19  红外技术发展史

早在 1800 年，人们对电磁光谱中存在红外线部分已深信不疑。红外光谱（或像通常将其作为一种热辐射形式那样而简称为“红外线”）所具有的独特意义在当前可能不如 Herschel 在 1800 年发现它时那样明显。

红外线是在寻找新的光学介质的时候意外地发现的。William Herschel 爵士是英格兰乔治三世时代的皇家天文学家，在发现红外线之前已经因发现天王星而成名。当时他正在寻找一种滤光介质，以减弱在进行日光观测时望远镜中太阳镜像的亮度。在使用各种不同颜色的镜片样本进行测试时，他发现一个有趣的现象：在达到相近亮度减弱效果的前提下，某些样本只通过了阳光的很少热量，而另一些则通过了大量热量以致他仅仅观察了几秒后就感到眼睛受不了。

Herschel 很快就确信有必要进行系统的实验研究，目的在于找到一种不但能达到预期的亮度减弱效果，并且能最大地削减热量的介质。开始实验时，他实际上重做了牛顿的棱镜实验，但重点在于观察光学频谱亮度的热量效应，而不是亮度的视觉分布。他首先用墨水把一个灵敏水银温度计的水银珠染黑，并固定在桌面上，让阳光通过这个棱镜，作为测试光谱中各种颜色热效应的热辐射测试器。其它的温度计，则放置在阳光不能到达的地方，用作比较。

染黑的温度计沿着光谱上颜色而缓慢移动，温度读数从紫端到红端持续升高。这没有丝毫意外，因此意大利的研究者 Landriani 已在 1777 年的类似实验中观察到了基本相同的效应。然而 Herschel 却是第一个意识到必定存在一个点可以通过最大的热量，但局限于光谱可见光部分的测量法并不能确定这个点在哪里。

把温度计移动到光谱红端以外的不可知区域时，Herschel 证实热量继续增长。他发现的通过最大热量那一点，在超出红端那边，就是今天所说的“红外波段”部分。

Herschel 公开他的发现时，称电磁光谱中这个新发现的部分为“热光谱”。。而至于这个光谱本身的热辐射，他则有时称为“暗热量”，有时简单的称为“不可见光”。有意思的是，一般人认为术语“红外”是 Herschel 本人首先使用，但事实并非如此。这个词在大约 75 年后才首次出现，直到现在也还不确定谁是始创者。

Herschel 在他最初的实验中使用了棱镜，引发了当时人们关于红外波谱是否真正存在的一些早期争论。另外一些研究者为了证实其研究成果，不加区别地使用了不同类型的对红外线有不同透过程度的玻璃镜片。通过其后期的实验，贺绍尔意识到这种新发现的热辐射线对玻璃镜片的穿透度有限。于是他不得不推断，红外光线大概注定专用于反射性物资（亦即平面镜和曲面镜）。幸运的是，这个推断到 1830 年就被意大利研究者 Melloni 的伟大发现推翻。Melloni 发现，用足够量的天然水晶中含有的天然岩盐 (NaCl) 来制造透镜和棱镜，其对红外线的穿透性极强。研究结果使岩盐在此后的一百年内被认为是理所当然的红外线光学介质，直到二十世纪三十年代人工合成水晶工艺得到飞速发展才有所改变。

而把温度计用作放射线探测器的做法，则直到 1829 年才发生改变。在这一年，Nobili 发明了热电偶。（Herschel 使用的温度计能精确到 0.2 °C，后期有一些温度计能精确到 0.05 °C）。于是就发生了突破性的进展。Melloni 把几个热电偶连成一串，构成了第一个热电堆。这个新仪器比当时用于探测热辐射的最好的温度计至少灵敏 40 倍，能够探测到站在三米以外的人发出的热量。

首个所谓的“热像”在 1840 年成为可能。这得益于红外线发现者的儿子，本身也是著名天文学家的 John Herschel 爵士的研究成果。当把一个热的形象聚焦在一张薄油膜上时，薄油膜不同部位的蒸发稍有差别。根据这一点，从反射光中可以看到热成像，油膜的对光的反应使得人眼可以看到形象。John 爵士同时设法在纸上粗糙地记录这个热成像，称之为“热记录器”。

红外线探测仪精度的提高进展缓慢。另一个重大突破是由 Langley 在 1880 年取得的，他发明了测辐射热仪。测辐射热仪的组成如下：一条变黑的薄铂条连接在单臂电桥回路其中一臂上，红外线辐射物聚焦其上，灵敏检流计用于测量回路电流。据说这个仪器能探测到 400 米以外牛身上发出的热量。

英国科学家 James Dewar 爵士率先把液态气体作为低温研究中的冷却剂（比如 -196°C 温度下的液态氮）来使用。他在 1892 年发明了独特的真空绝缘容器，令液态气体能够储存达数天。今天用于保存冷热饮的“热水瓶”就是基于他的发明而制造的。

在 1900 到 1920 年间，世界上许多发明家“发现”了红外线。许多探测个人、大炮、飞机、船只乃至冰山的仪器申请了专利权。现代意义上的首批操作系统是在 1914-1918 年的一次大战期间开始研制的，当时战争双方都制定了如何将红外线用于军事的计划。这些计划包括针对敌人入侵/侦察、远程温度感应、安全通讯和“飞行鱼雷”导航的实验系统。这个时期的红外线搜寻系统，经测试表明，能够探测到自 1.5 km 外逼近的飞机，或者 300 m 外的人。

直到今天，最灵敏的系统都是基于测辐射热仪的原理的。然而在两次世界大战之间却出现两个革命性发展的新红外线探测仪：变象管和光子探测器。开始时，变象管得到来自军事的极大关注，因为它在历史上首次使“黑暗中观看”真正成为可能。然而，变象管的灵敏度受限于附近的红外波长，并且最想搜寻的军事目标（亦即敌方士兵）必须以红外搜寻光束照射。这就必须冒着向拥有类似设备的敌方侦察员暴露我方侦察员位置的危险。因此军事上对于变象管的兴趣最终转淡也是可以理解的。

被称为“主动的”（亦即发射搜寻光束）热成像系统在军事战术上的缺点，促使了此后 1939－45 二次大战中广泛开展的秘密军事红外研究计划，这些计划围绕具有极高灵敏度的光子探测器，研究是否有可能开发出“被动的”（不发射搜寻光束）系统。期间，军事保密规则完全地防止了红外成像技术发展情况的泄露。这种保密技术直到二十世纪五十年代才被公开，从那时起，才有成熟的热成像设备最终用于民用科学和工业。