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最近非接触红外线测温方法被广泛地应用于人体温度测量，发挥了相当重要的作用。在这里可以看出了几个问题：一是人体会发出红外辐射；二是人体发出的红外辐射与人体温度有关；三是红外辐射可以被一个对红外敏感的器件探测出来。这些问题把我们带进了红外世界。
红外线是波长在可见光红端之外到微波之间的电磁波，其波长范围为0.78～1000微米，共分三段：近红外区、中红外区、远红外区。1800年，英国天文学家W·赫歇耳在研究太阳光谱中各种颜色的光的热效应时，发现这种热效应会随着色光波长的变长而逐渐增大，而产生最大的热效应的光辐射波长竟位于红光范围之外。这种光辐射就是“红外线”。世界上所有的物体都会辐射出红外线：太阳、电烙铁、热水汀、人体、石头、土地、植物、水、云层甚至背景空间都会辐射出红外线。那么，物体热辐射的规律是怎样的呢？
一、黑体辐射
十九世纪，人们因红外线的发现而对热辐射产生浓厚兴趣。1859年基尔霍夫为严格论证物体辐射与吸收的关系提出了“黑体辐射”的概念。任一物体在热平衡条件下，它单位表面积辐射出去的功率（即“辐射出射度M”）一定是等于它吸收的功率。如果投射到单位表面积的功率（即“辐射照度E”）全被吸收，即吸收比a为1，称之为“黑体”，也叫作“绝对黑体”或“理想黑体”。但实际物体其吸收比a总是小于1，即a＜l，称之为“灰体”。这一比值也等于辐射出射度M与黑体辐射出射度M[，b]之比，叫“比辐射率ε”。显然，对于一个实际物体，它的辐射功率等于它的比辐射率ε乘以该温度下的黑体辐射功率。大多数物体的比辐射率ε与温度、波长、发射角度的关系微弱，若ε依赖于波长等，则称之为“选择性辐射体”。
1879年，斯忒藩确立单位面积黑体辐射总功率（即包括所有波长的辐射出射度）与黑体的绝对温度4次方成正比的经验公式。5年后，波尔兹曼从理论上导出，称为斯忒藩—波尔兹曼定律，即M[，b]=σT[4]，斯忒藩常数σ=5.67×10[-12]W/cm[2]K[4]。不久，维恩建立黑体辐射出射度的峰值波长λ[，m]与黑体绝对温度T成反比的定律，即维恩位移定律：
接着他又提出了不同温度下黑体辐射出射度的波长分布公式，即维恩公式。过几年，瑞利提出另一黑体辐射出射度的波长分布公式，金斯加以修正，称之为瑞利—金斯公式。但人们很快就注意到，按照该公式，黑体辐射能量将随波长减小趋向无穷大，这当然与实验不符也极不合理，有人称之为“紫外危机”！二十世纪到来的前夕，黑体辐射与困惑当时科学家的另一难题“以太危机”一起，成为笼罩在经典物理学上空的“两片乌云”！
德国理论物理学家普朗克此时也在研究黑体辐射。1900年10月19日，他发表了一个黑体辐射公式，另一德国物理学家鲁本斯当晚实验验证，结果两者完全一致。若以波长为变量，普朗克公式可写作：
其中，c为光速，k为波尔兹曼常数，h为普朗克引入的另一常数。按照这个公式，不同温度的黑体辐射功率与波长的关系是一组互不相交的曲线。曲线下的面积，即对波长积分，可得斯忒藩—波尔兹曼定律；曲线的极大值，即对波长微分，可求出维恩位移定律；它的短波近似是维恩公式，长波近似是瑞利—金斯公式。普朗克公式实可为谓集黑体辐射基本定律于一体，直到今天，仍然是红外科学技术的基础（当然激光、同步辐射不在此内）。普朗克发现，要合理解释该公式，必须假设辐射能量有个最小单元，物体不是连续地吸收和辐射能量，而是以最小单元为整倍数的阶跃式的吸收和辐射。他把能量的最小单元称作“能量子”，其能量大小E与辐射频率v成正比，即E=hv。其中比值h是普适常数，即“普朗克常数”。1900年圣诞节钟声敲响前10天，普朗克发表了上述研究结果，在现代物理学中具有重大意义的“量子论”由此诞生！
二、红外探测
红外探测是各种红外装置的核心问题。如何探测红外？一般说来，任何形态的物质，只要在红外辐射作用下发生某种性质的变化或物理量的改变，都可以用作红外探测。红外探测器的性能，主要以“响应光谱”、“探测率”、“响应速率”等参量来表征。
歇耳尔发现用红外线的水银温度计可说是最早的红外探测器。赛贝克发现金属的“温差电效应”后，人们就用来制成热偶和“热电堆”探测红外。1880年，朗利以红外引起的金属丝电阻率变化来度量辐射强度，并把它叫做“测辐射热计（Bolometer）”。类似器件接着不断出现。一种是用金属氧化物、陶瓷等材料制成的热敏电阻，再就是高莱管。二十世纪中叶发展的热释电器件，其物理基础是硫酸三甘氨酸（TGS）等铁电体的自发极化，在交变的红外辐照下，引起热敏元极化电荷变化，将讯号输出。这种器件室温工作并兼顾了较高的探测率和响应速度，使用很广。
上述几种属“热敏型红外探测器”，都是依据红外的热效应，所以光谱响应宽而平坦，但响应速率低，探测率不高。另一大类叫做“光子型红外探测器”。这类器件响应光谱中都存在一个“长波限”，但探测率、响应速率都大大高于热敏器件。
最早出现并成功使用的光子器件是二十世纪第一和第二次世界大战期间的硫化铊（Tl[，2]S）、硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）等薄膜型器件。战后由于军事需要和半导体的崛起，品种繁多的光子型器件如雨后春笋，性能也提高到前所未有的水平。这类器件主要是用锗、硅、锑化铟、碲镉汞等半导体材料制作。从结构上看，一种是利用均匀材料的各种体效应，如光电导探测器、扫积型探测器、光磁电探测器等；还有一种，可称作“结型器件”，最典型的是半导体PN结探测器和金属——半导体结（又称作“肖特基结”）探测器，其物理基础是结的光生伏特效应。光电导探测器和光伏探测器是当代最重要、使用最多的两种红外器件。前者制造工艺简单，但制备大规模阵列有困难；后者性能高，其结构适于制备焦平面阵列。
半导体可以发生本征光跃迁，也可能发生非本征光跃迁，因而光电导型红外探测器又分本征和非本征两种。前者的长波限取决于晶体禁带宽度，后者取决于杂质电离能。硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、砷化铟（InAs）、锑化铟（InSb）等都曾是或仍是重要的“本征光电导型”红外探测器，但除锑化铟工作在3～5微米的“大气窗口”外，大都只能工作在1～2微米的波段。长时间里，波长更长的探测不得不使用热敏型器件或非本征光电导器件，所以用掺入金、铜、镓等杂质的锗、硅非本征光导器件曾盛行一时。其中，锗掺汞器件恰好工作在8～14微米“大气窗口”，曾起过重要作用。但这种器件工作在30K，需配置笨重的制冷机，使用非常不便，所以科学家们长期寻求适合于较长波段的本征型红外探测材料。
1959年英国皇家雷达研究所劳森（W.D.Lawson）等首次报道了半导体碲镉汞（Hg[，1-χ]Cd[，χ]Te）晶体，红外专家们很快认识到这种晶体的几乎各种基本物理性质都适宜于红外探测，且利于制备MIS结构，易与硅读出电路互联；同时又可以通过调节汞和镉两种组分的比例连续改变禁带宽度，制备不同波段的红外探测器。碲镉汞器件历经40年艰难研究，达到了任何其他器件难以匹敌的水平，在军事等重要应用的地位至今无可替代。
半导体量子阱红外探测器件（QWIP）是利用一维周期性人造微结构研制的器件，其物理原理是发生在同一个能带（导带或价带）中的子能级之间或微带之间的光吸收跃迁，产生光电导效应。多量子阱器件已相当成熟，缺点是量子效率低，性能难以达到碲镉汞的水平，但材料适于多色器件和大规模阵列器件的制备。
将光电转换元件与读出电路并合而构成红外焦平面阵列是红外探测发展中的一次革命。由于材料问题，很难用锑化铟、碲镉汞制成与硅CCD相似的“单片”结构，现在的工艺路线是分开制作光电转换元件和硅CMOS读出电路，再用铟柱将两者联成一体，即所谓“混成”。光敏元的行与列为1024×1024的锑化铟焦平面阵列和512×512大规模的碲镉汞焦平面阵列已在军事技术中使用，前者工作在3～5微米的大气窗口，后者主要工作在8～14微米大气窗口，也有用于3～5微米波段的。640×480GaAs/AlGaAs多量子阱长波焦平面及8～9微米与14～15微米波段的双色量子阱焦平面也已研制出来。焦平面阵列在红外成像技术中的使用，可以减少甚至完全摒弃笨重的光机扫描装置，提高整个系统的稳定性、可靠性，并为谱像合一的超光谱成像提供了基础。
上述器件都在77K低温下工作，为便于一般应用，人们正在积极发展室温下工作的非致冷红外探测器和红外焦平面列阵，主要利用铁电材料的热释电特性或者氧化钒材料的电阻率随温度变化的特性。这类器件是热敏型，选择的材料须在近室温有较大的热释电系数或电阻温度系数，结构上运用半导体平面工艺做成“桥式”或者带隔热层，以提高探测率和响应速率。
三、红外光谱
红外光谱主要是指红外波段的吸收谱，此外还有反射谱、透射谱和发光谱及由此延伸的光谱，如光电导谱、光热电离谱等。喇曼光谱因为常同红外谱并行使用，有时也被包括进去。
红外光谱测试的主要仪器是红外光谱仪。以棱镜或光栅作色散元件的仪器单色仪、光谱仪、分光光度计曾长时期使用。二十世纪八十年代，由于快速傅立叶变换算法（FFT）的推广，加上电子计算机和激光技术的发展，使得傅立叶变换红外光谱测量基本实现了实时显示、记录，商品化傅立叶光谱仪大量涌现，红外光谱进入前所未有的繁荣时代。现代的红外光谱学，不仅应用于物理学、化学、生物学、天文学等基础研究和农业、地学、材料、原子能、空间、气象、医药等应用学科的研究，而且作为一种分析测试和生产监测的有效手段，在煤炭、石油、化工、染织、环境及法庭刑侦等领域发挥着重要作用。近几年，以傅里叶变换光谱仪为核心又发展了多种测量技术，如显微光谱、拉曼光谱、荧光光谱、光声光谱以及步进（Step Sean）技术等，进一步增强了红外光谱的优势。
红外光谱之所以被广泛应用，首先是因为分子、原子（或离子、电子）这些组成物质的最小单元的一些运动状态的能量在红外范围。我们知道，描述晶体原子运动的有晶格动力理论及格波或声子的概念；描述气体、液体和有机、无机大分子的有分子振动光谱频率理论（简正坐标分析）和谱带强度理论（价键光学理论）。分子、原子等受到热辐射或光辐射，吸收能量从基态跃迁到某一激发态；当从激发态跃迁回到基态或能量较低的激发态时，多余能量又以发光的形式释放出来或转化为其它形式的热运动。中红外波段相当于分子的基频频率，近红外谱区相当于分子的倍频与和频振动频率。远红外波段的吸收有多种可能，如：气体或液体分子的纯转动和扭转振动，分子之间的振动和分子内部的振动，有机化合物的骨架振动，环状分子的环变形（环折叠振动），无机化合物、金属有机化合物中金属原子与其他原子之间的伸展振动和弯曲振动，还有晶体的晶格振动等等。若某些振动频率是该分子特有的，则这些频率就成为它的“指纹频率”，相应光谱就是它的特征光谱。有机物中的一些特定基团，如氢基团（C—H、N—H、O—H）等，其某些方式的振动很少受分子剩余部分的影响，因而在不同分子中该基团振动频率基本不变，这些频率就是该基团的“特征频率”，相应的光吸收线或吸收带称作该基团的“特征吸收谱”。可见，从红外光谱可以获得分子运动、分子结构和分子间相互作用的信息。
就固体而言，不仅晶格振动的光吸收在红外区，实际上包括锗、硅、砷化镓在内的许多重要半导体，其禁带宽带、杂质电离能也相应于红外波段，它们的电子、空穴、声子、激子、极化子、等离子激元等各种粒子、准粒子的能级序列及其光吸收、光发射也大都发生在红外范围，所以红外光吸收谱、光发射谱、光电导谱、光热电离谱和外加以高压、强磁场等极端条件及其随温度变化等各种光谱，就成为研究固体微观能量状态、状态密度及各种相互作用的有力工具。
在光与物质相互作用研究中引入超强、超快激光后，人们观察到用一般光源难以发现的一系列新现象，如光倍频、光混频、参量放大、饱和吸收、自聚焦、自散焦、受激布里渊散射、受激拉曼散射等。这些非线性光学现象既可以发生在紫外、可见光波段，也可发生在红外区。随着红外非线性光学材料的改进和新材料的出现，红外强光物理及非线性器件都将有大的发展。
四、红外应用
现代红外技术，不仅在国防安全领域有重大应用，而且在航天航空遥感、资源勘察、气象环境、交通、农业、工业医学、科学仪器、高新技术等许多方面都有重要的应用需求。
本文开头提到的非接触红外线测温可以对不同的物体进行远距离非接触红外测温，就是利用了物体的辐射特性与温度有关的规律，通过探测物体发出的辐射，确定物体的表面温度。利用这一特点还可以对物体表面每一点都测量出该点的温度，于是就得到该物体的热像，就可以做出红外热像仪。
1.利用热像仪在夜间能够摄取目标图象，在军事上早已用作一种有力的夜战装备和侦察手段。如美国陆军“布雷德利”坦克配备有驾驶员视觉增强器（DVE），这一改造计划是总结“沙漠风暴”经验后提出的，DVE最终还将安装在许多陆军后勤车辆上。热像仪可以装备边防武警，夜间监视国境线，截获偷渡国境人员，还可以装备警察夜间缉拿犯罪人员。热像仪还能装备部队作为检查伪装的一种仪器，例如应用于导弹发射基地，工程兵种等。在一些重要的设施周围，安装热像仪之后可以全天候进行监视，报警入侵者。
2.民用方面红外热成像技术用途也非常广泛，如红外热像仪可以看到设备或者物体的二维温度分布，根据温度分布，可以对设备的运行状况进行诊断，判断故障的发生或者运行状况的鉴别，所以热像仪是设备诊断和故障预报的一种重要监测仪器。在石油化工行业可以根据热图像检查各种反应塔的工作是否正常，管道内介质流动是否受阻，各种阀门的好坏，利用热图像还能探测储液罐内液面的高度。在电力部门，利用热图像可以检测各种开关、闸刀、变压器、避雷器等电器设备的运行状态，特别是高压设备，防患于未然，可有效及时地发现和诊断运行设备的事故隐患和故障先兆，降低设备过热造成的能源损耗及因过热故障引发的突发事故。由于发挥了遥测、二维成像和非接触特点，热像仪在电力部门有着最广泛最富有成效的应用。在钢铁行业，热像仪也有着广泛的应用：利用热像仪可以在线检测轧钢钢板的温度分布，进行质量和温度的控制；对转炉和钢泡的热图像进行分析，可以获得其内衬材料厚度的资料；对高炉料面进行在线监测，可以帮助操作，合理加料和提高生铁产量。在节能方面，利用热像仪能够对空调通风管、输热管道、各种窑炉的保温状况进行监测，恰似一只眼睛能看到各种热量流失的地方，减少能源损耗，提供保温工程质量的鉴别。节能监测车上，也配备有红外热像仪。在建筑行业，可以对空调房屋的绝热质量进行监测，提供质量评价，也可监测建筑物的质量和渗漏、冷库的逃冷等。在水泥生产的回转窑上，都装备有实时监测的热像仪，防止红窑的发生和监测转窑的运行状态，了解转窑的运行状态，对于控制生产、温度、水泥熟料质量、改进工艺和提高产量有着重要的作用。在医学上，热像仪是一种热图像诊断仪器，有着广泛的应用，并已发展成为一种诊断术。它能诊断乳腺肿块、皮肤癌、骨癌，脉管炎，雷诺式病，脑血管病等等。在医学研究中，利用热像仪还能进行中医针灸，经络理论，药理等方面的研究。当人患病时，全身或局部的热平衡遭到破坏，也会在相应部位的皮肤温度上反映出来。在手术中也可作为监视仪器，如断手再植等。在消防上，热像仪能用于浓烟中救人和火情探测，帮助现场消防队员在烟雾之中寻找明火火源，迅速定位火源方向，以便及时扑灭，提高灭火效率；判断人员、隐藏的暗火、火源或危险物品，是消防队员理想的高科技救火装备之一。利用红外热像仪可以用于红外安全报警系统，能在漆黑的夜晚，进行夜视和监控。
3.红外技术最重要的应用是红外遥感。利用遥感可以获得对象的红外空间图象、红外热像以及红外成像光谱。任何物体都会辐射出红外线，其辐射的红外线的波长随温度不同而不同。地球是一个热的物体，其表面温度不但随昼夜变化，而且与地面一定厚度层内物质的物理性质有关。因此，通过在高空接收地表辐射的红外线，间接地测量地表温度分布及其变化，可以对地质构造、火山活动、矿产蕴藏、地面覆盖物（如军事目标）等有所了解。此外，地表上不同物体除了在不同温度下发射的红外线外，还有自身的特征辐射，例如，碳酸岩发射红外线的峰值在2.35微米，而蚀变岩（大部分矿石都是这种岩石）的峰值在2.2微米处，这一差别就可以在“机载成像光谱遥感”中区分开来。这就是红外遥感的物理基础。在各种电磁波段的遥感中，红外遥感占有重要的地位。风云卫星、神舟飞船都有红外遥感仪器。它能摄制云图，特别是红外云图。红外遥感还能收集地面温度的垂直分布，大气中水汽的分布（测H[，2]O分子6.3微米的红外光谱），臭氧含量（测O[，3]的9.6微米的红外光谱）等宝贵的气象资料。
4.红外光谱技术可以用于物质特性的分析。利用红外反射谱、透射谱、发光谱、喇曼光谱、光电导谱、红外椭圆偏振光谱、光热电离谱等，可以对多种物质的光谱特征进行分析，获得物质的结构、成分、运动状态的信息，提供人类知识的积累。同时，利用这些特征还可以研制分析物质成分的专用检测设备。如水分分析、气体分析、元素成分分析、还包括多种生物学参数的检测和分析。近年来人们还在研究利用近红外光散射特性对人脑成像等等。
红外科学技术是物理学、光学、电子科学和材料科学的交叉学科。它经历了200年发展的历史，在新世纪它正面临更大的发展机遇，会随着整个科学技术的飞跃发展，而发挥更大的作用。
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