Coronavirus - Thermal Imaging screens for elevated body temperature
這些設備很有趣，但是如果您了解它們背後的科學知識，它們也非常有用。
紅外熱像儀最酷的功能之一，是您可以將它們指向一個場景，並獲得熱或冷的視覺圖像。 那麼……如果那些東西是人類呢？ 例如，您能否使用紅外線熱像攝影機，檢查飛機登機口的人，是否可能檢測出 Covid-19 發燒？
從好的方面來說，它不需要任何實體接觸，您幾乎可以立即獲得讀數。實際上，在中國，您可能已經看到了稱為溫度槍的手持式紅外線設備的照片（其工作原理有所不同）。紅外線感測器還用於工廠中，無需停止設備即可監測設備的溫度。
但是使用這種技術，來篩查人們的疾病存在一些問題。要做到這一點，您確實需要了解紅外線感測器的工作原理。所以我將解釋所有這些。此外，物理學非常有趣。我非常喜歡這些攝影機，因為它們讓您從不同的角度看待世界。
即便你看不到，任何東西都會發光
有了科學，您就不會總能得到想要的東西。但是，如果有時嘗試，您會得到更好的結果。這就是 1800 年威廉·赫雪爾（William Herschel）所發生的情況。在測試某些濾光片時，赫雪爾使用棱鏡將太陽光分解成其色相。然後他安裝了一些溫度計，他知道落在物體上的光，會使物體變暖，但是他想分別測量每種顏色的效果。
然後他注意到了一件奇怪的事情：末端的溫度計，除了紅色以外（甚至沒有在光線下）也被加熱了。有沒有搞錯？當然，原因是有光線照到了溫度計，而人眼卻看不到它。那就是我們現在所說的紅外光的發現。
可是等等！ 還有更多。 實際上，您可以使用對象發出的光的波長來確定其溫度。 使用電烤箱時，您已經看到了這一點。 元素變好變熱後，例如說大約華氏2,000度（這是元素的溫度，而不是烘烤鬆餅的烤箱中的空氣），它會發出紅橙色的顏色：
如果看到像這樣發光的東西，就知道不要碰它，對吧？ 但這不是萬無一失的系統。 當您剛打開烤箱時，例如大約一分鐘後，烤箱可能看起來仍然是黑色的-沒有可見光發出，但是已經足夠灼熱了您。 那麼，如果我用紅外線攝影機拍照怎麼辦？ 這是紅外線光譜中的樣子：
現在您看到了燈光。 當然，這是偽彩色圖像。 由於我們的眼睛無法檢測到紅外光，因此攝影機基本上可以平移，使用可見色來表示紅外線範圍內的不同波長。 在此調色板（可以更改）中，黃色比橙色熱，比橙色熱。 （您看到的橙色是烤箱頂部的反射。）
紅外線攝影機如何確定溫度
所有物體都會在整個波長范圍內，發出電磁輻射（是的，這就是光）。 如果繪製給定對象的輻射強度（從技術上講是頻譜功率密度）與波長的關係，則會得到這樣的曲線。
如果您想玩此情節的互動版本，請查看此炫酷的 PhET 模擬器。
事實證明，產生的最高強度波長（上面曲線的峰值）取決於物體的溫度。 隨著溫度的升高，峰值發射的波長減小-它向左移動，向著可見光譜的方向移動。
因此，對於室溫下的某些物體（例如 300 Kelvin），該峰值波長約為 9.7 μm（微米）。 這將大部分輻射置於光譜的紅外線部分。 這就是為什麼您通常不能僅透過觀察事物的溫暖程度來分辨它們的原因。
但是，如果將其加熱到例如 1200 K（類似於該烤箱元件），則最高強度的波長會向下移動至約 2.4 μm。 那仍然在紅外線區域，但是通過移動曲線，您還可以在光譜的可見部分（<0 .74="" m="" phet="" span="">
這種溫度-波長關係，稱為維恩位移定律（Wien's displacement law），如下所示：
在該表達式中，λ 是具有最大強度的光的波長，T 是溫度（b 只是一個常數）。這意味著我可以僅透過觀察物體產生的光的顏色，來獲得其溫度值。
只有大部分光線是不可見的，因此您需要一台紅外線攝影機。它基本上就像普通的數位相機一樣，但是它沒有「感測器」來檢測可見波長，而是可以「看到」紅外波長。我的紅外線熱像儀，甚至可以在圖像上給出溫度讀數。說真的，這些東西真棒。
沒有對你的反射
哦，但是有個問題：維恩定律僅適用於「黑體」的輻射。那是什麼？黑體是不反射外界光線的物體；它發出的所有光都是物體本身產生的。白熾燈泡就是一個很好的例子-它發光是因為燈絲過熱。 （這就是為什麼白熾燈是吸引人的光源。它們浪費了您看不見的紅外線範圍內的大量能量。）
實際上，來自大多數物體的光是發射和反射的混合體。因此，如果要使用該光線獲取物體的溫度，則需要知道比率。有一個稱為發射率的索引可以捕獲這一點。它的範圍從 0.0（用於完全反射的表面）到 1.0（用於完美的黑體）。在一些表中，您可以查詢不同材料的發射率。
一個例子呢？ 假設我拿了兩個塑料杯，並用冰水填充它們，使它們都處於華氏 32 度（及攝氏 0 度）。在杯的外面，我放了一些鋁箔，但是在其中一個杯上，我將鋁箔漆成了黑色。 這就是坐在我車道上的樣子：
現在，讓我們看一下紅外線區域並測量它們的視在溫度。
它們不僅看起來有所不同，而且溫度讀數也有所不同-不應這樣。 如您所見，攝影機顯示左側的黑色杯子為 48.6 °F（9.2°C），而銀色杯子則為 86.1°F（30.05°C）。 這是因為鋁箔表面的輻射率要低得多（e = 0.04）。 攝影機在那個杯子上看到的大部分紅外光，只是從熱的人行道上反射回來的。
但是人類的皮膚呢？ 幸運的是，人類是非常黑體的（我是由這個詞組成的）。 典型的人的發射率在 0.95 至 0.98 之間。 因此，我們在紅外線區域反射不大。 非常好。
這是我的手。 由於我的高發射率，幾乎完全可以發光。
測量體溫
現在您知道了它的工作原理，讓我們回到問題所在。 您可以使用紅外線攝影機查看某人的體溫是否升高嗎？ 好吧，這是一個問題。攝影機看著物體的外表面。 人的內部溫度應該在 37 °C（98.6°F）左右，但是外面的皮膚通常要涼爽一些。
這是我的照片（以防萬一）。 我在臉的不同位置進行測量，結果發現我最高的溫度是35.16°C(95.3°F)（在眼睛的內角）。 （事實證明，IR 設備製造商建議將重點放在淚管上。）
為了進行比較，我將溫度計插入嘴中，並在36.1°C(97°F ）下測量了內部溫度。那麼我想問的問題是，內部和外部溫度之間，是否存在一致的關係，以便您仍然可以分辨出何時發燒 。
另一個考慮因素：我不得不把攝影機弄得很近。 在這種情況下，它距我的臉約 10 厘米。 這顯然違反了 1.5 - 2米的社交距離規則。 您可能可以使用更高解析度的攝影機進行調較。 我只是用一個連接到我的手機的電話（如果考慮一下，這非常酷）。
只是為了好玩，我還拍了張張嘴的 IR 照片。 在這種情況下，這不是我的嘴，而是志願者（我的一個兒子）。
這似乎可以提供更好的測量結果36.2°C（97.2°F ），但我懷疑您能否說服人們走到照攝影機旁並張開嘴巴。 我們有足夠的時間讓人們呆在家裡。
請摘下眼鏡
另一個小問題：如果您想測量淚管的溫度，那麼任何戴著眼鏡的人都必須摘下它們。 為什麼？ 因為事實證明，儘管玻璃對於可見光是透明的，但它會阻擋紅外光。 看看這張我看著窗外的狗的照片。
您可以在玻璃杯中看到他的倒影。 對於紅外光，窗戶的作用就像鏡子一樣。 現在看戴眼鏡的人。 在這種情況下，我將成為人類。
這些不是太陽眼鏡，只是我的普通眼鏡。它們看起來很暗，因為來自我眼睛的紅外光會反射回我-它不會穿過。在外面，眼鏡正在反射來自房間的紅外光，比我的身體還冷。
那麼，行得通嗎？
我們發現人體具有很高的發射率，這令人鼓舞，而且好的紅外熱像儀可以分辨出溫度的微小差異。一個真正的問題是，它僅測量皮膚的表面溫度。但是，如果您只是在與其他人進行比較，並尋找比其他人更溫暖的異常值，那麼這可能是可以的。
所以，是的，我認為您可以使用紅外攝影機來篩查體溫升高的人。當然，這並不一定意味著他們擁有 Covid-19。也許他們患有普通流感。也許他們因跑步而發熱。另外，人們可以被感染但無症狀。您可以透過多種方式，獲取假陽性和假陰性。
這是否意味著毫無意義？不，這是一個螢幕，而不是診斷測試。這不是完美的方法，但它可能是一種快速、廉價、無創的調查大型人群的方法，至少可以標記出感染可能性較高的人群，以便進行後續詢問。
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