看不見的光–生活中的紅外線
95/04/11
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林志隆｜
國立自然科學博物館
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。
可見光是電磁波頻譜中的一小部分，紅光的波長比較長，大約是7,000埃（1埃＝10-10米），而紫光比較短，大約是4,000埃。如果套用現在流行的「奈米」（nanometer, 1 nm = 10-9 m）為單位，紅光波長大約是700奈米，紫光波長大約是400奈米。一般人的眼睛只能接收400～700奈米這一段的電磁波，比700奈米長或比400奈米短的電磁波肉眼就感應不到了。
人類對於看得到的東西當然研究得特別仔細，而看不見的東西不免就馬虎一點。因此400～700奈米的可見光還被仔細地分成七彩色光，而700奈米到1毫米（106奈米）這一段將近可見光波段3千倍的範圍，則被含糊地通稱為「紅外線」，頂多再概略分成「近紅外線」（700奈米～4,000奈米或4微米）、「中紅外線」（4～40微米）、以及「遠紅外線」（40微米～1,000微米或1毫米）。甚至不同學者對於「遠」、「中」、「近」範圍的定義都會有所不同。
由於這些是人類肉眼無法直接感受到的波段，所以以往進行研究比較困難。其實紅外線廣泛地出現在我們的日常生活中，只是常常因為看不到而忽略了它。底下就舉幾個常見的應用做為例子。
生活中最常用到紅外線的地方，大概就是「遙控器」了。現在只要是具有遙控功能的家用電器，幾乎都是利用紅外線進行遙控。隨著科學越來越進步，而人類越來越懶惰，紅外線遙控在家庭中的應用也越來越廣。現代家庭中光是客廳起碼都有三、五支遙控器，像電視、冷氣、音響、DVD放映機，甚至電扇和電腦的無線滑鼠都使用紅外線進行遙控。
大家如果拿起遙控器看看前端的部分，就會看到一個像小燈泡的紅外線發光二極體。當按下其中一個按鍵時，我們並沒有看到任何光線，可是電視或冷氣等家電卻開始有了反應，這時就是紅外線在發揮作用了。一般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1,000奈米（1微米）以內。
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磁訊號的那一塊晶片。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。
遙控器或一般紅外線CCD感應的近紅外線波長，大多在1,000奈米以下。以波長1,000奈米為例，依據黑體輻射的估算，對應的溫度範圍在絕對溫度2,900K左右，大約是一般鎢絲燈泡的溫度。而一般人體的攝氏37度相當於310K，發出的熱輻射波長主要落在9,350奈米附近，屬於中紅外線的範圍。前幾年SARS傳染期間非常熱門的耳溫槍或紅外線熱影像體溫計，就是掃描這個波段的紅外線來判定人體的溫度。
除了遙控家電、拍攝影像和量體溫之外，在生活上另外一個經常會用到紅外線的地方，就是幫我們看門的電動門。大家應該都有到便利超商買東西的經驗，當我們走到超商門口時，店家的玻璃門就會自動打開，並且發出「歡迎光臨」的聲音。電動門為什麼知道有人走到門口了呢？這就是紅外線感應器發揮了功用。
常見的紅外線感應方式可以分成「主動式」（遮斷式）與「被動式」兩種。所謂主動式感應器，是由一組發射器與接收器所組成，一般用在警告不速之客的場合比較多。這種感應器的發射器必須對著接收器發射紅外線光束，所以比較屬於「點對點」的感應方式。
當有物體經過其間而遮斷了光束時，接收器會因為收不到光束而發出警報聲或「歡迎光臨」的聲音。在許多冒險諜報影片中，劇中人物必須極盡所能地扭曲自己的身體穿過高科技的警報系統，那所謂高科技的警報系統，說穿了就是一套主動式的紅外線感應器而已。
那真的可以像影片中一樣，戴上一個特殊眼鏡就可以看到一條條的紅外線嗎？各位如果讀過前面的部分，就會發現電影中說得很玄的東西，說穿了根本不值什麼錢。由於這種感應器大多是使用近紅外波段，所以只要有一個好一點的紅外線CCD再加上一點點煙，就可以拍到這些光束，接著只要把影像接到螢幕（影片中大多是眼鏡大小的小型液晶螢幕）放映出來，這些紅外線就無所遁形了。
至於被動式的感應器，大多用於商店門口迎賓及送客之用。這種感應器不需要裝一個紅外線發射器，因為人體自己就是一個紅外線發射器。這種感應器使用的是接近人體溫度的中紅外線波段。
由於一般外界環境的溫度比人體低一點，所以平常不會有感應，但是當有人走進感應範圍時，感應器會感應到一個比較熱的發射源，這時就會跟你說「歡迎光臨」了。這種感應器不適合用在戶外，因為戶外溫度變化太大，甚至有時室外溫度會比人體還要高，那這種感應器就無法作用了。
在軍事用途上，紅外線常常因為肉眼不可見的特性，而被用於夜間突襲和偵搜。像美伊戰爭時，伊拉克地面部隊從頭到尾被美軍壓著打，很重要的一個原因就是美軍部隊的夜戰設備太多太好了，連美國隨軍記者的攝影機都有紅外線和星光夜視能力。在許多新聞影片中，伊拉克民兵還在街角探頭探腦時，美軍記者已經取好鏡頭調好焦距，等著一旁的美軍開火。敵暗我明之下，伊拉克民兵當然只有挨打的份了。
在我們的生活中其實充滿了紅外線，因為物體只要有熱就會發出熱輻射，這些熱輻射的波長會隨著溫度而略有差異。人類生存的地球環境溫度（－50℃～+50℃）所發出的熱輻射，都屬於中紅外線的範圍，因此我們周遭的每件東西都在發出紅外線。而近年來非常熱門的「溫室效應」，就和地球環境中的紅外線有密切的關係。
所謂的「溫室」，最早是中高緯度國家為了種植怕冷的熱帶植物，而興建的讓陽光進得來出不去的玻璃房，一般來說即使不加熱也可以比戶外高個十來度。像台灣這種最冷也不過到零度，可是熱起來可以到40度的地方，散熱降溫都還來不及，如果溫室內再比戶外溫度高個十幾度，不管是動物或植物都會受不了。
為什麼玻璃房可以當溫室呢？關鍵就在玻璃材質對於不同波長光線的透射率不同。我們對玻璃的印象是「透明」的，但其實玻璃的透明只限於可見光及鄰近的近紅外線、近紫外線。對於接近室溫的中紅外線，玻璃呈現出的性質完全不同。
由於陽光最主要的能量波段是在可見光範圍，這些光線可以長驅直入穿透玻璃進入溫室之內。當可見光被地面或植物吸收之後，室內溫度會略微上升幾度，這時地面發出的熱輻射是屬於中紅外線波段，由於被紅外線玻璃擋住了出不去，於是能量就被關在溫室內而使得溫度上升，這就是所謂的「溫室效應」。
地球的溫室效應主要來自二氧化碳等溫室氣體，它們和玻璃一樣有透過可見光而攔截中紅外線的性質，因此二氧化碳多的時候，行星會留住較多的能量而使溫度上升，金星便是一個溫室效應過度而造成惡性循環的例子。可是二氧化碳太少也不行，因為那樣又會留不住能量而使得溫度太低，火星便是另外一個極端的例子。
以往大氣中的二氧化碳濃度變化很慢，可是自從工業化之後，人類大量地燃燒煤炭、石油以取得能量，結果造成了二氧化碳快速增加。
有些科學家就擔心，二氧化碳增加會造成大氣攔截紅外線的能力上升，接著地球的溫度會升高，於是兩極冰山會融解，並且使海水蒸發增加，而水氣也是一種具有溫室效應的氣體，於是大氣攔截紅外線的能力就更加增強了。如果溫室氣體過多，地球溫度就可能步入一個「越熱越蒸發，越蒸發越吸熱」的惡性循環，最後可能會像金星一樣，整個海洋都蒸發掉。
為了避免人類走上這一條絕路，1997年聯合國召集各國代表於日本京都簽訂所謂的「京都議定書」，目的就是管制並減少各國的二氧化碳排放量。雖然許多國家陸續正式簽署了這項議定書，可是2001年全球二氧化碳排放的最大戶（約占全球的三分之一）美國宣布退出協議，使得這項努力可能因此而功敗垂成。
溫室效應和全球氣候變遷聽起來似乎離我們遠了一點，其實溫室效應幾乎每天都在我們身邊發生，而且是很激烈地發生。在哪裡呢？就在我們的汽車裡。在台灣，夏天溫度最高可以達到40度，但如果把汽車停在中午的太陽底下曬個一、兩個小時，車內的溫度就可以高達七、八十度，裡外溫度相差將近40度，這就是溫室效應的最好實例。
紅外線無時無刻不存在於我們的生活中，我們隨時都在享受著紅外線研究帶來的便利與舒適。在享受紅外線帶來的便利時，如果多了解一點紅外線的本質與應用，將使人類的生活更舒適，也可以讓人類避免踏上錯誤的死路。
