红外技术(2)-2hy.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,燕山大学 信息科学与工程学院,主讲老师：韩颖,Email:lucyhan2004,红,外,技,术,2.1 描述辐射场的基本物理量,2.2 光谱辐射量与光子辐射量,2.3 光度量,2.4 朗伯余弦定律和漫辐射源的辐射特性,2.5 辐射量的基本规律及计算,2.6 辐射的反射、吸收和透射,2.7 辐射量的计算举例,2.4,朗伯余弦定律,和漫辐射源的辐射特性,漫反射：,与漫辐射具有相同特性的反射。(电影屏幕等),1.漫辐射源,漫辐射源：,辐射亮度,L,与方向无关的辐射源(太阳、荧光屏等)。,漫辐射：,漫辐射源发出的辐射,。,即：“理想漫反射源单位表面积 向空间指定方向 单位立体角内发射(或反射)的辐射功率和该指定方向与表面法线夹角的余弦成正比。”这就是,朗伯余弦定律,，具有这种特性的发射体(或反射体)称为余弦发射体(或余弦反射体)。,描述这种辐射的空间分布的特性公式为,式中,B,常数,辐射法线与观察方向夹角,A,辐射源面积 ,辐射立体角,两式相比较，则：,由辐射亮度的定义知：,(2)朗伯辐射源的辐射强度,方向,立体角内辐射的功率为,则与法线成,角方向上的辐射强度为,注意：虽各方向亮度相同，但辐射强度不同,。,3 辐射出射度与辐射亮度关系,由,和 （朗伯余弦定律）,有,则,即,综上，朗伯辐射体的特性有,4 漫反射表面和理想漫反射表面,漫反射表面,：不管入射辐射的方向如何，其漫反射辐射通量分布服从朗伯余弦定律，其辐射亮度只与表面本身的反射比和表面的辐射照度有关，而与反射辐射的方向无关,。,2.6,辐射量的基本规律及计算,由辐射强度的定义知,由立体角的定义,则,由照度的定义,如,=0，则,距离平方反比定律：,描述点辐射源在某点产生的照度的规律。,1 距离平方反比定律,但必须注意，被照的平面一定要垂直于辐射投射的方向，如果有一定的角度，则情况如下图所示,此时的照度为,该式也被称为照度的余弦法则。,说明,(2)以上的公式同样适用于：点光源的大小与距离,相比不大的情况,(3)单位：,(4)它常用于测量光源的发光强度。,(1)垂直照射,掠射,标准光源,待测光源,哈勃超深场照片,2012年 哈勃级超深场，观察到最远132亿光年星体,例,解,求,直径,3,m,的圆桌中心上方,2m,处吊一平均发光强度为,200cd,灯泡。,圆桌中心与边缘的光照度。,因为灯丝发光体远,2m,可做为点光源处理,1、房间的面积为4.58m3.66m，由100cd电灯照明，电灯悬于天花板中央，离地2.44m，求地面上不同位置的照度，(1)灯正下方；(2)房屋的一角。假设灯在各个方向的发光强度均相同。,2、在一平面S上方4m高处有一发光强度为100cd的各向同性点光源C，S平面上有一点P，OCP=60，求点源C对它正下方S上的O点所产生的照度，以及对S面上P点所产生的照度。,已知条件如图：辐射源尺寸,A,s,，辐射源亮度,L,，被照表面积为,A,，两者距离,l,，,s,和,分别为,A,s,和,A,的法线与,l,的夹角，并设辐射源为朗伯体。求：辐射源在平面,A,产生的照度。,2 立体角投影定律,l,A,s,A,l,A,s,A,辐射源,A,s,在,s,方向的辐射强度为,由距离平方反比定律,A,s,在,A,上产生的辐射照度,为,A,s,对,A,所张立体角,为,则,多个辐射源照射同一点时，照度相加。,如果有,N,个辐射源，,I,相同，则被照点处的总照度,3 组合定律,描述辐射通过调制盘后辐射量的减小。,调制盘：把恒定的辐射通量变为断续的辐射通量。,4 塔尔伯特定律,X,X,0,衰减因子,为总开口的角度。每转一周360。,通过调制盘的辐射量,1.几个光源同时照在某一点时，该点处的照度如何表示？,2.光源确定后，如何使受辐射面积上获得最大照度？(根据什么定律),2.6,辐射的反射、吸收和透射,如图所示，投射到某介质表面上的辐射功率,i,分为三部分：,被表面反射，,被介质吸收，,从介质中透射过去。根据能量守恒定律有,或写为,1 反射比、吸收比和透射比,i,其中反射率、吸收率和透射率的定义如下：,反射率为,吸收率为,透射率为,与上式比较，有,光谱比辐射量：在+波长间隔内的、：,光谱反射率为,光谱吸收率为,光谱透射率为,()、()和()都是波长的函数，它们也满足:,在,1,+,2,波长间隔内的,、,、,（1）朗伯定律,假设介质对辐射只有吸收作用，如图所示，设有一平行辐射束在均匀(即不考虑散射)的吸收介质内传播距离为d,x,路程之后，其辐射功率减少d,。实验证明，被介质吸收掉的辐射功率的相对值d,/,与通过的路程d,x,成正比，即,式中,称为介质的吸收系数,2 朗伯定律和朗伯-比尔定律,将上式从0到,x,积分，得到在,x,点处的辐射功率为：,(0),x,=0处的辐射功率，,(,x,),x,处的辐射功率,上式就是吸收定律，它表明，辐射功率在传播过程中，由于介质的吸收，数值随传播距离增加作指数衰减。,吸收率和吸收系数是两个不同意义的概念。,介质的吸收系数一般与辐射的波长有关。对于光谱辐射功率，可以把吸收定律表示为：,式中,(,),为光谱吸收系数,内透射率为：,具有两个表面的介质的透射情形,设介质表面,(1),的透射率为,1,(,),，表面,(2),的透射率为,2,(,),。对表面,(1),有,(0)=,1,(,),i,。若表面,(1),和,(2),的反射率比较小，且只考虑在表面,(2),上的第一次透射,(,即不考虑在表面,(2),与表面,(1),之间来回反射所产生的各项透射,),，则有,(x,)=,2,(,),(,x,),。于是，利用以上两式，得到介质的透射率为,由上式可以看出，一介质的透射率,(,),等于两个表面的透射率,1,(,),、,2,(,),和内透射率,i,(,),的乘积。,设有一功率为,的平行单色辐射束，入射到包含许多微粒的非均匀介质上。由于介质中微粒的散射作用，使一部分辐射偏离原来的传播方向，因此，在介质内传播距离d,x,路程后，通过d,x,之后透射的辐射功率,，比原来入射功率,衰减少了d,，实验证明，辐射衰减的相对值d,/,与在介质中通过的距离d,x,成正比，即,(,)为散射系数,只考虑散射存在,如果把上式从0到,x,积分，则得,式中，,(0)是在,x,=0处的辐射功率，,(,x,)是在只有散射的介质内通过距离,x,后的辐射功率。,介质的散射作用，也使辐射功率按指数规律随传播距离增加而减少。,以上我们分别讨论了介质只有吸收或只有散射作用时，辐射功率的传播规律。只考虑吸收的内透射率,i,()和只考虑散射的内透射率,i,(,)的表示式为,如果在介质内同时存在吸收和散射作用，并且认为这两种衰减机理彼此无关。那么，总的内透射率为,于是，我们可以写出，在同时存在吸收和散射的介质内，功率为,i,辐射束传播距离为,x,的路程后，透射的辐射功率为,式中，,(,),=,(,),+,(,)称为介质的消光系数。,该式就叫朗伯定律。,（2）朗伯-比耳定律,假设在一定的条件下，每个单元的吸收不依赖于吸收元的浓度。则吸收系数就正比于单位程长上所遇到的吸收元的数目，即正比于这些单元的浓度,n,，可以写为,式中,()(通常是波长的函数)是单位浓度的吸收系数。上式叫做,比耳定律,。,散射系数可以写为,n,是散射元浓度，,(,)是单元浓度的散射系数,因为,()和,(,)具有面积的量纲，所以又称为吸收截面和散射截面。,我们就可以把朗伯定律写为,称为朗伯-比耳定律,该定律表明：,在距离表面为,x,的介质内透射的辐射功率将随介质内的吸收元和散射元的浓度的增加而以指数规律衰减。这个定律的重要应用之一是用红外吸收法做混合气体组分的定量分析。常用的红外气体分析仪就是按此原理工作的。,红外气体分析仪的工作原理,2.7,辐射量的计算举例,设一漫辐射圆盘的辐射亮度为,L,，面积为,A,，如图所示。按朗伯余弦定理，圆盘在与其法线成,角的方向上的辐射强度为：,式中I,0,=LA，为圆盘在其法线方向上的辐射强度,1 圆盘的辐射强度和辐射功率,圆盘向半球空间发射的辐射功率为,，按辐射亮度的定义有,因为球坐标系,则,也可按辐射强度的定义，求得,或按朗伯源的辐射规律M,=,L,，同样可得,2 球面的辐射强度和辐射功率,设球面的辐射亮度为,L,，球半径为,R,，球面积为,A,，如图2-21所示，求球面在,=0方向上的辐射强度,I,0,，则在球面上所取得的小面源,在,=0方向上的辐射强度为,则,(2-83),同样的计算可以求得球面在,方向的辐射强度,可见球面在各方向上的辐射强度相等。,球面向整个空间发射的辐射功率为,(2-84),式中,I,0,=,LR,2,，为球面的辐射强度。,3 半球面的辐射强度和辐射功率,设半球球面的辐射亮度为,L,，球半径为,R,，如图所示，求球面在,=0方向上的辐射强度,I,0,，则有,(2-85),半球球面在,方向的辐射强度为,(2-86),可见半球球面在各方向上的辐射强度是不相等的。,半球球面向整个空间发射的辐射功率为,(2-87),以上的计算都是辐射亮度为常数的朗伯源的情况。对于非朗伯源，辐射亮度不为常数，而与方向有关。若给出辐射源的辐射亮度与方向的关系，则可利用式(2-15)求得辐射强度。,如图所示，设点源的辐射强度为,I,，它与被照面上,x,点处面积元d,A,的距离为,l,，d,A,的法线与,l,的夹角为,，则投射到d,A,上的辐射功率为,所以，点源在被照面上,x,点,处产生的辐射照度为,4 点源产生的辐射照度,5 小面源产生的辐射照度,如图所示，设小面源的面积为,A,s,，辐射亮度为,L,，被照面面积为,A,，,A,s,与,A,相距为,l,，,A,s,和,A,的法线与,l,的夹角分别为,s,和,。小面源,A,s,的辐射强度为,小面源产生的辐射照度为,(2-89),上式也可以直接利用立体角投影定理计算，小面源,A,s,对被照点所张的立体角为,由立体角投影定理有,(2-90),应用上式时，要求,小面积的线度比距离,l,要小得多,。,作 业,阳光垂直照射地面时，照度为10,5,lx，若认为太阳是朗伯辐射体，并忽略大气衰减，已知地球轨道半径为1.510,8,km，太阳的直径为1.410,6,km，求太阳的亮度。,有一直径为0.06m的圆形均匀漫射玻璃，其透射比为0.5，用一小光源照明玻璃片，小光源距玻璃片1m，在玻璃片前方中心3m的地方放一个带有直径为0.04m孔的光阑，这时通过孔的光通量是多少？假定小光源的发光强度为600cd.,