紅外線概要與近紅外線攝影機

本文主要說明項目有下1、何謂紅外線 2、CCD與紅外光的關係，進而了解近紅外線攝影機的作用原理

1、何謂紅外線？

顧名思義，「紅外線」就是在光譜上位於紅光外面的光線，而「紫外線」當然就是在光譜上位於紫光外面的光線了。人類眼睛可以看得到的可見光，分為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等「七彩」色光，這樣的順序代表的是這些色光的頻率。

紅光波長大約是 700(nm)奈米，紫光波長大約是400 (nm)奈米。一般人的眼睛只能接收 400 ~ 700(nm)奈米這一段的電磁波，比700(nm)奈米長或比400(nm)奈米短的電磁波肉眼就感應不到了。

當任何物體的溫度在絕對零度(-273 ºC)以上時,都會釋放出紅外線，而紅外線全波長約0.75至1000微米(μm),之後又依其能量含量不同,而分成：

近紅外線(near-IR/波長0.75至2.5μm)

中紅外線(mid -IR/波長2.5至25μm)

及遠紅外線(far-IR/波長介於25至1000μm)等三種波長，而其波長可被延伸至長達1000μm左右，之後則屬於微波(Microwave)部份。[註：1000奈米(nm) =1 微米(μm)]

不論分法為何,以紅外線為工作光源所製成的儀器目前已被廣泛應用在安全監控設備工業上：

紅外線方面的應用：例如電耦合裝置(Charge Coupled Device，CCD)攝影機，點對點式人體溫度移動感應偵檢器。家電遙控器所用的紅外線都是在「近紅外線」波段，波長大多在 1000nm以內。

        中紅外線方面的應用：例如紅外線氣體分析儀及紅外線熱影像儀。

 遠紅外線方面的應用：除加熱的用途外，僅有少部份應用在氣體分析上面，其應用之重要性至目前為止，較不如近、中紅外線的廣泛。

不同的應用技術所引用的紅外線波長，皆有其基礎理論上之限制，而往往無法互相取代。此外，紅外線之所以如此重要，並非因為其為不可見光，而是許多自然界物質運動現象(分子的動與振動)所釋放或吸收的輻射能量恰巧落在紅外線能量區域，因此可用紅外線來探知待分析物存在的種類、數目甚至外觀形像。

2、CCD為何對紅外光有反應？

西元1969年，CCD由貝爾實驗室發明，並於隔年發表，由於CCD具有儲存訊號電荷後傳輸的功能，可廣泛應用於記憶體、顯示器沿遲元件等，終極應用CCD影像感測器，該所於1971年發表。在此注意一般人常將數位攝影機簡稱為CCD，此一說法猶如只將底片稱為照相機一樣，實為一錯誤行為，吾輩應勿犯此一錯誤才是。

首先說明CCD影像感測器的基本動作。

1、光電轉換(將光電轉換成訊號電荷)

2、電荷的儲存(儲存訊號電荷)

3、電荷的傳輸(傳輸訊號電荷：CCD的功能)

4、電荷的檢測(將訊號電荷轉為電氣訊號)

以上的動作，由CCD影像感測器的概略構造來說，光電轉換與電荷的儲存是在光電二極體進行，電荷的傳輸是在垂直CCD與水平CCD進行，電荷的檢測是在FD放大器進行。

光電轉換

光電轉換是配合照射到攝影面的光強弱，產生電荷。也就是存在於物質中的電子，自光取得能量後，改變型態，只要施加少許電場，電子就會呈現自由運動狀態的現象。物理上而言，光電轉換可分為外部光電效應(發生於固體表面)與內部光電效應(發生於固體內部)。

而使用Si單晶半導體的CCD影像感測器，則是藉由內部光電效應，光電轉換取得訊號電荷再輸出成影像訊號。

而Si單晶材料在室溫下，進行內部光電效應需要的能量需大於1.1eV(電子移動1V的電位差)，而具有1.1eV能量的光，到底是怎麼樣的光呢?

經由物理公式計算後，可進行光電轉換的光波長，最大約為1100 nm，其稱為近紅外光。

光的吸收

半導體吸收光時，將光子的能量置換為電子的能量。在置換過程中，光子帶有將電子從價電帶激發至導電帶的所需能量，進行光電轉換時，稱為基礎吸收。但對於光的吸收而言，光波長靈敏度是非常重要的條件。Si單晶，結晶表面無法吸收所有的照光，於是光一邊進入結晶內，緩緩自表面吸收。

這裡直接由物理原理與實驗結論之，在可見光範圍內，波長較短的藍光可在較接近基板表面的地方吸收，波長較長的紅光，則須達到基板深處才可吸收。即藍光只要0.3μm的深度，就可吸收一半的光，而紅光須要3μm，是藍光的十倍。

總之，為了進行光電轉換，根據Si單晶的能帶狀態，須要波長在1100 nm以下的光。也是為何CCD會拍攝出紅外光的原因。(以上詳細須閱 參考文獻1)

3、近紅外線攝影機

紅外線是一種不可見光，那我們有沒有辦法看到它呢？用眼睛直接看當然是沒辦法，但可以藉由「電荷耦合二極體」（charge coupled device, CCD）把紅外線轉換成可見光。CCD 就是在數位相機和攝影機裡面，用來擷取影像並轉換成為電荷訊號的那一塊晶片。除了數位相機和攝影機之外，電視新聞經常提到、街頭巷尾到處都有的監視器，也是利用 CCD 的一個例子。

許多 CCD 不只可以接收可見光，甚至還可以接收近紅外線及近紫外線波段的影像。但是在數位相機或攝影機上如果多出了這些影像，那色彩就失真了，所以一般的攝影機或數位相機必須多加一些濾鏡把這些光線濾掉。如果把這些濾鏡拿掉，就可以拍攝到近紅外線的影像。有些用在保全上的 CCD 監視器，可以拍到近紅外線影像，因此能夠在入侵者自以為月黑風高神不知鬼不覺的情況下，把影像拍下來做為破案的線索。

一台日夜兩用型攝影機中的紅外線濾光鏡

攝影機中紅外線濾鏡的作用

在某些特定的使用環境和條件限制了有效光源的取得，進而使紅外線攝影機顯得特別有奇用途。紅外線攝影機不僅可以使用在隱藏的監控情況，而且可用於低照度監控應用，在這種狀況底下光線的照度映不是特別的理想的。利用不可見紅外線的紅外線感光攝影機可以在深夜用在居住社區，而不會打擾到居民。當監控攝影機需要隱藏時，這種攝影機也是很有用的。

光是光譜中輻射波能量的一種形式。然而人的肉眼只能看到一部份(波長介於400 -700nm) 。比紫光波長更短的是紫外線光，比紅光波長更長的是紅外線光。

所有物體除絕對零度外，都會自然的放射出幅射能，溫度所輻射的能量分佈於紅外光帶，形成一寬廣低平的曲線，其輻射能量的尖峰大約位於9.7μm之處。但在低照度條件下(比如在夜晚) ，人的肉眼看不到彩色，只能看到黑色、白色和灰色陰影。

IR濾鏡如何發揮作用?

在此舉Axis的監控攝影機為例說明。

肉眼只能看到波長範圍在藍光和紅光之間的光，而CCD影像感測器卻能夠感應到更多波長的光。CCD影像感測器能夠感應到波長較長的紅外線輻射，因此可以看到紅外光。白天，紅外線照射到影像感測器所成的影像與肉眼所看到的不一樣，這就是所有CCD彩色攝影機都配置了一個IR阻隔濾光鏡的原因，它是安裝在鏡頭和影像感測器之間的一片光學鏡片，可以濾掉IR光，使人們看到彩色影像是正常的。

當光線不足或者影像變黑時，黑白轉換攝影機的IR阻隔濾光鏡會自動關掉，使攝影機利用到IR光，以便在很黑暗的環境下也能拍攝到人肉眼看不到的影像。經常為了避免色彩失真，攝影機往往切換到黑白模式，以便拍攝出高畫質的黑白影像。

	正常使用中的IR濾鏡
	IR濾鏡被移開

參考文獻：

1、米本和也；CCD\CMOS影像感測器之基礎與應用；全華出版社

2、陳宇欣、王俊昌；紅外線影像性質簡介與顯示處理初探；電腦視覺監控產學研聯盟電子報

3、Axis Communication web site