红外辐射-PPT.pptx

红外辐射参考文献参考文献:1、红外物理学红外物理学,张幼文。张幼文。2、红外光学工程红外光学工程,陈衡。陈衡。3、光电检测技术光电检测技术,罗先和等。罗先和等。4、光电检测技术光电检测技术,雷玉堂等。雷玉堂等。5、红外光谱法红外光谱法,董庆年。董庆年。6、红外系统红外系统,杨宜禾等。杨宜禾等。7、红外辐射测量基础红外辐射测量基础,周书铨。周书铨。2第一章第一章 红外辐射红外辐射(Infrared Radiation,IR)信息科学与工程学院信息科学与工程学院 冯传胜冯传胜Email:31、1 红外线基本知识红外线基本知识1、2 基本辐射量与光谱辐射量基本辐射量与光谱辐射量1、3 红外辐射基本定律红外辐射基本定律41、1 红外线基本知识红外线基本知识一、红外现象得发现一、红外现象得发现1800年年,英国天文学家英国天文学家S、W、赫歇尔赫歇尔(Sir William Herschel)第第一次发现红外辐射现象。一次发现红外辐射现象。她做实现时她做实现时,用热敏探测器用热敏探测器(水银水银温度计温度计)发现了频率低于红光得发现了频率低于红光得“不可见不可见(invisible)光光”,红外线得红外线得英语单词英语单词Infra-red意思就是意思就是“below red”。很长一段时间内很长一段时间内,人们主要从人们主要从事红外线得本质方面得研究以事红外线得本质方面得研究以及红外光学材料研究及红外光学材料研究,随着一随着一些高灵敏度得探测器得出现些高灵敏度得探测器得出现,红外技术开始走向实用阶红外技术开始走向实用阶段。段。5SirFrederickWilliamHerschel(1738-1822)wasborninHanover,Germany,andbecamewellknownasbothamusicianandanastronomer、HeemigratedtoEnglandin1757,andwithhissisterCaroline,constructedtelescopestosurveythenightsky、Theirworkresultedinseveralcatalogsofdoublestarsandnebulae、WilliamHerschelisperhapsmostfamousforhisdiscoveryoftheplanetUranusin1781,thefirstnewplanetfoundsinceantiquity、CarolineHerschelgainedfameforthediscoveryofseveralets、Intheyear1800,WilliamHerschelmadeanotherveryimportantdiscovery、HewasinterestedinlearninghowmuchheatpassedthroughthedifferentcoloredfiltersheusedtoobservetheSunandnoticedthatfiltersofdifferentcolorsseemedtopassdifferentlevelsofheat、Herschelthoughtthatthecolorsthemselvesmightcontaindifferentlevelsofheat,sohedevisedacleverexperimenttoinvestigatehishypothesis、6Herscheldirectedsunlightthroughaglassprismtocreateaspectrum-therainbowcreatedwhenlightisdividedintoitscolors-andmeasuredthetemperatureofeachcolor、Heusedthreethermometerswithblackenedbulbs(tobetterabsorbtheheat)andplacedonebulbineachcolorwhiletheothertwowereplacedbeyondthespectrumascontrolsamples、Ashemeasuredthetemperaturesoftheviolet,blue,green,yellow,orangeandredlight,henoticedthatallofthecolorshadtemperatureshigherthanthecontrolsandthatthetemperatureofthecolorsincreasedfromtheviolettotheredpartofthespectrum、Afternoticingthispattern,Herscheldecidedtomeasurethetemperaturejustbeyondtheredportionofthespectruminaregionapparentlydevoidofsunlight、Tohissurprise,hefoundthatthisregionhadthehighesttemperatureofall、Herschelperformedfurtherexperimentsonwhathecalledthecalorificraysthatexistedbeyondtheredpartofthespectrumandfoundthattheywerereflected,refracted,absorbedandtransmittedjustlikevisiblelight、WhatSirWilliamhaddiscoveredwasaformoflight(orradiation)beyondredlight、Thesecalorificrayswerelaterrenamedinfraredraysorinfraredradiation(theprefixinframeansbelow)、Herschelsexperimentwasimportantnotonlybecauseitledtothediscoveryofinfrared,butalsobecauseitwasthefirsttimethatsomeoneshowedthattherewereformsoflightthatwecannotseewithoureyes、HerschelsoriginalprismandmirrorareondisplayattheNationalMuseumofScienceandIndustryinLondon,England、7二、红外线二、红外线红外线也就是电磁波红外线也就是电磁波,其波长范围从其波长范围从0、7微米到微米到1000微微米。米。分为三个波段分为三个波段(International mission on Illumination(CIE,国际照明委员会国际照明委员会):Near-infrared(NIR,IR-A):0、7um1、4um水吸收窗口水吸收窗口,常用于光纤通讯常用于光纤通讯(fiber optics telemunication)Short wavelength infrared(SWIR,IR-B):1、4um3umMid-wavelength infrared(MWIR,IR-C):3um8um大气窗口大气窗口,被动式热寻导弹得工作窗口。被动式热寻导弹得工作窗口。Long wavelength infrared(LWIR,IR-C):8um15um热成像得工作区域热成像得工作区域(人体热辐射波长人体热辐射波长10um)Far infrared(FIR,IR-C):15um1000um近红外近红外中红外中红外远红外远红外81、2 基本辐射量与光谱辐射量基本辐射量与光谱辐射量1、2、1 基本辐射量基本辐射量以电磁波形式传播得能量称为辐射能以电磁波形式传播得能量称为辐射能,用用Q表表示示,单位为单位为 焦耳焦耳。红外探测器响应得往往就是辐射能相对于时红外探测器响应得往往就是辐射能相对于时间得速率间得速率,称为辐射功率称为辐射功率(P P)。辐射功率以及由她派生出来得几个辐射度学辐射功率以及由她派生出来得几个辐射度学得物理量得物理量,属于属于基本辐射量基本辐射量。9一、辐射功率一、辐射功率P辐射功率就就是单位时间内发射辐射功率就就是单位时间内发射(传输或接收传输或接收)得辐射能。得辐射能。单位为单位为:瓦瓦(焦耳焦耳/秒秒)。辐射功率辐射功率P得定义表示为得定义表示为二、辐射度二、辐射度M辐射源单位面积向半球空间辐射源单位面积向半球空间(立体角为立体角为2)发射得辐射功率发射得辐射功率,称为辐射源得辐射度。单位为称为辐射源得辐射度。单位为:瓦瓦/m2。辐射度辐射度M得定义表示为得定义表示为相应一面辐射源得辐射功率可以表示为相应一面辐射源得辐射功率可以表示为10三、辐射强度三、辐射强度I点源与扩展源点源与扩展源:相对于被观测者相对于被观测者(一般指探测器一般指探测器)得张角很小得辐射源称为点源。得张角很小得辐射源称为点源。相对于被观测者得张角很大得辐相对于被观测者得张角很大得辐射源称为扩展源。射源称为扩展源。点源单位立体角内得辐射功率称为辐射强度。单点源单位立体角内得辐射功率称为辐射强度。单位为位为瓦瓦/球面度球面度。辐射强度辐射强度I得定义表示为得定义表示为她给出了点源发射得辐射功率在某方向上角密度她给出了点源发射得辐射功率在某方向上角密度得度量。很明显她与辐射功率得关系还可表示为得度量。很明显她与辐射功率得关系还可表示为11大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点四、辐亮度四、辐亮度L对于扩展源有辐亮度得概念。对于扩展源有辐亮度得概念。辐亮度为扩展源单位面积辐亮度为扩展源单位面积在某方向上单位立体角内得在某方向上单位立体角内得辐射功率。辐射功率。单位为单位为:瓦瓦/(m2球面度球面度)辐亮度辐亮度L得定义可表示为得定义可表示为可见辐亮度与观测者所在得方位角可见辐亮度与观测者所在得方位角有关。有关。13根据辐亮度得定义根据辐亮度得定义,源面上得小面积元源面上得小面积元A在在方方向上得小立体角向上得小立体角内发射得辐射功率为内发射得辐射功率为A向半球空间向半球空间(2球面度球面度)发射得辐射功率为发射得辐射功率为根据辐射度根据辐射度M M得定义得定义,有有上面给出得几个物理量上面给出得几个物理量(辐射度、辐射强度和辐亮度辐射度、辐射强度和辐亮度)都用于表征辐射源得辐射特性。都用于表征辐射源得辐射特性。14五、辐照度五、辐照度E用于表示被照面接收辐射得特性。用于表示被照面接收辐射得特性。辐照度就是被照表面单位面积上接收得辐射功率。辐照度就是被照表面单位面积上接收得辐射功率。单位就是单位就是:瓦瓦/m2。辐照度辐照度E得定义可表示为得定义可表示为辐照度辐照度E得大小不仅与在被照面上得得大小不仅与在被照面上得位置有关位置有关,而且还与辐射源得特性及被而且还与辐射源得特性及被照面与源得相对位置有关。如图照面与源得相对位置有关。如图,两点两点源源S1和和S2得辐射强度得辐射强度I相同相同,她们在她们在x位位置产生得辐照度为置产生得辐照度为151、2、2 光谱辐射量光谱辐射量前面几个辐射量只考虑了辐射功率得空间分前面几个辐射量只考虑了辐射功率得空间分布特征布特征,并认为这些辐射量包含了波长从并认为这些辐射量包含了波长从0到到 得全部辐射得全部辐射,所以常把她们叫做全辐射量。所以常把她们叫做全辐射量。下面给出对辐射得光谱特征得度量。下面给出对辐射得光谱特征得度量。光谱辐射量即波长单位间隔光谱辐射量即波长单位间隔(取波长单位为取波长单位为um)内得辐射度量。内得辐射度量。16光谱辐射功率光谱辐射功率P:光谱辐射度光谱辐射度M:光谱辐射强度光谱辐射强度I:光谱辐亮度光谱辐亮度L:光谱辐照度光谱辐照度E:瓦瓦um-1瓦瓦 m-2 um-1瓦瓦球面度球面度-1 um-1瓦瓦 m-2球面度球面度-1 um-1瓦瓦 m-2 um-117181、2、3 朗伯余弦定律朗伯余弦定律(LambertsLaw)镜面反射体与漫反射体。镜面反射体与漫反射体。理想漫反射体服从朗伯余弦定律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即理想漫辐射源单位表面积向空间指向方向(如观测方向如观测方向)单位立体角内发射单位立体角内发射(或反射或反射)得得辐射功率与该指定方向与表面法线夹角得余辐射功率与该指定方向与表面法线夹角得余弦成正比。其中弦成正比。其中B就是与方向角无关得比例就是与方向角无关得比例系数。系数。又称为余弦发射定律又称为余弦发射定律(cosine emission law)或朗伯发射定律或朗伯发射定律(Lamberts emission law)注意注意:虽然余弦定律就是针对理想漫辐射源得虽然余弦定律就是针对理想漫辐射源得,但但在实际中很多辐射源在一定范围内具有接近朗伯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得辐射规律余弦定律得辐射规律,如实验用得黑体如实验用得黑体;电绝缘体电绝缘体(与法线方向小于与法线方向小于60度度)。191、2、4 漫辐射源得辐射特性漫辐射源得辐射特性一、漫辐射源得辐亮度一、漫辐射源得辐亮度可见可见,理想漫辐射源辐亮度就是一个与方向无关理想漫辐射源辐亮度就是一个与方向无关得常量。得常量。二、漫辐射源得辐亮度与辐射度得关系二、漫辐射源得辐亮度与辐射度得关系(请证明本式请证明本式)20三、小面源得三、小面源得I、L及及M得相互关系得相互关系小面源上得小面源上得L可以看成就是相同得可以看成就是相同得,则其可以看作就是朗伯辐射体。则其可以看作就是朗伯辐射体。则其上小面元则其上小面元dA辐射功率辐射功率可以表示为可以表示为小面源小面源A上得辐射功率为上得辐射功率为根据辐射强度根据辐射强度I得定义得定义,有有根据根据M=L,则有则有(朗伯定律得另朗伯定律得另一形式一形式)21四、理想漫反射体辐亮度与辐照度得关系四、理想漫反射体辐亮度与辐照度得关系理想漫反射体将辐射到她上面得辐射功率无吸收理想漫反射体将辐射到她上面得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和无透射地反射出去。所以辐射度等于其表面上得辐照度得辐照度,即即M=E。根据根据M=L,则则即理想漫反射体得辐亮度等于其辐照度除以即理想漫反射体得辐亮度等于其辐照度除以。221、3 红外辐射基本定律红外辐射基本定律1、3、1 基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律(Kirchhoffs radiation law)在给定温度下在给定温度下,对某一波长来说对某一波长来说,物体对辐射得吸收物体对辐射得吸收本领和发射本领得比值与物体本身得性质无关本领和发射本领得比值与物体本身得性质无关,对对于一切物体都就是恒量。可表示为于一切物体都就是恒量。可表示为其中其中(,T)为物体得吸收率。为物体得吸收率。为了研究物体得辐射特性为了研究物体得辐射特性,提出了黑体得概念提出了黑体得概念,即对即对于理想黑体于理想黑体(,T)=1。231、3、2 普朗克定律普朗克定律(Plancks Law)黑体得光谱辐射度就是温度与波长得函数黑体得光谱辐射度就是温度与波长得函数,但具体就但具体就是什么样得函数呢？人们用经典理论一直无法完全是什么样得函数呢？人们用经典理论一直无法完全解释实验事实。解释实验事实。1900年年,普朗克提出普朗克提出“量子学说量子学说”,并建立了黑体辐射并建立了黑体辐射度得正确公式度得正确公式(普朗克公式普朗克公式)。普朗克对可以作为绝对黑体辐射得空腔作了两个假普朗克对可以作为绝对黑体辐射得空腔作了两个假设设:(1)空腔壁得原子就是一些谐振子空腔壁得原子就是一些谐振子(振动着得电偶极子振动着得电偶极子),谐振谐振子得能量只能取一些分立得值子得能量只能取一些分立得值,就是最小值就是最小值0(h)得整数得整数倍倍:10,20,。这些分离得能量值称为谐振子得能级。这些分离得能量值称为谐振子得能级,两两相邻能级之差即为相邻能级之差即为0。(2)谐振子不能连续地发射或吸收能量谐振子不能连续地发射或吸收能量,只能跳跃地进行。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,而不能处于两而不能处于两个能级之间得某一能量状态。个能级之间得某一能量状态。24普朗克定律给出了黑体一定温度下辐射随频率得变普朗克定律给出了黑体一定温度下辐射随频率得变化关系。化关系。黑体光谱辐射度描述为黑体光谱辐射度描述为其中其中:波长波长(um)频率频率c光速光速:2、9979251010cm/sh普朗克常数普朗克常数:6、626196 10-34 W/s2k玻尔兹曼玻尔兹曼(Boltzmann)常数常数:1、380622 10-23 Ws/KT绝对温度绝对温度、25不同温度时得光谱辐射度不同温度时得光谱辐射度26经常将普朗克公式写成经常将普朗克公式写成:其中其中:波长波长T绝对温度绝对温度、c1第一辐射常数第一辐射常数,c1=2hc2=3、741844 10-12 W/cm2c2第二辐射常数第二辐射常数,c2=ch/k=1、438833cm K27Mb得关系曲线称为普朗得关系曲线称为普朗克曲线克曲线,她们有以下特点她们有以下特点:1、随波长、随波长连续变化连续变化,连线、连线、平滑、具有单一峰值平滑、具有单一峰值;2、单一温度对应一条曲线。、单一温度对应一条曲线。曲线下得面积为黑体得全辐曲线下得面积为黑体得全辐射度射度(Mb=T4);3、温度越高、温度越高,Mb也越高也越高,不同不同温度下得曲线永不相交温度下得曲线永不相交;4、曲线峰值对应得波长、曲线峰值对应得波长m随随温度得升高而降低温度得升高而降低;5、随着温度得升高、随着温度得升高,黑体辐射黑体辐射得幅度呈指数增长得幅度呈指数增长;6、黑体辐射能量得、黑体辐射能量得75%位于位于波长高于波长高于m得范围得范围,而而25%位位于波长低于于波长低于m得范围。得范围。281、3、3 斯蒂芬斯蒂芬-玻玻尔尔兹兹曼曼定律定律(Stefan-Boltzmann Law)1879年年,Stefan得出经验公式得出经验公式,1884年由她得学生年由她得学生Boltzmann用热力学理论导出。用热力学理论导出。黑体得辐射度黑体得辐射度Mb与温度与温度T得四次方成正比。得四次方成正比。斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律可由玻尔兹曼定律可由Planck定律导出定律导出其中其中:斯蒂芬斯蒂芬-玻玻尔尔兹兹曼曼常数常数5、6697 x 10-8 W/m2 K4T绝对温度绝对温度(K)、291、3、4 维恩位移定律维恩位移定律(Wiens displacement Law)又称维恩定律又称维恩定律,1893年年,Wilhelm Wien提出提出:最大光谱辐射度得波长最大光谱辐射度得波长max与绝对温度与绝对温度T成反比例关系。成反比例关系。维恩位移定律提示了辐射体得颜色。从前图中可维恩位移定律提示了辐射体得颜色。从前图中可以看出以看出,800K(527C)物体开始发光物体开始发光(偏红偏红),太阳太阳为为5800K,颜色偏黄。颜色偏黄。维恩位移定律可由维恩位移定律可由Planck定律导出定律导出其中其中:C=2897、8微米微米 K就是一常就是一常数。数。32将维恩公式代入将维恩公式代入Planck公式公式,可以得出可以得出Mb得得最大值为最大值为其中其中:B=1、286210-15瓦瓦微米微米-1 K-5就是一常数。就是一常数。331、3、5 用光子数表示得绝对黑体辐射公用光子数表示得绝对黑体辐射公式式一个频率为一个频率为得光子得能量为得光子得能量为用普朗克公式除上式得黑体得光子光谱辐射用普朗克公式除上式得黑体得光子光谱辐射度为度为式中式中Mqb得单位就是得单位就是光子光子秒秒-1 厘米厘米-2 微米微米-1;c1=2c就是一个常数。就是一个常数。36