Можете ли вы использовать инфракрасную камеру для обнаружения лихорадки?

Можете ли вы использовать инфракрасную камеру для обнаружения лихорадки?

С этими устройствами забавно экспериментировать, но они на самом деле очень полезны, если вы разбираетесь в технологии, которая за ними стоит.

ОДНА из самых крутых вещей, которые позволяет делать инфракрасная камера, заключается в том, что вы можете направлять ее на какое-либо место и получать визуальное изображение того, насколько горячи или холодны объекты. Так … а что, если эти объекты – люди? Не могли бы вы использовать ИК-камеру, например, для того чтобы проверять людей на выходе из самолета на предмет возможной лихорадки, вызванной Covid-19? 

С другой стороны, это не потребует какого-либо физического контакта, и вы получите почти мгновенное показание. На самом деле вы, возможно, видели изображения переносных ИК-устройств, называемых инфракрасными термометрами (которые работают несколько иначе), используемых подобным образом в Китае. ИК-датчики также используют на заводах для мониторинга температуры оборудования без остановки производства.

Однако есть некоторые проблемы с использованием данной технологии для проверки людей на наличие заболеваний. Чтобы сделать это правильно, вам действительно нужно понять, как работают инфракрасные датчики. Вот почему я и собираюсь все это объяснить. Кроме того, физика этого просто суперинтересная. Я большой поклонник этих камер, потому что они позволяют увидеть мир буквально в другом свете.

Все излучает свет, даже если вы его не видите

С помощью науки вы не всегда получаете то, что хотите. Но если вы будете пытаться время от времени, то можете получить кое-что гораздо более интересное. Вот что случилось с Уильямом Гершелем в 1800 году. Испытывая некоторые светофильтры, Гершель использовал призму для разложения солнечного света на составляющие его цвета. Затем он установил несколько термометров. Он знал, что свет, падающий на объект, будет нагревать его, но он хотел измерить эффект от каждого цвета отдельно.

Затем он заметил нечто странное: термометр на конце, за красным цветом – тот, который даже не был на свету – тоже нагрелся. В чем же дело? Конечно, причина была в том, что на этот термометр падал свет, просто его нельзя было увидеть человеческим глазом. Это было открытие того, что мы теперь называем инфракрасным светом.

Но подождите! Это еще не все. Вы действительно можете использовать длину волны света, испускаемого объектом, чтобы определить его температуру. Вы видели это, когда использовали электрическую духовку. Как только элемент становится достаточно горячим, скажем, около 2000 градусов по Фаренгейту (это температура элемента, а не воздуха в духовке, которая печет ваши булочки), он светится красновато-оранжевым цветом:

Если вы видите что-то светящееся подобным образом, вы знаете, что не следует прикасаться к этому предмету, верно? Однако это не самая надежная система. Когда вы только что включили духовку, скажем, через минуту или около того, она все еще может выглядеть черной —никакой видимый свет не излучается — но она уже достаточно горячая, чтобы обжечь вас. Ну и что будет, если я сфотографирую ее с помощью инфракрасной камеры? Вот как это выглядит в инфракрасном спектре:

Теперь вы видите свет. Конечно, это изображение в ложном цвете. Поскольку наши глаза не могут обнаружить инфракрасный свет, камера, по сути, преобразует его, используя видимые цвета для представления различных длин волн в инфракрасном диапазоне. В этой палитре (которую вы можете изменить) желтый цвет горячее оранжевого, который, в свою очередь, горячее фиолетового. (То, что вы видите в оранжевом цвете – это отражение от верхней части духовки.)

Как ИК-камера определяет температуру

Все объекты излучают электромагнитное излучение – да, это и есть свет – во всем диапазоне длин волн. Если вы построите график зависимости интенсивности излучения (говоря техническим языком, спектральной плотности распределения мощности) от длины волны для заданного объекта, вы получите кривую, подобную этой.

Если вы хотите поэкспериментировать с интерактивной версией этого графика, возьмите этот крутой симулятор PhET.

Оказывается, что длина волны с самой высокой интенсивностью – пик на кривой, показанной выше – зависит от температуры объекта. По мере того, как объект нагревается, длина волны пикового излучения уменьшается — пик перемещается влево, назад к видимому спектру.

Так, для некоторого объекта, имеющего комнатную температуру (например, 300 Кельвинов), эта пиковая длина волны составляет около 9,7 мкм (микрометров). Это приводит к тому, что большая часть излучения попадает в инфракрасную часть спектра. Вот почему вы обычно не можете сказать, просто глядя на предметы, насколько они теплые.

Но если вы нагреете его, скажем, до 1200 К (как тот элемент духовки), то длина волны с самой высокой интенсивностью снизится примерно до 2,4 мкм. Это все еще находится в инфракрасной области, но за счет смещения кривой вы также получаете больше света внизу в видимой части спектра (<0,74 мкм), так что ваш глаз может видеть объект светящимся. (Попробуйте это в симуляторе PhET!)

Эта зависимость температуры и длины волны называется законом смещения Вина, который выглядит следующим образом:

В этом выражении: λ – длина волны света с максимальной интенсивностью, а T – температура (b – просто константа). Это означает, что я могу получить значение температуры объекта, просто глядя на цвет света, который он излучает.

Только большая часть света невидима, поэтому вам нужна инфракрасная камера для этого. По сути, она похожа на обычную цифровую камеру, но в отличии от датчика, который обнаруживает видимые длины волн, ее датчик может «видеть» инфракрасные волны. Моя ИК-камера может выдавать показания температуры прямо на изображении. Серьезно, эти вещи просто потрясающие.

Никакого отражения на вас

О, но есть одна проблема: закон Вина работает только для излучения, испускаемого «черным телом». А это еще что такое? Черное тело – это объект, который не отражает внешнего света; весь свет, который он испускает, излучается самим объектом. Лампочка накаливания – это довольно хороший пример — она светится, потому что нить накала становится очень горячей. (Вот почему лампы накаливания – это плохие источники света. Они тратят много энергии в инфракрасном диапазоне, который вы не можете видеть.)

На самом деле свет от большинства вещей – это смесь излучения и отражения. Поэтому, если мы хотим использовать этот свет, чтобы получить температуру объекта, нам нужно знать их соотношение. Существует коэффициент, называемый излучательной способностью, который фиксирует это соотношение. Он варьируется в диапазоне от 0,0 для полностью отражающей поверхности до 1,0 для идеального черного тела. Есть таблицы, где вы можете найти излучательную способность различных материалов.

А как насчет примера? Предположим, я беру два пластиковых стаканчика и наполняю их ледяной водой так, чтобы они оба имели температуру 32° F. Внешнюю сторону стаканчиков я покрыл алюминиевой фольгой, но на одном из стаканчиков я покрасил фольгу в черный цвет. Вот как они выглядят, когда стоят на моей подъездной дорожке:

Теперь давайте посмотрим в инфракрасную область и измерим их кажущуюся температуру.

Мало того, что они выглядят по-разному, так еще и показания температуры различаются, чего быть не должно. Как вы можете видеть, камера показывает, что температура черного стаканчика слева составляет 48,6 F, в то время как температура серебряного стаканчика предположительно составляет 86,1. Это связано с тем, что поверхность алюминиевой фольги имеет гораздо более низкую излучательную способность (e = 0,04). Большая часть инфракрасного света, который камера позволяет видеть на этом стаканчике, просто отражается от горячего тротуара.

Но как насчет человеческой кожи? К счастью, люди очень чернотельные (я сам придумал это слово). Обычный человек имеет излучательную способность от 0,95 до 0,98. Так что мы не очень хорошо отражаем свет в инфракрасной области. Это хорошо.

Вот моя рука. Благодаря моей высокой излучательной способности это почти полностью мое излучение света.

Измерение температуры тела

Теперь, когда вы знаете, как это работает, давайте вернемся к нашему вопросу. Можете ли вы использовать инфракрасную камеру, чтобы увидеть, есть ли у кого-то повышенная температура тела? Да, но тут есть одна проблема. Камера позволяет видеть внешнюю поверхность вещей. Внутренняя температура человека должна быть около 37 °C (98,6 F), но внешняя кожа обычно более прохладная.

Вот мое изображение (на тот случай, если вы не можете ответить). Я поэкспериментировал с измерениями в разных точках моего лица, и самая высокая температура, которую я смог найти, была 95,3 F, во внутреннем уголке моего глаза. (Как оказалось, производитель ИК-устройств рекомендует сосредоточиться на слезном канале.)

Для сравнения, я засунул термометр в рот и измерил свою внутреннюю температуру, которая оказалась равной 97 F. Я думаю, что вопрос заключается в том, существует ли последовательная связь между внутренней и внешней температурами, чтобы вы все же смогли сказать, есть ли у кого-то лихорадка или нет.

Еще одно обстоятельство: мне нужно было поднести камеру достаточно близко. В данном случае она находилась примерно в 10 сантиметрах от моего лица. Это явно нарушило бы правило 2-метрового социального дистанцирования. Вероятно, вы могли бы исправить это с помощью камеры с более высоким разрешением. Я просто использую ту, которая подключается к моему телефону (что довольно круто, если вы задумаетесь об этом).

Ради шутки я также сделал ИК-снимок открытого рта. В данном случае это не мой рот, а добровольца (один из моих сыновей).

Кажется, это позволяет получить лучший результат измерения (97.2), однако я сомневаюсь, что вы смогли бы убедить людей подойти к камере и открыть рот. Нам и так нелегко заставить людей просто сидеть дома.

Снимите очки, пожалуйста

Еще одна маленькая проблема: если вы хотите измерить температуру слезного канала, то любой, кто носит очки, должен будет их снять. Почему? Потому что, как оказалось, несмотря на то что стекло является прозрачным для видимого света, оно блокирует инфракрасный свет. Посмотрите на эту фотографию моей собаки, смотрящей в окно.

Вы можете видеть ее отражение в стекле. Для инфракрасного света окно действует точно так же, как зеркало. А теперь посмотрите на человека в очках. В этом случае я буду человеком.

Это не солнечные очки, это просто мои обычные очки. Они выглядят темными, потому что инфракрасный свет от моих глаз отражается обратно на меня – он не проходит через стекло. А снаружи очки отражают инфракрасный свет, попадающий из комнаты, температура в которой ниже температуры моего тела.

Итак, сможет ли это работать?

Мы увидели, что человеческие тела обладают высокой излучательной способностью, и это обнадеживает, при этом хорошая инфракрасная камера может улавливать небольшие различия в температуре. Единственная реальная проблема заключается в том, что камера измеряет только температуру поверхности кожи. Однако этого может быть вполне достаточно, если вы просто сравниваете людей и ищете тех, температура у которых резко отличается, т. е. выше, чем у других.

Так что, да, я думаю, что вы могли бы использовать ИК-камеру для скрининга людей с повышенной температурой тела. Конечно, это не обязательно означает, что у них Covid-19. Возможно, у них обычный грипп. Может быть, им жарко оттого, что они бегут, чтобы успеть на самолет. Кроме того, люди могут быть инфицированы, но инфекция протекает бессимптомно. Есть множество способов получить ложные положительные и ложные отрицательные результаты.

Означает ли это, что это бессмысленно? Нет, это скрининг, а не диагностический тест. Он не идеален, однако его можно использовать как быстрый, недорогой, неинвазивный способ обследования больших групп людей и по меньшей мере выявления тех, кто с большей вероятностью может быть заражен, для проведения дальнейшего обследования.

Конечно, ротовой термометр более точный. Но можете ли вы себе представить, как каждый человек останавливается у продуктового магазина, чтобы засунуть себе в рот термометр и подождать, пока он выдаст показания? Люди просто не стали бы с этим мириться.

 

РЕТТ АЛЛЕЙН