手上贴有创可贴的热成像图
波士顿马拉松爆炸案后的搜捕行动
在波士顿马拉松爆炸案发生之后，一场大规模的搜捕行动正在进行。但有一个问题——尽管在人力和火力上有巨大优势，当局似乎就是找不到肇事者。
在一位可疑的房主提供线索后，他们最终将搜索范围缩小到一辆停在车道上的有篷大船。由于嫌疑人隐藏在视线之外，他们无法直观地确定他在船内的确切位置，也无法看到他是否携带武器。警察们在黑暗中行动，对危险毫不知情。就在这时，热成像摄像机发挥了作用。
安装在盘旋直升机上的摄像机清楚地显示出一名男子俯卧在船底。还显示出此人活着并且在移动。借助直升机提供的视觉信息，特警队最终得以接近船只并逮捕嫌疑人。
热成像摄像机（或红外摄像机）的功能
热成像摄像机（或红外摄像机）能够检测到肉眼不可见的红外光（或热量）。这一特性使其在各种应用中非常有用，包括安全、监视和军事用途，可用于在黑暗、烟雾弥漫、雾气浓重或尘土飞扬的环境中追踪坏人……甚至当他们躲在船篷后面时也能追踪到。
考古学家在挖掘现场使用红外摄像机。工程师用它们来查找结构缺陷。医生和医疗技术人员可以精确定位和诊断人体内的问题。消防员可以查看火源中心。公用事业工人可检测电网的潜在问题或查找水管或煤气管线的泄漏点。天文学家利用红外技术探索宇宙深处。科学家将其用于广泛的实验目的。
针对所有这些任务有不同类型的热成像设备，但每台摄像机都依靠相同的原理来发挥作用。在下一页，我们将详细揭示热成像的工作原理。
光的启示
人类的眼睛是非常复杂精密的器官。它们是为了看见可见光而存在的。这种光从物体上反射，使物体能被我们看到。
光作为一种辐射，种类不仅仅局限于可见光。光的范围涵盖整个电磁光谱，包括可见光和不可见光，以及X射线、伽马射线、无线电波、微波和紫外线。
波长（也称为频率）是使这些不同类型的光相互区别的因素。例如，在光谱的一端，我们有波长非常短的伽马射线。在光谱的另一端，我们有波长长得多的无线电波。在这两个极端之间，有一个狭窄的可见光波段，而在这个波段附近就是红外波长所在的位置，其频率范围从430太赫兹（THz）到300吉赫兹（GHz）。
通过了解红外线，我们可以使用热成像设备检测几乎任何物体的热特征。几乎所有物质都会散发至少一点热量，即使是像冰这样非常冷的物体也不例外。这是因为除非物体处于绝对零度（华氏零下459.67度或摄氏零下273.15度），否则其原子仍在振动、跳动、相互碰撞并产生热量。
有时，物体非常热以至于会发出可见光——想想电炉上炽热的红色线圈或者篝火中的煤块。在较低温度下，这些物体不会发红光，但如果你能把手靠近它们，你肯定能感觉到热量，或者说是红外线，因为它们正向你的皮肤散发。
然而，我们的皮肤在很多时候对于检测红外线并不是很有用。如果你在一个房间的桌子上放一杯温水和一杯凉水，你无法知道哪杯是温水哪杯是凉水。但是，热成像摄像机可以立即分辨出来。
在这种情况下，人类依靠电子工具来提供帮助。从本质上讲，热成像设备就像是我们视力的助手，扩展了我们的视觉范围，使我们除了能看到可见光之外还能看到红外线。有了这些扩展的视觉信息，我们就成为了电磁光谱的超级英雄。
但是一个数字设备如何能够捕捉到不可见的热信号并创建出我们眼睛能理解的图像呢？在下一页你将看到数字处理技术的进步是如何使之成为可能的。
热成像升温
热成像摄像机是高科技的现代设备。但红外线的发现是很久很久以前的事了。
1800年，一位名叫威廉·赫歇尔爵士（Sir William Herschel）的英国天文学家发现了红外线。他的方法是用棱镜将一束太阳光分解成不同的波长，然后在每种颜色的光附近放置一个温度计。他意识到即使在没有可见光的地方——换句话说，在存在红外线的波长范围内——温度计也能检测到热量。
在整个19世纪，一系列勇敢的思想家对受热时导电性会发生变化的材料进行了实验。这促使了一种极其灵敏的温度计——测辐射热计（bolometers）的发展，这种温度计能够远距离检测微小的热量差异。
然而，直到第二次世界大战之后，红外研究才真正开始升温。取得了快速的进展，这在很大程度上得益于晶体管的发现，晶体管在很多方面改进了电子设备的构造。
如今，红外摄像机的发展分化为两类，即直接探测和热探测。
直接探测成像仪分为光电导型或光伏型。光电导型摄像机使用的组件在受到特定波长的光子撞击时电阻会发生变化。另一方面，光伏材料对光子也很敏感，但它们不是改变电阻，而是改变电压。光电导型和光伏型摄像机都需要强大的冷却系统才能用于光子探测。
通过密封成像仪的外壳并对其电子元件进行低温冷却，工程师们降低了干扰的可能性，并大大提高了探测器的灵敏度和整体探测范围。这类摄像机价格昂贵，更容易出现故障且维修成本高。大多数成像仪没有集成冷却系统。这使得它们比带冷却系统的同类产品精度稍低，但成本也低得多。
然而，热探测技术通常被集成到一种叫做微测辐射热计（microbolometers）的工具中。它们不探测光子。相反，它们通过感知远处物体的热辐射来检测温度差异。
当微测辐射热计吸收热能时，其探测器传感器的温度会升高，这反过来又会改变传感器材料的电阻。处理器可以解读这些电阻的变化，并利用这些数据点在显示器上生成图像。这些阵列不需要任何复杂的冷却系统。这意味着它们可以被集成到更小的设备中，如夜视镜、武器瞄准器和手持式热成像摄像机。
热成像的复杂性
热成像有点像人眼的工作方式。只不过热成像设备不是捕捉可见的反射光，而是检测物体释放的热量。
如你所知，无论冷热物体都会散发热量。当热量从物体向外散发时，热成像设备就能检测到。像摄像机一样，这些设备有一个光学镜头，它将能量聚焦到一个红外探测器上。这个探测器有数千个数据点，以便能够检测到从大约华氏零下4度（摄氏零下20度）到华氏3600度（摄氏2000度）之间的微小温度变化。
然后，探测器构建一个热像图，这基本上是一种温度模式。热像图的数据被转换为电信号，并传送到摄像机中的处理芯片。该芯片将热像图的原始数据转换为显示在屏幕上的视觉信号。整个过程非常迅速，每秒更新约30次。
许多成像仪将物体显示为单色图片，较热的区域显示为黑色，较冷的区域显示为灰色或白色。在彩色成像仪上，热的物体在屏幕上显示为白色、黄色、红色和橙色，而冷的区域则为蓝色或紫色。这些被称为伪彩色图像，因为设备是人为地给图像的每个区域分配颜色——不像普通摄像机那样创建能显示物体真实外观的真彩色图像。
根据视野中每个物体的相对温度，生成的图像可能会提供惊人的视觉细节，例如一个手持枪支的人的完整画面。在温度梯度不太明显的情况下，图像可能会更模糊、更不明确。
图像质量会因成像仪是主动式还是被动式而有所不同。主动式系统实际上是使用激光或其他能源来加热目标物体的表面，以便使其对探测器（以及站在目标区域附近的任何人）更可见。例如，一些汽车制造商在汽车部件通过工厂时对其进行加热，使热成像摄像机更容易发现构造上的任何缺陷。被动式系统只是检测物体自然散发的热量。这两种系统各有利弊，但被动式系统的简单性使其更为常见。
不是夜视功能
早期版本的红外探测器体积庞大、笨重且噪音大。现代的冷却系统有了很大改进，但即使是现在，它们仍然很重、体积大且昂贵，并且通常安装在大型车辆或飞机上，以便能够被运送到一个地点然后投入使用。
例如，一种流行的冷却系统是FLIR SAFIRE III，它被用于缩小对波士顿爆炸案嫌疑人的搜索范围[来源：Peluso]。这个装置足够坚固，可用于军事用途，并通过机载陀螺仪稳定，可在陆地车辆或飞机上使用。截至2013年，它重100磅，成本约为50万美元。“较便宜”的探测装置通常也要数万美元，这对普通大众来说太贵了。
非冷却产品则便宜得多，而且体积也小得多。以Extech i5为例——它的成本约为1600美元，重量和一罐汽水一样。它有一个可充电的锂离子电池、一个2.8英寸（7.1厘米）的彩色液晶显示屏，并且像典型的数码相机一样，它将照片存储到可移动的闪存卡中。
或者考虑FLIR Scout PS24单筒望远镜，零售价约为2000美元。它只有6.7英寸（17厘米）长，所以徒步旅行者、猎人和安全专业人员可以随身携带。尽管它体积小，但它有彩色显示屏，而且还防水。
其中一些成像仪提供了一些很棒的功能，如画中画显示、可更换镜头、激光指示器（这样你就可以准确看到你正在用摄像机指向哪里）、集成GPS、WiFi连接，甚至还有麦克风，这样你就可以给每张图像添加语音注释。
Extech和FLIR的产品都是基于微测辐射热计技术。它们与消费级常见的大多数夜视或红外照明摄像机有很大不同。你知道这些小玩意——它们在电影和电视节目中会产生那种令人不舒服的绿色光晕。
那种夜视功能并不检测热量。相反，那些产品是大幅放大微弱的环境光来在黑暗中显示物体。换句话说，它们仍然需要物体反射可见光，否则它们就不能很好地工作。
红外照明摄像机也是如此。这些摄像机发射红外光束（想想你的电视遥控器），红外光束从目标物体上反射回来并将光反射回摄像机传感器。
超热技术
热成像仪在灵敏度和功能方面不断提高。但它们并不是一种完美的技术。
当然，这些摄像机可以看到车辆、房屋和其他致密材料内的热特征。但是任何阻挡热量的物理材料（如玻璃窗）都会降低设备的有效性。你甚至可以买到能对抗某些热追踪传感器的衣服[来源：Maly]。
还有解读摄像机显示屏上图像的问题。那些通常模糊、多变的图像仅仅是温度的表示，而不是实际的图片，所以对它们的理解取决于使用者的专业知识。没有经验的人可能会误解这些图像，特别是在恶劣天气或有干扰等特殊情况下。
对于没有雄厚资金的人来说，成本将继续是一个问题。即使是最实惠的成像仪也要花费数百美元，而且它们只具备政府和军事机构所使用设备的一小部分功能。
然而，那些有资金的人可以完成一些惊人的壮举。安全和监视方面几乎是理所当然的——当警察和士兵即使在没有视线的情况下也能追踪嫌疑人时，无论是在城市地区、国界还是建筑物内，坏人可藏身的地方就少得多了。
使用热成像摄像机，消防员可以找到被困在建筑物内的人员、确定热点位置并在有人受伤之前查明结构问题。科学家可以找到雪堆深处的北极熊巢穴。古代遗迹通常会呈现出与周围土壤和岩石不同的热特征，这意味着考古学家可以使用成像仪找到下一个挖掘地点。
建筑检查员携带热成像摄像机来查找屋顶和隔热层的泄漏或缺陷。同样，修复工人可以发现墙后的积水和随后滋生的霉菌，即使在业主根本不知道有问题的情况下也能发现。
电网中过热的部件可能会导致故障进而停电。为了防止停电，工人利用成像仪来发现电网中的老化区域。煤气泄漏是公用事业面临的另一个重大挑战，热成像摄像机可以在泄漏问题变得更严重之前发现泄漏。
担心传染病流行？在火车站和机场等高流量公共场所安装热成像摄像机，你就可以在人群中发现发烧的人。
热成像的用途还有很多很多。随着公司在研发上投入更多资金，热成像摄像机只会变得更好、更便宜，从而在更多的情况（从娱乐到研究）中得到应用。现在热门的技术只会变得更热门，而我们人类正在以全新的方式看待我们的世界。
更多信息
我们称它们为热成像摄像机，但它们实际上不是摄像机。相反，热成像仪是传感器。而且目前，它们真的非常昂贵。几年前，当我们在寻找一个郊区住宅神秘的进水点时，我有幸使用了一台手持式成像仪。手持摄像机，我们发现房子的一个角落比其他墙壁冷得多。我们拆除了干墙，发现了一个刚好能在暴雨期间造成进水问题的洞。我们可能只用了这个设备几个小时，但它绝对证明了自己的价值。
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