運作，因此，不同的紅外線成像系統和不同的應用需要不同的測試設備。對於某些應用，可以使用現成的標準設備來適當測試成像系統；對於其他應用，則必須開發精密的客製化設備以滿足測試需求。以下將說明一些標準的紅外線測試儀器，這些儀器的圖片可在附錄的產品資訊部分找到。
 

黑體

黑體是一種經過精確表徵的紅外線輻射源，在用於測試紅外線成像系統時，黑體可用於在兩個表面之間產生精確的溫差，從而為待測紅外線成像系統的輸入提供精確的輻射對比度。一個適用於測試最先進成像系統的黑體是非常精密的儀器，其控制黑體表面溫度的解析度和穩定性可達 0.001∘C 的等級。

SBIR 4000 系列高溫黑體 -- 溫度達 600°C，短期穩定性 ±0.3°C，發射率 >0.93。具備數位精控與均勻朗伯體表面，是精密紅外校準、目標模擬、NUC 測試的理想選擇。
 

想像你需要一個超級標準的發熱體，它的溫度要非常非常準確，而且發出來的「熱輻射」（紅外線）也要很純粹、很標準，這就是「黑體」的角色。

• 標準的熱源：
  黑體就像一個經過科學家們精確校準過的「暖爐」或「發熱板」，你設定它多少度，它就會發出那個溫度該有的、不多不少的紅外線。
• 創造「溫差」給攝影機看：
  在測試紅外線攝影機（也就是熱像儀）的時候，我們會用這個黑體。例如，我們可以讓黑體表面維持在一個精確的溫度（比如 30.000∘C），然後在它前面放一個東西（比如下面提到的「目標板」），這個東西可能是室溫（比如 25.000∘C），這樣一來，黑體和那個東西之間就有了一個非常精準的溫差（在這個例子裡是 5.000∘C）。
• 提供「輻射對比度」：
  有溫差，就會有不同的紅外線輻射強度，紅外線攝影機就是靠偵測這種輻射強度的差異來「看」東西的，黑體能提供一個極其準確的輻射亮度差異（也就是「對比度」），讓測試人員知道紅外線攝影機看到的影像是對還是錯，清不清晰。
• 極度精密：
  特別是用來測試那些最高級、最靈敏的紅外線攝影機時，黑體本身必須是個超級精密的儀器。它控制溫度的「解析度」（可以調整到多細微的溫度變化）和「穩定性」（溫度設定後會不會亂跳）非常厲害，可以達到 0.001∘C （千分之一攝氏度）的水平；它可以把溫度控制得超級穩定，波動極小，比你家冷氣或烤箱的溫度控制要精確幾千幾萬倍！

黑體就是一個超級精準、超級穩定的標準熱源，用來產生已知的溫度和熱輻射，好讓我們能準確地測試紅外線攝影機的性能。

目標

用於紅外線測試的典型目標包含一塊扁平銅板，其上蝕刻或加工有特定測試圖案，將目標放置在黑體前方，黑體則控制目標與黑體表面之間的溫差，當紅外線成像系統透過目標特徵觀看黑體表面時，它會看到一個形狀與目標圖案相同、對比度由黑體和目標之間溫差決定的紅外線影像，目標圖案的一個常見例子是在銅板上蝕刻的一組矩形條，其測試方式類似於驗光師使用視力表的作法：此目標與黑體結合，可用於產生測試紅外線成像系統空間解析度的圖案。

SBIR 提供多種可見光與紅外線/熱影像（FLIR）光電量測目標板，這些目標板可搭配SBIR完整的可見光與紅外線測試產品線使用；所有目標板皆設計用於SBIR的目標輪系統，並結合傳統加工、光蝕刻、電鑄、放電加工（EDM）與雷射切割等多種製程方式製造，具備高精度機械公差控制能力。
 

想像一下，我們要測試一台紅外線攝影機的「視力」好不好，能不能看清楚小東西。

1. 準備一個「視力表」：
   這個「目標」就像是紅外線攝影機專用的「視力表」，它通常是一片銅做的板子，上面會刻出一些特定的圖案，例如很多不同粗細的長方形條紋。
2. 創造溫差背景：
   把這片有圖案的銅板放在一個叫做「黑體」的特殊發熱裝置前面，這個「黑體」可以很精準地控制溫度。重點是，我們要讓「銅板上的圖案」和「黑體本身（也就是圖案後面的背景）」維持在不同的溫度，例如，背景熱一點，銅板涼一點。
3. 紅外線攝影機「看」視力表：
   當紅外線攝影機透過銅板上刻出來的那些條紋（目標特徵）去看後面的黑體時，因為銅板和黑體有溫差，紅外線攝影機就能「看到」這些條紋的形狀。溫差越大，這些條紋在紅外線影像裡就會越明顯（對比度越高）。
4. 測試「解析度」：
   就像我們用視力表檢查眼睛能不能看清楚越來越小的英文字母一樣，這種有長方形條紋的目標板，配上溫差可控的黑體，就是拿來測試紅外線攝影機能不能分辨出那些細小的條紋，如果連很細、很密的條紋都能清楚呈現，就表示這台紅外線攝影機的「空間解析度」（分辨細節的能力）很好。

簡單來說，就是用一個有特定圖案、且與背景有溫差的板子，充當紅外線攝影機的視力表，來檢查它看東西清不清楚。

目標輪

為了最大限度地減少不同目標的處理、自動化目標選擇並加快測試時間，可以將數個不同尺寸和不同特徵的目標安裝到電動目標輪中。

SBIR 電動目標輪提供優於 0.001" 的定位重複性、高熱穩定性與零背隙設計；專為搭配黑體與積分球光源，支援 MRT、MDT、MTF、NEDT 自動化測試。是國防、工業與研究應用的理想選擇，並可選配對準照明器。
 

在測試紅外線攝影機時，我們可能需要用到很多不同款式的「目標板」（就是前面提到的，刻有特定圖案的銅板，像是紅外線攝影機的「視力表」），這些目標板可能有不同的大小、不同的圖案細節。
如果每次要換一個目標板，都要工程師手動去拿、去更換，會遇到幾個問題：

1. 麻煩且費時：「最大限度地減少不同目標的處理」就是要減少這種人工更換的麻煩。
2. 選擇慢：人工挑選下一個要用的目標板也需要時間。
3. 整體測試速度慢：「加快測試時間」就是目標之一。

為了解決這些問題，就把好幾個不同的目標板（各種尺寸、各種圖案的）預先安裝在一個可以電動旋轉的輪子上，這就是「電動目標輪」。

• 減少手動處理：裝上去後就不用一直拿來拿去了。
• 自動化選擇：需要哪個目標板，電腦或按鈕一控制，輪子就自動轉到定位。
• 測試更快：因為換目標板變快又自動，整個測試流程自然就加速了。

所以，電動目標輪就像一個可以自動換「視力表」的旋轉盤，讓測試更有效率。

準直儀

準直儀是一種光學組件，可將由黑體和目標產生的紅外線影像投射到待測紅外線成像系統上，通常，準直儀用於製造紅外線影像存在於遠離待測單元之處的錯覺，這是必要的，因為紅外線成像系統通常用於觀看實驗室中無法達到的遠距離物體。

SBIR STC 系列離軸牛頓式準直器，為可見光至長波紅外線系統測試提供繞射極限效能。輕巧、易整合、可客製化，打造精準目標投影。
 

當我們已經有了「黑體」（標準熱源）和「目標板」（紅外線視力表），它們一起產生了一個紅外線的測試影像。

• 準直儀的角色：
  它就像一個精密的光學儀器，通常由特殊的透鏡或鏡片組成。
• 主要功能1 - 投射影像：
  它的第一個任務，是把那個由黑體和目標板產生的紅外線測試影像，準確地「投射」或「導入」到我們正在測試的紅外線攝影機的鏡頭裡面。
• 主要功能2 - 模擬遠距離：
  更重要的一點，準直儀最巧妙的地方是，它可以讓這個明明就在實驗室裡產生的紅外線影像，看起來像是從非常非常遠的地方發射過來的，它製造了一種「遠距離目標」的錯覺。
• 為什麼需要模擬遠距離？
  這是因為很多紅外線攝影系統，例如：用在軍事偵察、森林防火監測或天文觀測上的，它們的設計就是要看幾公里甚至更遠的物體；但在實驗室裡，我們不可能真的把一個測試目標板放到幾公里外去；所以，準直儀就派上用場了，它在近距離就模擬出遠距離的效果，讓攝影機能夠在設計的觀測條件下進行測試。

準直儀就是一個能把測試影像送進紅外線攝影機，並且「欺騙」攝影機，讓它以為自己正在觀看一個遠方目標的特殊光學裝置。

目標投影儀

黑體、目標、目標輪和準直儀 經過適當整合後，構成一個稱為目標投影儀的系統，通常，目標投影儀中的黑體和目標輪設計為可由電腦控制，以實現測試的自動化；其他特殊功能，如距離模擬或瞄準線校準工具，有時會作為配件添加到目標投影儀中，這些整合組件作為紅外線成像系統的統包測試設備出售；目標投影儀類似於幻燈片投影儀，其組件（黑體、目標、目標輪和準直儀）類似於幻燈片投影儀的組件（燈泡、幻燈片、幻燈片轉盤和鏡頭），兩者之間的一個顯著差異是，幻燈片投影儀投射的是可見光場景，通常投射到白色屏幕上；而目標投影儀投射的是紅外光場景，通常投射到紅外線成像系統的輸入光學元件中；另一個重要的區別是，與幻燈片投影儀燈泡的恆定光輸出不同，目標投影儀的黑體在幻燈片（目標）後面提供精確可變的照明。

此圖展示一套完整的 SBIR 4000 系列準直模式待測物 (UUT) 特性分析系統配置，系統核心包含安裝於黑體支架上的 4000 系列高溫黑體、可切換圖樣的目標輪及輔助照明器，其產生的輻射能量經由大型準直儀轉換為平行光束，用以精確照射並評估 UUT（如紅外線攝影機或感測器）的各項性能指標；4000 系列高溫控制器提供穩定的溫度控制，而 IRWindows PC 則透過介面纜線（類比/數位訊號）實現系統整合控制、閉迴路應用程式操作及最終的資料擷取與分析。此設置是實驗室進行高精度紅外線元件或系統校準與特性化的典型解決方案。
 

我們前面分別講到了「黑體」（精準熱源）、「目標」（紅外線視力表）、「目標輪」（自動換視力表的轉盤）和「準直儀」（模擬遠距離並投射影像的光學鏡頭）。

1. 合體成「目標投影儀」：
   當你把這四個東西（黑體、目標、目標輪、準直儀）專業地組裝在一起，變成一個完整的機器系統，這個系統就叫做「目標投影儀」。
2. 電腦控制與自動化：
   通常，在這個「目標投影儀」裡面，那個「黑體」的溫度和「目標輪」要轉到哪一個「目標」，都可以透過電腦來控制；這樣一來，整個測試過程就可以自動化進行，不用太多人工干預。
3. 額外功能與統包方案：
   有時候，這種目標投影儀還會加裝一些特殊配件，比如更厲害的「距離模擬」功能，或者幫助對準的「瞄準線校準工具」，進一步把這些整合好的組件，當作一套完整的「統包測試設備」來銷售，客戶買回去就能直接用來測試紅外線攝影系統。
4. 跟「幻燈片投影儀」的比較：
   你可以把「目標投影儀」想像成我們以前用的那種「幻燈片投影儀」（或稱作「正片投影機」），它們的組件有點像：
   • 目標投影儀的「黑體」（熱源） <---> 幻燈片投影儀的「燈泡」（光源）
   • 目標投影儀的「目標」（紅外線圖案） <---> 幻燈片投影儀的「幻燈片」（影像）
   • 目標投影儀的「目標輪」（換圖案） <---> 幻燈片投影儀的「幻燈片轉盤/片匣」（換片）
   • 目標投影儀的「準直儀」（投射鏡頭） <---> 幻燈片投影儀的「鏡頭」
5. 兩者的「關鍵差異」：
   • 差異一（投射內容與對象不同）：
     • 幻燈片投影儀是投射出我們肉眼看得到的「可見光」影像，通常是投到白色的布幕或牆壁上。
     • 目標投影儀則是投射出「紅外光」（也就是熱影像）的場景，而且通常是直接投射到紅外線攝影機的鏡頭裡面，而不是給人眼看的屏幕。
   • 差異二（光源/熱源的控制方式不同）：
     • 幻燈片投影儀的燈泡，亮度通常是固定的（開了就那麼亮）。
     • 目標投影儀的「黑體」（相當於它的「燈泡」），它可以提供非常精確且可以變動調整的「照明」（也就是溫度/輻射強度）給後面的「目標」（幻燈片）。這表示它可以精準控制測試圖案的熱度對比。

總結來說，目標投影儀就是一套專業的、自動化的紅外線「幻燈片」放映系統，專門用來給紅外線攝影機「看」標準的測試影像，只是它放映的是「熱影像」，而且它的「燈泡」熱度可以精確控制。

SBIR 在紅外線測試中的角色

SBIR 設計和製造用於量測紅外線成像系統效能的標準和客製化測試設備，產品以單獨組件或整合式統包紅外線測試站的形式銷售，該公司擁有豐富的標準產品目錄，可以提供多種配置。
該公司的產品用於在實驗室或現場、商業或軍事環境中測試紅外線成像系統，還為其他光電系統（如雷射和可見光攝影機）製造測試設備，為精密的多感測器軍事系統提供完整的測試解決方案。
該公司已發展出三個與紅外線測試設備相關的獨特業務領域：標準產品、依規格設計工程和依圖生產；標準產品包含由 SBIR 構思和設計並作為目錄項目銷售的儀器，有時會根據客戶需求進行重新配置；SBIR 的依規格設計工程和依圖生產均支援該公司參與特定專案的產品（相對於標準產品）；對於依規格設計工程，客戶的規格文件是 SBIR 工程人員進行客製化設計的基礎，然後該公司將製造、測試並交付給客戶；依圖生產則利用客戶的工程設計，由 SBIR 在專案期間提供採購、製造和測試服務以及工程支援。

未來展望

本文從紅外線 (IR) 輻射的基本原理出發，解釋了宇宙間所有具有溫度的物體都會自然發出這種不可見的電磁波，其波長和強度則與物體溫度直接相關；我們接著探討了紅外線成像系統如何利用特殊的電子感測器捕捉這些紅外線能量，並將其轉換為人類可判讀的視覺影像，使得在完全黑暗或煙霧瀰漫等惡劣環境下的觀測成為可能。這些系統的應用極為廣泛，從攸關國家安全的軍事偵蒐與飛彈導引，到工業上的設備維護、品質控制，乃至於醫療領域的早期疾病篩檢與科學研究上的環境監測等，都扮演著不可或缺的角色。隨著偵測器技術的進步與製造成本的降低，紅外線成像技術的應用門檻已大幅下降，市場潛力持續擴大。
然而，要確保這些精密紅外線成像系統能夠發揮其最佳效能並提供可靠的資訊，嚴謹且頻繁的測試與校準至關重要；為此，SBIR 開發了一系列專業的紅外線測試設備，其中包括：

• 黑體 (Blackbody)：作為一個經過精密校準的標準紅外線輻射源，能夠產生極其穩定且準確的溫度表面，提供測試所需的基準輻射對比度，其溫度控制精度可達 0.001∘C 等級。
• 目標 (Target)：通常是一片帶有特定測試圖案（如條狀、孔洞等）的板件，置於黑體前方，藉由黑體控制的溫差形成紅外線影像，用以評估成像系統的空間解析度等關鍵指標，如同紅外線攝影機的「視力表」。
• 目標輪 (Target Wheel)：一種可安裝多個不同尺寸或圖案目標的電動轉盤，能夠自動化更換目標，大幅提升測試效率。
• 準直儀 (Collimator)：一種光學組件，能將黑體與目標產生的紅外線影像投射到待測系統，並模擬這些影像來自遠距離的效果，這對於測試通常用於觀測遠程物體的紅外線系統至關重要。

這些組件常被整合為一套完整的「目標投影儀 (Target Projector)」系統，其概念類似於傳統的幻燈片投影機，但專為紅外線頻譜設計，且其「光源」（即黑體）能提供精確可調的「照明」（紅外輻射強度），諸如 SBIR (Santa Barbara Infrared) 這樣的領導廠商，便致力於設計和製造這些標準化及客製化的紅外線測試設備與系統。
展望未來，紅外線技術的發展將持續朝向更高解析度、更佳熱靈敏度、更小巧的感測器尺寸、更低的功耗以及更親民的成本邁進；此外，結合人工智慧 (AI) 與機器學習演算法對紅外線數據進行深度分析，將是推動產業創新的關鍵動力，這不僅能提升現有應用的智能化程度，例如在自動駕駛中增強夜間與惡劣天氣下的環境感知能力、在智慧製造中實現更精準的預測性維護、在精準醫療中輔助更早期的病灶發現，也將催生更多新興應用，如在農業科技中監測作物健康、在環境保護中追蹤污染源或進行生態研究等，紅外線技術的應用潛力無可限量。
在台灣，若企業或研究單位有建置先進紅外線測試解決方案的需求，奧創系統 (Ultron Systems) 即是 SBIR 解決方案的專業系統整合商與重要合作夥伴；奧創系統的核心價值在於作為一個經驗豐富的解決方案提供者，專業團隊能夠深入了解客戶在不同應用領域（無論是國防工業、學術研究、半導體檢測還是工業品管）的具體挑戰與目標，從而為客戶進行紅外線測試系統的整體規劃，並依據其獨特的規格與預算需求，提供客製化的服務與完整的系統建置、安裝、訓練與售後支援，透過與奧創系統的合作，台灣的客戶將能更便捷地獲取並有效運用 SBIR 的尖端紅外線測試技術，進而提升其研發創新能力與產品品質水平。

延伸閱讀

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• 黑體輻射校準源的光譜輻射量測校準
• MRTD 測試技術於紅外系統評估之應用
• 先進黑體輻射校準技術與應用
• 紅外測試系統組件：黑體、準直儀與目標輪
• 輻射溫度概念與解決方案
• 紅外線簡介：熱成像測試