通过缩小颜色或光谱范围，人们能够看到那些在广谱成像系统中被遮蔽或不易察觉的事物。在可见光谱中，一个简单的例子就是犯罪现场人员对血迹的检测。当使用白光光源（如手电筒）成像时，血迹可能会显得非常微弱。在手电筒上放置一个蓝色滤镜会使血迹变得相当暗淡，从而易于检测，因为血红蛋白在蓝光部分具有很强的吸收性。

红外成像尤其适用于光谱选择这一过程，因为分子材料在红外波段具有非常明显的吸收和发射特征，从而能够通过在不同波长下对材料进行成像来确定其化学成分（图 1）。

图1、该图表明大气透射率是紫外、可见光和红外波段波长的函数。在所展示的分子吸收剂中，水是主要的吸收剂

红外光谱选择技术的应用还包括透过不透明材料（如油漆）进行成像，或者检测那些对人类眼睛而言是透明的物质，例如储罐或管道中丙烷气体的泄漏情况。

检测器选择

以纳米或微米为单位来衡量，红外光谱是电磁波谱的很大一部分，其波长范围跨越两个数量级，从约 1 微米到 100 微米。大多数红外成像发生在人类视觉的光谱边缘处，即 0.75 至 14 微米之间。超过 14 微米后，就需要使用冷却到极低温度的特殊探测器，而且大气会变得非常不透明。只有少数太空系统或特殊的短距离成像仪能在这一波段工作。

传统的红外光谱始于近红外波段，其范围在 0.75 至 3 微米之间（不同使用近红外技术的行业对近红外范围的定义可能存在差异）。中波红外波段（MWIR 波段）的范围是 3 至 5 微米，长波红外波段（LWIR 波段）的范围是 5 至 14 微米。常见的、成本低廉的采用硅 CCD 和 CMOS 传感器的成像设备能够用于在波长约 1.1 微米的近红外波段进行成像。这些硅探测器通常在 800 纳米左右达到峰值灵敏度，并且还能检测到可见光，因此可能需要根据应用情况进行滤除。

在 1.1 微米以上，硅探测器材料会变得透明，因为相应光子的能量低于半导体材料的禁带能量。使用硅 CCD 或 CMOS 相机在 1.1 微米以上进行操作需要在传感器上涂覆一种波移位荧光粉，这会大大降低量子效率。在信号丰富的应用中（例如 1.55 微米激光的束形测量，用于光纤通信），这并不是一个问题，但在近红外场景的成像中则不太有用。

更好的选择是铟镓砷（InGaAs）材料，其成像范围在 0.9 至 1.7 微米之间，或者近红外汞镉碲（HgCdTe）探测器，其设计可实现 0.8 至 2.5 微米的成像。InGaAs 能够在 1.7 微米的范围内工作，并且在大多数应用中通常不需要冷却。相反，传感器温度通过热电冷却器稳定在接近环境温度（如 0 摄氏度）的适宜温度上。在较低温度下的温度稳定减少了暗电流，并使输出信号保持稳定。从可见光谱到约 2.5 微米的相机可以使用由常规光学玻璃（如 BK7）制成的镜头。

铟锑化物（InSb）探测器可在近红外（NIR）和中波红外（MWIR）波段工作，波长范围在 1 至 5.5 微米之间。它们具有极高的灵敏度，尤其是在 2.5 至 5 微米的波长范围内。InSb 的灵敏度范围非常广泛，因此 InSb 相机几乎总是需要内置在冷却传感器外壳中的光谱选择滤光片，因为通常不太适合检测如此宽广的光谱范围。滤光片本身必须像传感器一样进行冷却，否则它自身的中波红外辐射会带来不必要的噪声。

在诸如远程监控这样的应用中，锑化铟（InSb）通常会与一个低温滤光器配合使用，该滤光器仅允许传感器在 3 至 5 微米的范围内进行探测。否则，一个宽带锑化铟探测器将会接收到反射的近红外光（即阳光反射光）或阳光闪烁，这些在热图像中通常被视为不理想的干扰物。对于涉及反射或透射光信号的近红外应用，也存在类似的问题。在这些应用中，探测高于 3 微米的热红外辐射是不被允许的。

因此，大多数铟锑摄像系统的设计是只能在 1 至 3 微米的范围内作为近红外成像器工作，或者在 3 至 5 微米的范围内作为热成像器工作，而不能同时兼具这两种功能。任何波长在约 2.5 微米以上的红外摄像机都需要使用由锗和硅制成的特殊且昂贵的光学元件，而非传统的玻璃，因为传统玻璃在热红外波段具有很强的吸收性。

量子阱红外光电探测器（QWIP）是另一种类型的传感器，其特性较为狭窄，通常其光谱范围约为 1 微米。该范围及其峰值波长取决于 QWIP 的物理结构，这种结构在制造过程中是可以调整的。较厚的层会导致在更长波长处具有更高的灵敏度。用于热成像的标准量子阱探测器在长波红外（LWIR）范围内的光谱响应在 8 至 9 微米之间。8 至 9 微米的波段是穿过大气层的一个方便窗口，因为大气气体的吸收很少。QWIP 传感器也可以被设计用于其他波段以满足特殊应用需求，包括 5 至 7 微米范围内的波段，在这个范围内水蒸气的吸收非常强。

还有许多其他类型的探测器可供选择，但上述这些类型是现代红外相机设计中商业上最常用的、基于光电原理工作的探测器。

选择滤光片

如何在红外光谱的狭窄区域内进行成像呢？最简单的方法是在宽带红外成像仪前放置一个窄带通滤光片。这种方法在近红外光谱区域效果相当不错，因为在这个区域中，镜头和滤光片不会自行发光。缩小成像系统的带通范围会减少传至探测器的信号量，这就需要更灵敏的相机或更亮的光源。在热红外区域的光谱选择则更为复杂，因为如前所述，放置在传感器前的滤光片往往会自行发出红外光，而探测器会将此视为背景噪声。对于冷却型探测器而言，通常需要将任何窄带通滤光片置于探测器组件内部，以便滤光片自身能冷却至探测器的温度。在铟锑化物相机中，该温度为 77 K，即液氮的沸点。滤光片和传感器都封装在一个真空辐射屏蔽中，以减少相机主体内部产生的外来热辐射光。

在受控环境中（如实验室）进行光谱选择的另一种方法是限制光源的波长范围，这种方法在大多数近红外应用中效果显著，因为这些应用要求对场景进行主动照明。光源可以是一盏钨灯，其前面装有一个可调节的滤光轮。然后选择相应的滤光片来通过不同所需的波长范围。一种更好的但价格昂贵得多的光谱可调光源是可调谐激光器，它能够提供具有极高光谱纯度的光线。一种特别有用的激光光源是使用光学参量振荡器（OPO）来改变所发射光线的波长。

化学成像

化学成像是一种将成像技术与光谱技术相结合的光谱选择技术。传统的红外光谱分析是通过测量分子材料样本随波长变化的反射率或透过率来实现的。红外光与分子的结合非常紧密，因为分子键所具有的能量与红外光子的能量处于同一能量级别。可以说，红外光就是分子的语言。

传统上，一束红外光会照射到一个表面上，然后测量反射光的强度。这种方法只能扫描表面上的一个点，因此对于扫描大型异质表面来说速度非常慢。相比之下，化学成像技术能够迅速在图像框架内提供化学浓度的二维图谱。在最简单的形式中，一个宽带红外成像系统会配备一个可调节的窄带滤光片。可调节的滤光片有多种类型，包括衍射光栅、法布里 - 费罗滤光片以及被称为利奥特滤光片的液晶可变延迟器和偏振器组合。

通过滤镜在一系列连续的窄波谱带或通道中对静态场景进行拍摄。该场景由一个波谱范围较广的光源（如钨灯或黑体光源）进行照明。所获得的这些图像堆叠在一起就形成了所谓的图像立方体，并可以通过主成分分析将其处理成表面的构成图。制药行业使用这种技术来绘制药丸的空间构成图，以确保活性成分在整个药丸结构中的均匀分布。

图2、三张图片显示一个女人脸上有皮下积水

图 2 展示了一个简单的化学成像示例。该图清晰地展示了女性面部皮下组织中的水分存在情况。第一张图像是在 20 纳米宽的通道中以 1100 纳米的波长拍摄的，此时水的吸收性并不强。第二张图像是在 1400 纳米波长下以 20 纳米的宽度拍摄的，此时液态水的吸收性很强。每张图像的数字强度差异形成了第三张图像，该图像仅显示了皮肤，眼睛处有一些阴影。这种差异是通过对原始的 14 位数字图像进行图像处理软件处理而实现的。第三张图像展示了原始的 14 位差异图像的 8 位灰度表示。

图3、这四幅图像显示了红外光谱选择如何帮助用户透过通常对可见光不透明的材料（如油漆或薄纸）呈现东西

红外光谱选图法还可用于穿透那些通常对可见光不透明的物质，比如油漆或薄纸。对于给定厚度的材料，较长波长的光线在其中的散射较少。图 3 展示了四个集装箱的图像。左边的两张图像（一张特写，一张远景）是在可见光下拍摄的，此时油漆是不透明的。第三张图像是在 0.9 至 1.7 微米的范围内用 InGaAs 相机拍摄的，它显示了油漆开始变得透明的波段。第四张图像（右边）是用 InSb 相机在 1.5 至 2.5 微米的范围内拍摄的，其中安装了低温滤镜，显示了现在相当透明的油漆，使得下面的数字能够很容易地读取——这对港口和边境安全专家来说可能是一个有益的发现。