دوربین مادون قرمز چگونه دما را تعیین می‌کند

یکی از جالب ترین موضوعات درباره دوربین‌های مادون قرمز این است که میتوانید آنرا به سمت یک صحنه بگیرید و تصویری عینی از میزان گرم یا سرد بودن اجسام تهیه کنید. در صورتیکه این اجسام، انسانها باشند، چه؟ به عنوان مثال آیا میتوانید از دوربین مادون قرمز برای بازرسی مردم در ورودی فرودگاه برای تشخیص تب احتمالی ناشی از کووید ۱۹ استفاده کنید؟ نکته ی مثبت این کار آن است که نیازی به هیچگونه تماس فیزیکی نیست و میتوانید تقریباً بطور آنی آنرا قرائت کنید.

ممکن است تصاویری از دستگاه های مادون قرمز دستی به نام تفنگ دما( تا حدودی متفاوت عمل می کنند) را دیده باشید که به همین شکل در کشور چین مورد استفاده قرار می گرفت. حسگرهای مادون قرمز هم در کارخانه ها برای نظارت بر دمای تجهیزات بدون نیاز به متوقف ساختن آنها مورد استفاده قرار می گیرند. ولی درزمینه ی استفاده از این فناوری برای غربالگری و شناسایی افراد بیمار مسائلی وجود دارد. بد نیست درمورد روش عمل حسگرهای مادون قرمز بیشتر بدانید.

همه چیز نور ساطع می کند حتی اگر آن را نبینید

درمورد علم، همیشه آن چیزی را که به دنبال آن هستید، پیدا نمی کنید. ولی گاهی اگر تلاش کنید، امکان دارد حتی چیز بهتری بدست آورید. این همان اتفاقی است که در سال ۱۸۰۰ برای ویلیام هرشل رخ داد. هرشل درحالی که درحال آزمایش فیبرهای نوری بود، از منشوری استفاده کرد تا نور خورشید (Sunlight) را به رنگ های سازنده ی آن تجزیه کند. او در محیط آزمایش خود دماسنج هایی را مستقر کرد. هرشل می دانست که وقتی نور روی جسم بیفتد، باعث گرم شدن آن می شود ولی می خواست اثر هرکدام از رنگها را بطور جداگانه اندازه گیری کند. او سپس متوجه چیز عجیبی شد:دماسنجی در انتها، آن طرف تر از رنگ قرمز که حتی در نور قرار نداشت، هم گرم شد. چه عجیب! دلیل آن بود که نوری به آن دماسنج برخورد میکرد ولی با چشم انسان قابل دیدن نبود. این کشف همان چیزی است که اکنون ما آنرا نور مادون قرمز می خوانیم.

صبر کنید! چیزهای بیشتری هم وجود دارد. شما می توانید از طول موج نوری که از یک جسم ساطع می شود، برای تعیین دمای آن استفاده کنید. حتما هنگام استفاده از اجاق برقی این پدیده را دیده اید. وقتی المنت به خوبی داغ می شود و به عنوان مثال به حدود ۲ هزار درجه فارنهایت( ۱۰۹۳ سانتیگراد ) میرسد ( این دمای روی المنت است نه هوای اجاق برقی که کیک شما را می پزد)، رنگ قرمز مایل به نارنجی پیدا می کند:

چنانچه چیزی به درخشش آن ببینید، می دانید که نباید به آن دست بزنید، درست است؟ ولی این سیستمِ مصون از خطایی نیست. زمانی که اجاق را روشن کردید، به طور مثال بعد از یک دقیقه یا بیشتر، امکان دارد هنوز سیاه بنظر برسد( نور مرئی از آن ساطع نمی شود)، ولی به اندازه ی کافی داغ است که بتواند دست شما را بسوزاند. اگر تصویری با یک دوربین مادون قرمز از آن بگیریم چه می شود؟ این چیزی است که در طیف مادون قرمز بنظر می رسد :

اکنون نور را می بینید. البته این تصویری دارای رنگ کاذب است. از آن جایی که چشم شما نمی تواند نور مادون قرمز را تشخیص دهد، دوربین اساساً از نورهای مرئی برای نشان دادن طول موج های متفاوت مادون قرمز استفاده می کند. در این پالت( که میتوانید آنرا تغییر دهید)، زرد، داغ تر از نارنجی و نارنجی داغ تر از بنفش است.

دوربین مادون قرمز چگونه دما را تعیین می کند

اجسام در طیف گسترده ای از طول موج ها، تشعشعات الکترومغناطیسی ساطع می کنند( این همان نور است). در صورتیکه برای یک جسم خاص، شدت تابش( چگالی طیف توان) را دربرابر طول موج رسم کنید، منحنی مثل منحنی زیر بدست می آید:

اگر میخواهید با نسخه ی تعاملی این پلات بازی کنید، شبیه ساز PhET را امتحان کنید. طول موج های دارای حداکثر شدتی که تولید میشوند ( قله در منحنی بالا)، به دمای جسم بستگی دارد. هرچه جسم داغ تر می شود، طول موجی که تابش آن حداکثر است، تقلیل پیدا می کند و به سمت چپ طیف تابش الکترومغناطیسی ( نزدیک طیف مرئی) حرکت می کند. بدین ترتیب، برای چیزی در دمای اتاق( حدود ۲۷ درجه ی سانتیگراد )، طول موج قله حدود ۹/۷ میکرومتر است. این امر موجب می شود بیشتر تشعشعات در محدوده ی مادون قرمز قرار گیرد.

به همین علت است که معمولاً فقط با نگاه کردن به چیزی نمی توانید بگویید که چقدر گرم است. ولی اگر آنرا داغ کنید، به عنوان مثال تا ۱۲۰۰ کلوین یا ۹۲۷ سانتی گراد ( مثل المنت اجاق)، طول موج دارای حداکثر شدت تابش به حدود ۲/۴ میکرومتر می رسد. این هنوز در ناحیه ی مادون قرمز قرار دارد ولی با تغییر منحنی، همچنین نور بیشتری در بخش مرئی طیف دریافت می کنید( کم تر از ۰/۷۴ میکرومتر)، بنابراین چشم شما درخشش آنرا می بیند( این کار را با شبیه ساز PhET امتحان کنید). این رابطه ی میان دما و طول موج قانون جابجایی وین نامیده می شود که به شکل زیر است:

در این عبارت، λ طول موج نور دارای حداکثر شدت و T دما است( b فقط یک ثابت است). این بدان معنی است که فقط با نگاه کردن به رنگ نوری که یک جسم تولید می کند، میتوان به دمای آن پی برد. البته بیشتر نور، نامرئی است بدین ترتیب به یک دوربین مادون قرمز نیاز است. این نوع دوربین اساساً مثل یک دوربین دیجیتال معمولی است ولی به جای داشتن حسگری که امواج نور مرئی را تشخیص دهد، طول موج های مادون قرمز را می بیند.

البته یک مسئله وجود دارد :قانون وین تنها درمورد تابش از جسم سیاه( blackbody) صدق می کند. یک جسم سیاه جسمی است که نوری به سمت خارج منعکس نمی کند. تمام نوری که ساطع می کند، به وسیله ی خود جسم تولید شده است. در این باره ، لامپ رشته ای مثال خوبی است. دلیل درخشش لامپ آن است که رشته بسیار داغ می شود( به همین دلیل است که این لامپ ها انرژی زیادی مصرف می کنند. آنها مقدار زیادی از انرژی را در محدوده ی مادون قرمز که نمی توانید آنرا ببینید، هدر میدهند ).

درواقعیت، نوری که از بیشتر اجسام می آید، ترکیبی از تابش و انعکاس( بازتابش) است. بدین ترتیب اگر بخواهیم از این نور برای به دست آوردن دمای یک جسم استفاده کنیم، باید این نسبت را بدانیم. شاخصی به نام قابلیت انتشار( emissivity) وجود دارد که این مسئله را بیان می کند. این شاخص دارای دامنه ای از صفر( برای جسمی که نور را کاملاً منعکس می کند) تا یک( برای یک جسم سیاه کامل) است. جداولی وجود دارد که در آن میتوانید قابلیت انتشار مواد مختلف را ببینید.

مثالی در این مورد :فرض کنید که من( رت آلین، دانشیار فیزیک دانشگاه جنوب شرقی لوئیزیانا و نویسنده ی مطلب) دو فنجان پلاستیکی را برداشته و آنها را با آب یخ پر می کنم به طوریکه دمای هر دو صفر درجه ی سانتیگراد باشد. همچنین، با استفاده از فویل آلومینیومی، بخش خارجی فنجان ها را پوشانده و یکی از فویل ها را به رنگ سیاه درمی آورم.

حال اجازه دهید تا به منطقه ی مادون قرمز نگاه کنیم و دمای ظاهری آنها را اندازه‌گیری کنیم.

آن ها نه تنها متفاوت بنظر می رسند بلکه دمای آن ها هم متفاوت نشان داده می شود، درحالی نباید اینگونه باشد. همانطور که می بینید، دوربین می گوید دمای فنجان سیاه که سمت چپ قرار دارد، برابر ۹/۲۲ درجه سانتیگراد است درحالی که دمای فنجان نقره ای ظاهرا ۳۰ درجه سانتی گراد است. علت آن است که سطح فویل آلومینیوم قابلیت انتشار بسیار کمتری دارد( ۰/۰۴). بیشتر نور مادون قرمز که دوربین روی آن فنجان می بیند، از روکش فنجان منعکس شده اند.

اما درمورد پوست انسان چه؟ خوش بختانه انسان ها تقریباً از نوع اجسام سیاه هستند( خوش بختانه از این لحاظ که اگر اینطور نبود، این امکان وجود نداشت که با استفاده از دوربین مادون قرمز دمای بدن انسان (body temperature) را اندازه گیری کرد). یک انسان معمولی دارای قابلیت انتشار ۰/۹۵ تا ۰/۹۸ است. بنابراین ما در منطقه ی مادون قرمز خیلی بازتاب گر نیستیم. این خوب است. عکس دست من را در ادامه می بینید. با قابلیت انتشار بالای من، این تقریباً بطور کامل خود من هستم که نور تولید می کنم.

اندازه گیری دمای بدن

اکنون که با نحوه ی عمل سیستم دوربین مادون قرمز آشنا شدید، بگذارید به سؤال خود باز گردیم. آیا میتوان از دوربین مادون قرمز برای تشخیص تب استفاده کرد؟ خوب مشکلی وجود دارد. دوربین به سطح خارجی اشیاء نگاه می کند. دمای درون بدن یک انسان باید حدود ۳۷ درجه ی سانتیگراد باشد اما بطور کلی سطح پوست سردتر از درون بدن است. در امتداد، اینجا تصویری از من نشان داده شده است. من دمای نقاط مختلف صورتم را اندازه گیری کردم و بالاترین دمایی که موفق شدم پیدا کنم دمای گوشه ی داخلی چشمم بود( ۳۵/۱۶ سانتی گراد ).

برای مقایسه، دماسنجی را به دهانم چسباندم و دمای ۳۶/۱۱ درجه ی سانتی گراد بدست آمد. بنظر من، سؤال این است که آیا رابطه ثابتی بین دمای داخلی و خارجی بدن وجود دارد که طبق آن بتوان مشخص کرد که آیا شخص دچار تب است.

نکته ی دیگر:من مجبور شدم دوربین را بسیار نزدیک بگیرم. در این باره ، دوربین حدود ۱۰ سانتیمتر از صورت من فاصله داشت. این امر بطور آشکار قانون فاصله گیری اجتماعی ۲ متری را نقض می کند. احیانا با استفاده از دوربینی با وضوح بالاتر بتوان این مشکل را رفع کرد. من تصویری از یک دهان باز هم گرفتم.

به نظر میرسد این اندازه اندازه گیری بهتری مهیا کند( ۳۶/۲ درجه ی سانتی گراد )، اما شک دارم بتوانید مردم را متقاعد کنید تا با دهان باز به طرف یک دوربین بروند.

عینک خود را بردارید

یک مسئله ی کوچک دیگر:چنانچه میخواهید دمای مجرای اشکی را اندازه گیری کنید، هرکسی که عینک دارد، باید عینک خود را درآورد، چرا؟ چون همان طور که معلوم است، درحالی که شیشه برای نور مرئی شفاف( نورگذران) است، مانع نور مادون قرمز می شود. به تصویر سگ که بیرون از پنجره را نگاه می کند، دقت کنید.

شما میتوانید بازتاب او را در شیشه ببینید. برای نور مادون قرمز، پنجره درست مثل یک آینه عمل می کند. اینک به تصویر مادون قرمز من که دارای عینک هستم نگاه کنید.

این عینک آفتابی (Sunglasses) نیست بلکه عینکی معمولی است. عینک تیره بنظر میرسد چون نور مادون قرمز چشم های من به طرف من بازتاب کرده و از شیشه ی عینک عبور نمی کند. از بیرون هم، شیشه ها درحال بازتابش نور مادون قرمز اتاق هستند که سردتر از بدن من است.

آیا این سیستم میتواند کار کند؟

دیدیم که بدن انسان قابلیت انتشار بالایی دارد، بدین ترتیب، این مسئله دلگرم کننده است و یک دوربین مادون قرمز خوب میتواند تفاوت های کم دمایی را نیز تشخیص دهد. مسئله ی واقعی آن است که این دوربین تنها دمای سطحی پوست را اندازه گیری می کند. اگرچه اگر مردم را با هم مقایسه کنید و به دنبال مواردی باشید که نسبت به حالت معمول غیرعادی هستند، امکان دارد سودمند باشد. بدین ترتیب، فکر می کنم میتوانید از یک دوربین مادون قرمز برای غربالگری افرادی که دچار تب هستند، استفاده کنید. البته این لزوما به این معنی نیست که آنها دچار عفونت ویروس کرونا (corona) هستند. احتمالا آنها دچار آنفلوانزای معمولی شده باشند. شاید هم در اثر دویدن برای رسیدن به مقصد ، دمای بدن آن ها فزونی یافته باشد. همچنین امکان دارد افراد آلوده باشند ولی علائمی نداشته باشند. روش های زیادی وجود دارد که ممکن است نتایج مثبت یا منفی کاذب ایجاد شود.

آیا این بدان معنا است که این کار بیهوده است؟ خیر، این یک آزمایش تشخیصی نیست و هرچند روش کاملی نیست، میتواند روشی ساده، ارزان و سریع و غیرتهاجمی برای بررسی گروه های بزرگ مردم باشد و حداقل آن هایی را که دارای احتمال بالاتر ابتلای به عفونت هستند، برای سوالات بعدی انتخاب کند.

مطمئنا، دماسنج دهانی دقیقتر است. ولی آیا میتوانید تصور کنید که تک تک اشخاص را بیرون از یک فروشگاه مواد غذایی متوقف کنید و دماسنجی را درون دهان (Mouth) آنها قرار داده و منتظر اندازه گیری دمای آنها باشید؟ مردم با این مسئله کنار نمی آیند.