《红外辐射》PPT课件.ppt

1、1,红外技术,红外技术是光电子学的重要组成部分，属于光学的应用分支。 红外技术课是一门培养学生掌握红外基本理论和相关的红外探测技术的应用基础课。,2,本课程内容,本课程分九章： 一、红外辐射 红外辐射的基本概念，辐射物理量和光谱辐射量，基尔霍夫定律，黑体和普朗克公式，斯蒂芬玻尔兹曼定律和维恩位移定律。 二、红外光谱 分子光谱，双原子分子的振转光谱，多原子分子的红外光谱。 三、红外辐射源 黑体等常用辐射源的介绍 四、红外线在大气中的传输 大气特性，大气吸收，大气散射。 五、红外探测器 红外探测器分类、噪声和性能参数；光子探测器、热探测器；检测微弱信号的方法。,六、红外调制 红外调制的方法及分类。

2、 七、常用红外器件及应用 介绍常用的红外发射器件和红外检测器件及其应用。 八、红外光学系统 在红外系统中离不开红外光学系统，其作用往往是收集目标的红外辐射并传递到红外探测器。本章介绍常用的红外光学系统及其特点 九、红外系统 本章将介绍两种常见的红外系统，红外探测系统和热成像系统的工作原理及系统构成。,3,4,参考文献： 1、红外物理学，张幼文。 2、红外光学工程，陈衡。 3、光电检测技术，罗先和等。 4、光电检测技术，雷玉堂等。 5、红外光谱法，董庆年。 6、红外系统，杨宜禾等。 7、红外辐射测量基础，周书铨。,5,第一章 红外辐射(Infrared Radiation, IR),信息科学与工

3、程学院 冯传胜 Email:,6,1.1 红外线基本知识 1.2 基本辐射量与光谱辐射量 1.3 红外辐射基本定律,7,1.1 红外线基本知识,一、红外现象的发现 1800年，英国天文学家S.W.赫胥耳(Sir William Herschel)第一次发现红外辐射现象。 他做实现时，用热敏探测器(水银温度计)发现了频率低于红光的“不可见(invisible)光”，他称这为“热射线（ calorific rays ）”。后来，红外线的英语单词取Infra-red意思是“below red”。 很长一段时间内，人们主要从事红外线的本质方面的研究以及红外光学材料研究，随着一些高灵敏度的探测器的出现，

4、红外技术开始走向实用阶段。,8,Sir Frederick William Herschel (1738-1822) was born in Hanover, Germany, and became well known as both a musician and an astronomer. He emigrated to England in 1757, and with his sister Caroline, constructed telescopes to survey the night sky. Their work resulted in several catalogs

5、of double stars and nebulae. William Herschel is perhaps most famous for his discovery of the planet Uranus in 1781, the first new planet found since antiquity. Caroline Herschel gained fame for the discovery of several comets.,In the year 1800, William Herschel made another very important discovery

6、. He was interested in learning how much heat passed through the different colored filters he used to observe the Sun and noticed that filters of different colors seemed to pass different levels of heat. Herschel thought that the colors themselves might contain different levels of heat, so he devise

7、d a clever experiment to investigate his hypothesis.,9,Herschel directed sunlight through a glass prism to create a spectrum - the rainbow created when light is divided into its colors - and measured the temperature of each color. He used three thermometers with blackened bulbs (to better absorb the

8、 heat) and placed one bulb in each color while the other two were placed beyond the spectrum as control samples. As he measured the temperatures of the violet, blue, green, yellow, orange and red light, he noticed that all of the colors had temperatures higher than the controls and that the temperat

9、ure of the colors increased from the violet to the red part of the spectrum. After noticing this pattern, Herschel decided to measure the temperature just beyond the red portion of the spectrum in a region apparently devoid of sunlight. To his surprise, he found that this region had the highest temp

10、erature of all. Herschel performed further experiments on what he called the calorific rays that existed beyond the red part of the spectrum and found that they were reflected, refracted, absorbed and transmitted just like visible light. What Sir William had discovered was a form of light (or radiat

11、ion) beyond red light. These calorific rays were later renamed infrared rays or infrared radiation (the prefix infra means below). Herschels experiment was important not only because it led to the discovery of infrared, but also because it was the first time that someone showed that there were forms

12、 of light that we cannot see with our eyes. Herschels original prism and mirror are on display at the National Museum of Science and Industry in London, England.,1835年，安培宣告了光和热射线的同一性。 1870年，兰利制成了面积只有针孔那样大小的探测器，并用凹面反射光栅、岩盐及氟化物棱镜来提高测量色散的能力，这为红外应用的重要方面航空摄影奠定了基础。 1880年，“红外”一词出现在阿贝尼的文 章中（最早）。 1888年，麦洛尼用比

13、较灵敏的热电堆改进了赫胥耳的探测和测量方法，为红外技术奠定了基础。 1904年，开始采用近红外进行摄影。 1929年，苛勒发明了银氧铯（Ag-o-Cs）光阴极，开创了红外成像器件的先河。 二十世纪30年代中期，荷兰、德国、美国各自独立研制成红外变像管，红外夜视系统应用于实战。 1952年，美国陆军制成第一台热像记录仪。,10,11,12,二、红外线 红外线也是电磁波，其波长范围从0.7微米到1000微米。 分为三个波段(International Commission on Illumination(CIE, 国际照明委员会)： Near-infrared (NIR，IR-A)：0.7um1.

14、4um 水吸收窗口，常用于光纤通讯(fiber optics telecommunication) Short wavelength infrared(SWIR，IR-B)：1.4um3um Mid-wavelength infrared(MWIR，IR-C)：3um8um 大气窗口，被动式热寻导弹的工作窗口。 Long wavelength infrared(LWIR，IR-C)：8um15um 热成像的工作区域(人体热辐射波长10um) Far infrared(FIR，IR-C)：15um1000um,近红外,中红外,远红外,13,三、应用 Night vision（微光夜视）,14,红

15、外摄像机（英军押解伊战俘）,Thermography（热成像） 914um,15,Meteorology(气象学）,16,红外云图,Communications（通讯）,17,红外线遥控器？,Art history（艺术品鉴定） 探伤与识别,18,More applications Tracking Heating Spectroscopy Climatology Astronomy Biological systems More,19,20,1.2 基本辐射量与光谱辐射量,1.2.1 基本辐射量 以电磁波形式传播的能量称为辐射能，用Q表示，单位为焦耳。 红外探测器响应的往往是辐射能相对于时间

16、的速率，称为辐射功率(P)。 辐射功率以及由它派生出来的几个辐射度学的物理量，属于基本辐射量。,21,一、辐射功率P 辐射功率就是单位时间内发射(传输或接收)的辐射能。单位为：瓦(焦耳/秒)。 辐射功率P的定义表示为 二、辐射度M 辐射源单位面积向半球空间(立体角为2)发射的辐射功率，称为辐射源的辐射度。单位为： 瓦/m2。 辐射度M的定义表示为 相应一面辐射源的辐射功率可以表示为,22,三、辐射强度I 点源与扩展源： 相对于被观测者(一般指探测器) 的张角很小的辐射源称为点源。 相对于被观测者的张角很大的辐 射源称为扩展源。 点源单位立体角内的辐射功率称为辐射强度。单位为瓦/球面度。 辐射强

17、度I的定义表示为 它给出了点源发射的辐射功率在某方向上角密度的度量。很明显它与辐射功率的关系还可表示为,23,四、辐亮度L 对于扩展源有辐亮度的概念。 辐亮度为扩展源单位面积 在某方向上单位立体角内的 辐射功率。 单位为： 瓦/(m2球面度) 辐亮度L的定义可表示为 可见辐亮度与观测者所在的方位角有关。,24,根据辐亮度的定义，源面上的小面积元A在方向上的小立体角内发射的辐射功率为 A向半球空间(2球面度)发射的辐射功率为 根据辐射度M的定义，有,上面给出的几个物理量(辐射度、辐射强度和辐亮度)都用于表征辐射源的辐射特性。,25,五、辐照度E 用于表示被照面接收辐射的特性。 辐照度是被照表面单

18、位面积上接收的辐射功率。单位是：瓦/m2。 辐照度E的定义可表示为,辐照度E的大小不仅与在被照面上的位置有关，而且还与辐射源的特性及被照面与源的相对位置有关。如图，两点源S1和S2的辐射强度I相同，它们在x位置产生的辐照度为,26,1.2.2 光谱辐射量 前面几个辐射量只考虑了辐射功率的空间分布特征，并认为这些辐射量包含了波长从0到 的全部辐射，所以常把它们叫做全辐射量。 下面给出对辐射的光谱特征的度量。 光谱辐射量即波长单位间隔(取波长单位为um)内的辐射度量。,27,光谱辐射功率P： 光谱辐射度M ： 光谱辐射强度I ： 光谱辐亮度L ： 光谱辐照度E ：,瓦um-1,瓦 m-2 um-1

19、,瓦球面度-1 um-1,瓦 m-2球面度-1 um-1,瓦 m-2 um-1,28,29,1.2.3 朗伯余弦定律(Lamberts Law) 镜面反射体与漫反射体。 理想漫反射体服从朗伯余弦定律： 即理想漫辐射源单位表面积向空间指向方向(如观测方向)单位立体角内发射(或反射)的辐射功率与该指定方向与表面法线夹角的余弦成正比。其中B是与方向角无关的比例系数。 又称为余弦发射定律（cosine emission law）或朗伯发射定律（Lamberts emission law） 注意：虽然余弦定律是针对理想漫辐射源的，但在实际中很多辐射源在一定范围内具有接近朗伯余弦定律的辐射规律，如实验用的

20、黑体；电绝缘体(与法线方向小于60度)。,30,1.2.4 漫辐射源的辐射特性 一、漫辐射源的辐亮度 可见，理想漫辐射源辐亮度是一个与方向无关的常量。 二、漫辐射源的辐亮度与辐射度的关系,(请证明本式),31,三、小面源的I、L及M的相互关系 小面源上的L可以看成是相同的， 则其可以看作是朗伯辐射体。 则其上小面元dA辐射功率 可以表示为 小面源A上的辐射功率为 根据辐射强度I的定义，有 根据M=L，则有,(朗伯定律的另一形式),32,四、理想漫反射体辐亮度与辐照度的关系 理想漫反射体将辐射到它上面的辐射功率无吸收和无透射地反射出去。所以辐射度等于其表面上的辐照度，即M=E。 根据M=L，则

21、即理想漫反射体的辐亮度等于其辐照度除以 。,1.2.5 辐射量计算举例 一、点源向圆盘发射 的辐射功率 点源S的辐射强度为I，圆盘中心距S的距离为l0，圆盘的半径为Rc。计算S在圆盘上的辐射功率。,33,如图，小面元dA上接收的功率为 又 则,34,则圆盘上接收的总辐射功率为 设l0=1m,则圆盘上接收的辐射功率与圆盘半径的关系如图所示。,35,36,二、小面源产生的辐照度计算 相对于点源来说，小面源的分析更具实际意义。如果在系统中辐射源的尺寸相对于源到接收系统的距离是较小的，这时辐射源可以看作小面源。 设小面源的面积为As，其辐亮度为L。由于As很小，可将其看作点源，则其辐射强度为 其中s是

22、l0与小面源法线的夹角，l0是源到被照面的距离。,37,图中Ac为被照面的面积， c为辐射在被照面上的入射角。 源在被辐射面上产生的 照度为 如果辐射源可以看成朗伯辐射体，则,38,如果将上面的辐射量换成 光谱辐射量则,39,三、均匀大面积辐射源产生的辐照度 探测器面对的辐射源可能是大扩展源，如红外装置面对的天空背景等。设其为朗伯辐射体，其辐亮度为L，现计算该扩展源在面积为Ad的探测器表面上产生的辐照度。,40,如图，设探测器的半 视场角为0，在探测器 的视场范围内取圆环状 面积元 设源表面与探测器表面平行，则图中s=, 利用前面推导的小面源生产的辐照度公式有,41,从图中，又有 所以 可见，

23、当20时， 相应的光谱辐照度为,42,下面我们分析一下对 扩展源做点源近似时所 产生的误差 则 当将其看作点源时有 相对误差可记为 当b/h0.1时，相对误差小于1%。此时,43,44,1.3 红外辐射基本定律,1.3.1 基尔霍夫辐射定律(Kirchhoffs radiation law) 在给定温度下，对某一波长来说，物体对辐射的吸收本领和发射本领的比值与物体本身的性质无关，对于一切物体都是恒量。可表示为 其中(, T)为物体的吸收率。 为了研究物体的辐射特性，提出了黑体的概念，即对于理想黑体(, T)=1 。,45,1.3.2 普朗克定律(Plancks Law) 黑体的光谱辐射度是温度

24、与波长的函数，但具体是什么样的函数呢？人们用经典理论一直无法完全解释实验事实。 1900年，普朗克提出“量子学说”，并建立了黑体辐射度的正确公式（普朗克公式）。 普朗克对可以作为绝对黑体辐射的空腔作了两个假设： （1）空腔壁的原子是一些谐振子（振动着的电偶极子），谐振子的能量只能取一些分立的值，是最小值0(h)的整数倍：10,20,。这些分离的能量值称为谐振子的能级，两相邻能级之差即为0 。 （2）谐振子不能连续地发射或吸收能量，只能跳跃地进行。即谐振子只能从一个能级跃迁到另一个能级，而不能处于两个能级之间的某一能量状态。,46,普朗克定律给出了黑体一定温度下辐射随频率的变化关系。 黑体光谱辐

25、射度描述为,其中：波长(um) 频率 c光速:2.9979251010cm/s h普朗克常数:6.626196 10-34 W/s2 k玻尔兹曼(Boltzmann)常数:1.380622 10-23 Ws/K T绝对温度.,47,不同温度时的光谱辐射度,48,经常将普朗克公式写成：,其中：波长 T绝对温度. c1第一辐射常数，c1=2hc2=3.741844 10-12 W/cm2 c2第二辐射常数，c2=ch/k=1.438833cm K,49,Mb的关系曲线称为普朗克曲线，它们有以下特点: 1、随波长连续变化，连线、平滑、具有单一峰值; 2、单一温度对应一条曲线。曲线下的面积为黑体的全辐

26、射度(Mb=T4); 3、温度越高，Mb也越高，不同温度下的曲线永不相交； 4、曲线峰值对应的波长m随温度的升高而降低； 5、随着温度的升高，黑体辐射的幅度呈指数增长； 6、黑体辐射能量的75%位于波长高于m的范围，而25%位于波长低于m的范围。,50,1.3.3 斯蒂芬-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann Law) 1879年，Stefan得出经验公式，1884年由他的学生Boltzmann用热力学理论导出。 黑体的辐射度Mb与温度T的四次方成正比。 斯蒂芬-玻尔兹曼定律可由Planck定律导出,其中：斯蒂芬-玻尔兹曼常数5.6697 x 10-8 W/m2 K4 T绝对温度(K).,51,From