谈谈红外测温仪

来源：中科院半导体所

作者：姬扬

窝在家里躲避新型冠状病毒的时候，在微信上看到红外测温仪的相关文章，能够在5米以内的距离，无接触地批量测量人体的温度，测温精度优于±0.3度。

这学期作者在讲《激光光谱学》，这门课程可以认为就是用光学方法做各种测量，要点就是尽可能地提高信噪比（信号和噪声的比值），从而快速地高精度地得到测量结果。这里作者从测量的角度谈谈用于非接触式测量人体体温的红外测温仪。

原理很简单：任何温度的物体都会有热辐射（其实就是电磁波），温度越高，辐射的功率越大，当然还伴随着峰值波长的变化。太阳比月亮更亮，更耀眼，由此就可以知道，太阳的温度比月亮高得多。测量辐射的功率，就可以推知物体的温度。

优点很突出：测量仪不用和人体接触，而且测量速度快，因而避免了交叉感染的可能性。接触式体温计通常利用材料电阻随温度而改变的效应，需要和待测物体直接接触，张三身上的病毒就可以传给下一个被测的李四。

测准不容易：主要是因为探测的温度区间很小。人体的温度（这里指的是裸露在外面的面部和手）大概是37度，上下浮动范围不过是一两度——39度以上的，大多都躺在床上了，而35度以下的，可能真的要“凉了”。再一个是没有很好的温度标准。测量仪器早中晚都要工作，环境温度可能改变十度甚至更多，而人体温度超过标准值0.5度就必须报警了。

测量系统示意图：如下图所示，红外测温仪由红外探测镜头、红外测温芯片、红外标校黑体、可见光成像系统、智能控制终端等部分组成，在5米以内的测温精度优于±0.3度。

接下来谈谈各部分的功能。

红外标校黑体：提供标准的温度（37度）。人体的热辐射波长在红外区（波长比红光还长，人眼看不见），这就是“红外标校黑体”里“红外”的意思。“标”就是标准，利用加热电路和测温电阻构成的反馈回路，保证示意图左边三脚架上的“黑体”温度总是37度。这个测温电阻是关键，必须保证它测量的温度是准的，这就是“校”的含义——通过其他方法精确校对过了。至于说“黑体”，不仅是颜色黑，还涉及到大学普通物理里的概念，我们这里把它简单地当作一个标准参考物体就行了。

红外探测镜头：收集红外光，也许还会加一些滤光片消除可见光，降低外界环境的影响（太阳光、路灯，等等）。相当于我们的眼睛，只是工作在红外光的区间。

红外探测芯片：就是探测器，相当于我们的视网膜，只是工作在红外光的区间。类似于手机里的CCD，但是用不同的半导体材料做成的，拍照片不如手机，但是手机对红外光的响应很差。

可见光成像系统：其实就是可见光探测镜头和可见光探测芯片，只是我们对这个很熟悉了（人眼、手机、照相机，等等），就捏在一起说了。采用这个系统，是为了看清楚来的是谁，它的成像质量比红外系统好得多，进行人脸识别的计算机算法也更成熟，可以更容易地找到哪里是脸，哪里是手。红外镜头和可见光镜头靠在一起，视场基本相同，从可见光系统得到的信息很容易对应到红外系统上去。

智能控制终端：就是计算机了。把可见光系统和红外系统得到的图像对应起来，确定来的是人还是狗，确定来人的温度是不是符合标准，如果对方发烧了就赶紧发警报，等等。

最后，再看几个实物照片，都是作者拍的。

左下图，铁门上方的那个黑方块就是“红外标校黑体”，红色数字显示其温度为37度。左下图，右侧远方的三脚架上，就是双镜头的红外测温仪。右下图是近景的图片，可以看到两块砖头吊在三脚架上，虽然方法有些土，但是提高了稳定性，防止它被风吹翻。上方的图片是计算机屏幕显示的两个视场，左边来自于红外系统，右边是可见光系统。可以看到，“为人进出的门紧锁着”，真的是“早已森严壁垒，更加众志成城”。显然，右上的照片质量好得多，但是左上能告诉你温度的差别。

注意左边视场的左侧，铁门的上方有个圆圆的亮斑，那就是“红外表校黑体”的位置，其他物体的温度都是跟这个亮斑做比较的。注意右边视场的远方，多处明亮的部分来自于玻璃反射的太阳光，在左侧视场里，这些反光大部分都被消除了，主要原因是红外探测芯片对太阳光不敏感。

在作者看来，这套系统最困难的部分在于红外探测芯片，应该也是最贵的部分。其他的都要更加成熟得多，也不会很贵。在红外区工作的、大面积的、像素性质均匀的CCD芯片，仍然是我们国家的一个短板。