第一章红外物理基础.
合集下载
红外物理(共计250页)
毕业生需求及分配就业情况 因为国内没有相同专业，在我校隶属兵器部时，红外技术专业毕业生基本 有固定的分配去向，人数比例较多的大致为如下几个方向： 各光机所、物理所：长春光机所、长春物理所、上海光机所、上海技术物 理所、西安光机所、安徽光机所、昆明物理所。 各军工研究所：部内203所、205所、211所、航天207所、707所、713所等。 各兵器光学厂：长春228厂、西安248厂、云南298厂、扬州5308厂、无锡 559厂、河南541厂等。 各省公安厅、直辖市公安局、军校和地方高等院校、武器实验基地、地方 光电子企业、半导体厂、公司等。 逢国内业内召开会议时，都会看到很多本专业毕业生。很多毕业生都已经 成为专业领域的技术骨干或高级管理人员。 随着军事科技形势的不断发展，对该专业毕业生需求将是长期的。 隶属地方及专业目录合并以后，除上述分配去向外，去三资企业的较多， 凡与光电子技术、电子材料与元器件有关的企业均可接纳红外专业毕业生。
红外技术的应用
1 2 3 4 5 6
军事目标的侦察、监视、预警与跟踪 红外制导是一种重要的制导方式。 红外通信。 军用夜视仪。 是探测隐身飞行器的一种手段。 对威胁进行红外告警。
红外对抗（简介）：红外干扰机，红外诱饵，红外
烟幕，红外隐身。 红外技术在民用方面的应用：红外测温，红外遥控， 红外遥感，红外医疗，红外加热，红外光谱技术 。 总之，红外技术的应用及其广泛，它已涉及到军事 战术或战略的情报搜集、目标的侦察监视、武器制 导等各个领域，对未来战争产生重大的影响。在工 业、医学和科研等许多方面也广为使用，例如热源 探测，医用热像仪、温度测量与过程控制、红外光 谱分析、红外加热、红外遥感、红外天文学等。
业务培养要求：
本专业学生主要学习数学、物理学、四大力 学、固体物理、半导体物理、红外物理学与 光电子学的基础理论和基本知识，具有利用 现代的光学、机械、电子、计算机等先进技 术，对红外系统乃至光电子系统及仪器整机 的设计、计算、应用的基本能力。掌握各种 光电子器件、工艺及系统的设计、研究与开 发的基本能力。
红外物理
1红外辐射的基本特点：1）人眼不敏感，使用红外探测仪探测2）光量子能量小3）热效应比可见光强4）更易于吸收。
2红外系统的特点：1）尺寸小、重量轻2）能有效抗可见光伪装3）白天夜间都能工作4）比雷达更精确5）对辅助设备要求少。
3辐射能Q：以电磁波的形式发射、传输和接收的能量。
辐射功率P：发射、传输或接收辐射能的时间速率。
辐射强度I：描述点辐射源特性的辐射量。
辐射出射度M：辐射源单位表面积向半球空间内发射的辐射功率。
辐射亮度L：辐射源在某一方向上的单位投影面积向单位立体角中发射的辐射功率。
辐射照度E：被照表面的单位面积上接收到的辐射功率。
4朗伯小面源的I、L、M关系：I=Lcosθ∆A，M=πL。
5辐射度量的基本规律：距离平方反比定律：辐射强度为I的点源，在距离它ι处且与辐射线垂直的平面上产生的辐射照度与I成正比，E=Icosθ/ι2。
互易定理：两面元所传递的辐射功率之比等于两辐射面的辐射亮度之比。
6圆盘：Iθ=I0cosθP=πI0球面：I0=πLR2P=4πI0半球面：Iθ=1/2πLR2(1+ cosθ) P=2πI07发光的种类：化学发光、光致发光、电致发光、热辐射。
好的吸收体必是好的发射体。
8基尔霍夫定律：热平衡条件下，物体的辐射出射度与吸收率的壁纸等于空腔中的辐射照度，与物体的性质无关。
9黑体：任何温度下能够全部吸收任何波长入射辐射的物体。
反射率和透射率为零，吸收率为1，黑体为朗伯辐射体。
10黑体辐射特征：1）光谱辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个极大值2）曲线随温度的升高而整体升高3）曲线不相交，温度越高，光谱辐射出射度越大4）峰值波长随温度升高而减小5）黑体辐射只与黑体的绝对温度有关（维恩位移定律表明其成反比）11物体的发射率：在指定温度T时的辐射量与同温度黑体的相应辐射量的比值。
12发射率的一般规律：1）朗伯辐射体三种发射率相等2）金属的发射率较低，随温度升高而增高3）非金属的发射率较大随温度的升高而降低4）介质的光谱发射率随波长变化而变化。
第一章红外物理基础
造成“红外线白内障”
光电效应等
Aห้องสมุดไป่ตู้
15
1.2 电磁波谱
A
16
1.电磁波的分类
• Gamma 射线：
• X射线：
• 紫外线：
• 可见光: 0.38～0.75微米
• 红外线： 0.75～1000微米
• 微波：
• 射频：
A
17
2. 红外辐射的光谱划分
• 根据红外辐射在地球大气层中的传输特性划分：
名称
SPIE “INFRARED TECHNOLOGY AND APPLICATIONS”国际会议
A
10
主要内容
➢ 第一章 红外物理基础
➢ 第二章 红外探测器
➢ 第三章 红外探测器的参数测试
➢ 第四章 微光探测技术
➢ 第五章 制冷技术
➢ 第六章 红外与微光技术应用
A
11
第一章 红外物理基础
1.1 红外线的发现与本质
A
22
1.3 红外辐射源
1.3.1 热辐射的基本定律 1. 基尔霍夫定律(Kirchhoff’s Law)
热平衡时，必有：
T
ME
EM
（1-1）
A
其中，M是物体A的辐出度；
α是物体A的吸收率；
E是物体A上的辐照度
表述：
在热平衡条件下，物体的辐射出射度与其吸收率的比值等
于空腔中的辐射照度，这与物体的性质无关。
➢ 热成像
侦察和监视，热测绘，潜艇探测，导弹的地下发射阱、人员、车辆、武器野 营吹火以及战地营房的探测等
➢ 反射通量测量
夜间驾驶，冲锋枪的射击，入侵检测，伪装探测，基地保卫，停泊和着陆等
➢ 合作光源
红外物理(第二版)课件：辐射度学和光度学基础
其中,V 为体积,单位是 m3。
辐射度学和光度学基础 2.2.3 辐射功率
辐射功率就是发射、传输或接收辐射能的时间速率,用 P 表示,单位是 W,其定义 式为
其中,t为时间,单位为s。
辐射度学和光度学基础
辐射功率主要描述辐射能的时间特性,如许多辐射源的 发射特性,以及辐射探测器的 响应值不取决于辐射能的时间 积累,而取决于辐射功率的大小。
辐射度学和光度学基础 因此,在θ方向观测到的辐射源表面上位置x 处的辐亮度,
就是 Δ2P与 ΔAθ及 ΔΩ 之比的极限值,即
辐亮度的单位是 W/(m2·sr)。
辐射度学和光度学基础
图2-5 辐亮度的定义
辐射度学和光度学基础
由(2-7)式可知,源面上的小面源dA在θ方向的小立体角元 dΩ 内发射的辐射功率为d2P=LcosθdΩdA,所以,dA 向半球空 间发射的辐射功率可以通过对立体角积分得到,即
辐射度学和光度学基础
辐射度学主要是建立在几何光学的基础上,作两个假设: 第一,辐射按直线传播,因 此,辐射的波动性不会使辐射能的空 间分布偏离一条几何光线所规定的光路;第二,辐射 能是不相 干的,所以辐射度学不考虑干涉效应。
与其他物理量的测量相比较,辐射能的测量误差是很大 的,百分之一的误差就认为是 很精确的了。这也只能是在操 作非常小心,所采用的元件、技术、测试标准与上述误差十 分匹配的条件下才能达到的。
辐射度学和光度学基础 对于上述所测量的小面源 ΔA,有
由上式可得
辐射度学和光度学基础 如果小面源的辐亮度L 不随位置变化(由于小面源 ΔA
面积较小,通常可以不考虑L 随 ΔA 上位置的变化),则
即小面源在空间某一方向上的辐射强度等于该面源的辐 亮度乘以小面源在该方向上的 投影面积(或表观面积)。
辐射度学和光度学基础 2.2.3 辐射功率
辐射功率就是发射、传输或接收辐射能的时间速率,用 P 表示,单位是 W,其定义 式为
其中,t为时间,单位为s。
辐射度学和光度学基础
辐射功率主要描述辐射能的时间特性,如许多辐射源的 发射特性,以及辐射探测器的 响应值不取决于辐射能的时间 积累,而取决于辐射功率的大小。
辐射度学和光度学基础 因此,在θ方向观测到的辐射源表面上位置x 处的辐亮度,
就是 Δ2P与 ΔAθ及 ΔΩ 之比的极限值,即
辐亮度的单位是 W/(m2·sr)。
辐射度学和光度学基础
图2-5 辐亮度的定义
辐射度学和光度学基础
由(2-7)式可知,源面上的小面源dA在θ方向的小立体角元 dΩ 内发射的辐射功率为d2P=LcosθdΩdA,所以,dA 向半球空 间发射的辐射功率可以通过对立体角积分得到,即
辐射度学和光度学基础
辐射度学主要是建立在几何光学的基础上,作两个假设: 第一,辐射按直线传播,因 此,辐射的波动性不会使辐射能的空 间分布偏离一条几何光线所规定的光路;第二,辐射 能是不相 干的,所以辐射度学不考虑干涉效应。
与其他物理量的测量相比较,辐射能的测量误差是很大 的,百分之一的误差就认为是 很精确的了。这也只能是在操 作非常小心,所采用的元件、技术、测试标准与上述误差十 分匹配的条件下才能达到的。
辐射度学和光度学基础 对于上述所测量的小面源 ΔA,有
由上式可得
辐射度学和光度学基础 如果小面源的辐亮度L 不随位置变化(由于小面源 ΔA
面积较小,通常可以不考虑L 随 ΔA 上位置的变化),则
即小面源在空间某一方向上的辐射强度等于该面源的辐 亮度乘以小面源在该方向上的 投影面积(或表观面积)。
红外基本原理介绍-PPT
– 她们之间得绝对温度四次方之差(T4hi - T4lo)、 – 并依赖于:
• 物体材料, • 物体表面特征, • 表面朝向, • 物体表面几何结构, • 物体温度 • 红外波长、
Friday,
December 29,
8
2023
红外辐射
和可见光一样,红外辐射可以:
从物体表面反射、 被物体吸收、 穿透物体
– 对于灰体 : e < 1, e = 常数
• 一个发射率 < 1 得物体,并且随波长变化称之为实体、
– 对于实体: e < 1, e = f(l)
Friday,
December 29,
17
2023
高温物体得普朗克定律
黑体辐射
可见光
Friday, December 29, 2023
波长
19
低温物体得普朗克定律
Friday,
December 29,
6
2023
– 热能通过三种方式传递、 • 传导 – 固体、 • 对流 – 液体和气体 、 • 辐射 – 不需要媒介、
Friday, December 29, 2023
对流
传导
热传递
辐射
7
热传递
• 热量通常就是从高温处传到低温处,从而使得物体间温度升高或者降低、 • 通过热辐射传递得能量为:
W
Friday, December 29, 2023
T
22
大气吸收
• 我们认为大气应该就是透明得
– 我们能看见可见光 – 大气对于可见光就是透明得
• 但就是大气对于所有波段并不就是透明得、
Friday,
December 29,
23
2023
• 物体材料, • 物体表面特征, • 表面朝向, • 物体表面几何结构, • 物体温度 • 红外波长、
Friday,
December 29,
8
2023
红外辐射
和可见光一样,红外辐射可以:
从物体表面反射、 被物体吸收、 穿透物体
– 对于灰体 : e < 1, e = 常数
• 一个发射率 < 1 得物体,并且随波长变化称之为实体、
– 对于实体: e < 1, e = f(l)
Friday,
December 29,
17
2023
高温物体得普朗克定律
黑体辐射
可见光
Friday, December 29, 2023
波长
19
低温物体得普朗克定律
Friday,
December 29,
6
2023
– 热能通过三种方式传递、 • 传导 – 固体、 • 对流 – 液体和气体 、 • 辐射 – 不需要媒介、
Friday, December 29, 2023
对流
传导
热传递
辐射
7
热传递
• 热量通常就是从高温处传到低温处,从而使得物体间温度升高或者降低、 • 通过热辐射传递得能量为:
W
Friday, December 29, 2023
T
22
大气吸收
• 我们认为大气应该就是透明得
– 我们能看见可见光 – 大气对于可见光就是透明得
• 但就是大气对于所有波段并不就是透明得、
Friday,
December 29,
23
2023
红外物理学简介
自然界中一切温度高于绝对零度的物体都会不断向外 辐射红外线，红外成像技术利用这一特性，通过接收
物体辐射的红外线并转换为可见图像。
输入 红外标探题测器
红外探测器是红外成像系统的核心部件，用于接收红 外辐射并将其转换为电信号。常见的红外探测器类型 包括热释电探测器、光子探测器等。
红外辐射原 理
光学系统
红外探测器输出的电信号需要经过放大、滤波等处理， 最终转换为可见图像并显示在显示器上。
透射
部分红外辐射能够穿透物质， 透射强度取决于物质的透射率 和厚度。
散射
红外辐射在物质内部或表面发生 散射，改变其传播方向，散射现 象与物质的微观结构密切相关。
03 红外光谱分析技术
红外光谱仪结构及工作原理
光路系统
包括分束器、反射镜、干涉仪 等，用于将红外光分为两束并 引入样品室。
检测器
将透过样品的光信号转换为电 信号，常用的有热释电检测器 和光电导检测器。
红外物理学在科技领域的重要性
军事领域
红外物理学在军事领域的应用主要体现在红外制导、红外 侦察、红外夜视等方面，对于提高武器装备的作战性能和 夜间作战能力具有重要意义。
医疗领域
红外物理学在医疗领域的应用包括红外热成像技术用于疾 病诊断、红外理疗技术用于康复治疗等，为医学诊断和治 疗提供了新的手段和方法。
发展历程
自19世纪初发现红外线以来，红外物 理学经历了从基础研究到应用研究的 转变，逐渐在军事、医疗、工业等领 域发挥重要作用。
研究对象及特点红外辐射的发 射、吸收、透射、反射等现象。
特点
红外辐射具有热效应显著、穿透能力 强、抗干扰性好等特点，使得红外物 理学在多个领域具有广泛的应用前景。
生物医学光子学应用探索
第一章红外物理基础解读
1.太阳
T≈ 5600K
2897 P 0.5 m T
太阳辐射的光谱分布可以用5600 K的黑体的辐射来近似表示
• 曲线1： 温度为6000K的黑体； • 曲线2：太阳在大气层外的辐出度光谱分布 • 曲线3：太阳在海平面上的辐出度光谱分布
太阳辐射很接近于黑体辐射
2.月亮
Reflected Sunlight（太阳反射） Thermal Emission（自身辐射）
2004年
陈永甫编著，《红外辐射、红外器件与典型应用》，电子 工业出版社，2004年
张敬贤等，《微光与红外成像技术》，北京理工大学出版
社，1995年 A.R.杰哈著，《红外技术应用》，化工出版社，2004年
其他：
– 《红外探测器》 – 《红外电子学》 – 《红外光学系统》 – 《红外光谱》 – 《红外技术实验与方法》 – 《红外系统》
• Comman sense approach to thermal imaging, Gerald C. Holst, JCD, SPIE, 2000.
• Maldague, Xavier P. V., Theory and practice of infrared technology for nondestructive testing, John Wliley & Sons, 2001
学习本课程的意义
拓宽知识面
将理论知识用于实践，融会贯通，提高解决实际
问题的能力
了解红外与微光技术实际应用水平和最新发展动
态
为以后的工作和科研提供参考
主要参考书目
吴宗凡等，《红外与微光技术》，国防工业出版社， 1998年 张建奇等，《红外物理》，西安电子科技大学出版社，
红外-红外基本原理
(2) 能斯特灯(Nernst Lamp)
能斯特灯是由稀土金属氧化物烧 结的空心棒或实心棒。 Φ1~2×25mm + -
主要成分：氧化锆(75%)、氧化钇、氧 化钍等，并含有少量的氧 化钙、氧化钠、氧化镁等. 供电电流：0.5~1.2A; 工作温度：1300~17000C; 使用寿命：2000h.
电阻的温度系数为负值： 室温下：非导体; > 5000C：半导体; > 7000C：导体; 需要预热> 7000C.
由于傅里叶变换红外吸收光谱仪可以在任何测量时间内获得辐 射源所有频率的所有信息，同时也消除了色散型光栅仪器的狭缝对 光谱通带的限制，使光能的利用率大大提高，因此具有许多优点。 测量时间短：在不到一秒钟的时间内可以得到一张谱图，比色散型 光栅仪器快数百倍；可以用于GC-IR联用分析。 分 辨 率 高：波数精度达到0.01cm-1。 测量精度高：重复性可达0.1%。 杂散光小：小于0.01%。 灵敏度高：在短时间内可以进行多次扫描，多次测量得到的信号进 行累加，噪音可以降低，灵敏度可以增大，10-9~10-12g。 测定光谱范围宽：10000~10cm-1,
二、傅里叶变换红外吸收光谱仪简介
Fourier Transform Infrared Spectrometer
FT-IR
光源
1．组成结构框图及工作原理
迈克尔逊干涉仪
吸收池
分 束 器
干涉图 检测器
傅里叶变换
红外吸收光谱图
数据处理 仪器控制
单色光
单色光
二色光
多色光
2．傅里叶变换红外吸收光谱仪的特点
善检测器响应，通常采取程序增减狭缝宽度的办法，即随辐射
能量降低，狭缝宽度自动增加，保持到达检测器的辐射能量的 恒定。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ents of infrared technology, generation,transmission, and detection, Paul W. Kruse, et al. John Wiley & Sons, 1962 • Infrared optoelectronics, device and applications, William Nunley, et al., Marcel Dekker, 1987 • Semiconductor quantum wells and superlattices for longwavelength infrared detectors, M. O. Marasreh, Artech house, 1993. • Intrsubband infrared photodetectors, V. Ryzhii, World Scientific, 2003
1.电磁波的分类
• Gamma 射线：
• X射线：
• 紫外线：
• 可见光:
• 红外线： • 微波： • 射频：
0.38～0.75微米
0.75～1000微米
2. 红外辐射的光谱划分
• 根据红外辐射在地球大气层中的传输特性划分：
名称 英文缩写 波长范围（微米）
近红外/短波红 外 中红外/中波红 外 远红外/长波红 外/热红外 极远红外
学习本课程的意义
拓宽知识面
将理论知识用于实践，融会贯通，提高解决实际
问题的能力
了解红外与微光技术实际应用水平和最新发展动
态
为以后的工作和科研提供参考
主要参考书目
吴宗凡等，《红外与微光技术》，国防工业出版社， 1998年 张建奇等，《红外物理》，西安电子科技大学出版社，
2. 红外线的本质
一切温度高于绝对零度的物体（有生命和 无生命）的物体时时刻刻都在不停的辐射
红外线
红外线无处不在
3.红外线的主要效应
红外线的热效应
红外线的生物效应
医疗保健： 消炎﹑促进再生﹑免疫调节
不利影响： 波长0.8～1.2微米的短波红外，
造成“红外线白内障”
光电效应等
1.2 电磁波谱
不同温度下黑体辐射出射度随波长的变化
3.维恩位移定律(Wien displacement formula)
黑体光谱辐射出射度的峰值波长m与绝对温度T的关系：
mT b
（1-3）
（可由普朗克公式（1-2）对波长求导，然后再令导数等于零求得）
式中，λm是光谱辐射出射度的峰值波长 ； b是维恩位移常数 ，b=(2897.8±0.4)(μm· K)； T是绝对温度（K）。 物理意义： 温度上升，辐射峰值总是朝着较短波长方向位移。 解释现象： 当物体温度升高时，它的颜色将跟着变化 。
2004年
陈永甫编著，《红外辐射、红外器件与典型应用》，电子 工业出版社，2004年
张敬贤等，《微光与红外成像技术》，北京理工大学出版
社，1995年 A.R.杰哈著，《红外技术应用》，化工出版社，2004年
其他：
– 《红外探测器》 – 《红外电子学》 – 《红外光学系统》 – 《红外光谱》 – 《红外技术实验与方法》 – 《红外系统》
1.太阳
T≈ 5600K
2897 P 0.5 m T
太阳辐射的光谱分布可以用5600 K的黑体的辐射来近似表示
• 曲线1： 温度为6000K的黑体； • 曲线2：太阳在大气层外的辐出度光谱分布 • 曲线3：太阳在海平面上的辐出度光谱分布
太阳辐射很接近于黑体辐射
2.月亮
Reflected Sunlight（太阳反射） Thermal Emission（自身辐射）
• Comman sense approach to thermal imaging, Gerald C. Holst, JCD, SPIE, 2000.
• Maldague, Xavier P. V., Theory and practice of infrared technology for nondestructive testing, John Wliley & Sons, 2001
1.3.1 基本定律 1.3.2 红外辐射源的分类 1.3.3 自然源 1.3.4 标准源 1.3.5 人造源
1.4红外系统
1.1红外线的发现与本质
1. 1800年，英国天文学
家 Herschel 用棱镜将太 阳光色散，并利用灵敏的 温度计进行探测，发现在 红光外测温度计温度比红 光区域高。 证明了红外线的存在。
红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，
又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。
1.3 红外辐射源
1. 1.3.1 热辐射的基本定律 基尔霍夫定律(Kirchhoff’s Law)
热平衡时，必有：
T
A
M E
E
M
（1-1）
其中，M是物体A的辐出度； α是物体A的吸收率； E是物体A上的辐照度
NIR/SWIR
MIR/MWIR FIR/LWIR/TIR
0.75～3
3～6 6～15 15～1000
XIR
红外大气窗口：大气对红外辐射基本是透明的
1～3微米﹑3～5微米﹑8～15微米
红外大气窗口
3.根据红外辐射产生的机理进行划分：
近红外区：0.75～2.5微米，对应于原子能级之间的
跃迁和分子振动泛频区的振动光谱带
估算
（1）人体（T=310 K） （2）太阳（T=6000 K）
b 2898 m μm 9.4 μm T 310 b 2898 m μm 0.48 μm T 6000
思考： 有何实际意义？
4.斯蒂芬-波耳兹曼定律（ Stefan-Boltzmann Law)
斯蒂芬和波尔兹曼先后于1879年和1884年分别从实验 测量和热力学推导中得出结论：黑体辐射的总能量与它 的绝对温度的四次方成正比。
• Irving J. Spiro, Monroe Schlessinger, Infrared technology fundamentals, MARCEL DEKKER,INC., 1989 • A. R. JHA, Infrared Technology, Applications to Electrooptics, Photonic Devices, and Sensors， 2000
P1 0.5 m
• 红外辐射更容易被物质吸收，但对薄雾来说，长
波红外辐射更容易通过。
红外技术：研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应 用的技术科学
主要内容：
• 红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、 强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折 射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。 • 红外元件、部件的研制，包括辐射源、红外探测器、微型 制冷器、红外窗口材料和滤光片等。 • 把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。 • 红外技术在军事上和国民经济中的应用。
表述： 在热平衡条件下，物体的辐射出射度与其吸收率的比值等 于空腔中的辐射照度，这与物体的性质无关。
•
结论：
E M
1. 好的吸收体必是好的发射体 （
）；
2. 对于不透明物体（透过率 0），好的发射体必 是弱的反射体（ 1 ）； 3. 如果反射率和透射率均为零，则吸收率等于1
黑体
黑体（black body） ：
任何温度下能够全部吸收任何波长入射辐射的物体
bb bb 1
一个理想化的概念 是一个比较标准
在一个密闭的空腔上开一个小孔， 腔孔的辐射就相当于 一个面积等于腔孔面积的黑体辐射
黑体模型
2.普朗克公式—黑体辐射理论最基本的公式
描述了黑体辐射的光谱分布：
•金属或其他非透明材料的辐射发生在表面几微米内,因此,发 射率与材料尺寸无关,主要与表面状态有关。表面涂复或刷漆 对发射率有影响，表面的油膜、污垢、灰尘、擦伤都能引起发 射率测量值的变化。
•发射率是有方向性的。
1.3.2 红外辐射源的分类
black body
1.3.3自然（红外）源
太阳、地球表面、天空、外层空间和星体等都是自然辐射源
红外与微光技术
张 艳
电子科技大学 光电信息学院
课程特点
知识面广 红外物理﹑工程光学﹑半导体物理﹑图像处理， 检测技术等。 应用广泛 军事领域 民用领域 科学研究
军事领域
搜索﹑跟踪﹑测距
导弹制导，导航和飞行控制，目标探测，入侵检测，飞机碰撞预警等
辐射测量
地形分析，毒气的探测，目标和背景的特性等
Mb
0
2 5 k 4 4 4 M d T T 15c 2 h3
（1-4）
（在从零到无穷大的波长范围内,对普朗克公式（1-2）积分 ）
2 4 式中 σ : 斯蒂芬-波耳兹曼常数, 5.6697×10-12 （ W cm K ）
意义： 红外辐射测温的理论基础
医学
皮肤温度测量，癌症早期探查，远距离生物传感 器，初期脑溢血的早期诊断，测定静脉堵塞的部 位，研究动物的夜间习性，监视愈合过程等
科学研究
卫星探测 天体温度测量 气象情况的遥测 植物中热交换的研究 地球和星星大气成分的测定 其他行星上的植被或生命的探测 研究火山，侦察海面浮冰，石油勘探， 伪造品的探测，宝石鉴定，探测患病的农作物
中红外区：2.5～25微米，对应分子转动能级和振动 能级之间的跃迁
远红外区：25～1000微米，对应分子转动能级之间
的跃迁
4.红外辐射的特点
• 电磁波，具有与可见光相似的特性，如反射﹑折 射﹑干涉﹑衍射和偏振 • 人眼对红外辐射不敏感，需用红外探测器才能探
1.电磁波的分类
• Gamma 射线：
• X射线：
• 紫外线：
• 可见光:
• 红外线： • 微波： • 射频：
0.38～0.75微米
0.75～1000微米
2. 红外辐射的光谱划分
• 根据红外辐射在地球大气层中的传输特性划分：
名称 英文缩写 波长范围（微米）
近红外/短波红 外 中红外/中波红 外 远红外/长波红 外/热红外 极远红外
学习本课程的意义
拓宽知识面
将理论知识用于实践，融会贯通，提高解决实际
问题的能力
了解红外与微光技术实际应用水平和最新发展动
态
为以后的工作和科研提供参考
主要参考书目
吴宗凡等，《红外与微光技术》，国防工业出版社， 1998年 张建奇等，《红外物理》，西安电子科技大学出版社，
2. 红外线的本质
一切温度高于绝对零度的物体（有生命和 无生命）的物体时时刻刻都在不停的辐射
红外线
红外线无处不在
3.红外线的主要效应
红外线的热效应
红外线的生物效应
医疗保健： 消炎﹑促进再生﹑免疫调节
不利影响： 波长0.8～1.2微米的短波红外，
造成“红外线白内障”
光电效应等
1.2 电磁波谱
不同温度下黑体辐射出射度随波长的变化
3.维恩位移定律(Wien displacement formula)
黑体光谱辐射出射度的峰值波长m与绝对温度T的关系：
mT b
（1-3）
（可由普朗克公式（1-2）对波长求导，然后再令导数等于零求得）
式中，λm是光谱辐射出射度的峰值波长 ； b是维恩位移常数 ，b=(2897.8±0.4)(μm· K)； T是绝对温度（K）。 物理意义： 温度上升，辐射峰值总是朝着较短波长方向位移。 解释现象： 当物体温度升高时，它的颜色将跟着变化 。
2004年
陈永甫编著，《红外辐射、红外器件与典型应用》，电子 工业出版社，2004年
张敬贤等，《微光与红外成像技术》，北京理工大学出版
社，1995年 A.R.杰哈著，《红外技术应用》，化工出版社，2004年
其他：
– 《红外探测器》 – 《红外电子学》 – 《红外光学系统》 – 《红外光谱》 – 《红外技术实验与方法》 – 《红外系统》
1.太阳
T≈ 5600K
2897 P 0.5 m T
太阳辐射的光谱分布可以用5600 K的黑体的辐射来近似表示
• 曲线1： 温度为6000K的黑体； • 曲线2：太阳在大气层外的辐出度光谱分布 • 曲线3：太阳在海平面上的辐出度光谱分布
太阳辐射很接近于黑体辐射
2.月亮
Reflected Sunlight（太阳反射） Thermal Emission（自身辐射）
• Comman sense approach to thermal imaging, Gerald C. Holst, JCD, SPIE, 2000.
• Maldague, Xavier P. V., Theory and practice of infrared technology for nondestructive testing, John Wliley & Sons, 2001
1.3.1 基本定律 1.3.2 红外辐射源的分类 1.3.3 自然源 1.3.4 标准源 1.3.5 人造源
1.4红外系统
1.1红外线的发现与本质
1. 1800年，英国天文学
家 Herschel 用棱镜将太 阳光色散，并利用灵敏的 温度计进行探测，发现在 红光外测温度计温度比红 光区域高。 证明了红外线的存在。
红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，
又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。
1.3 红外辐射源
1. 1.3.1 热辐射的基本定律 基尔霍夫定律(Kirchhoff’s Law)
热平衡时，必有：
T
A
M E
E
M
（1-1）
其中，M是物体A的辐出度； α是物体A的吸收率； E是物体A上的辐照度
NIR/SWIR
MIR/MWIR FIR/LWIR/TIR
0.75～3
3～6 6～15 15～1000
XIR
红外大气窗口：大气对红外辐射基本是透明的
1～3微米﹑3～5微米﹑8～15微米
红外大气窗口
3.根据红外辐射产生的机理进行划分：
近红外区：0.75～2.5微米，对应于原子能级之间的
跃迁和分子振动泛频区的振动光谱带
估算
（1）人体（T=310 K） （2）太阳（T=6000 K）
b 2898 m μm 9.4 μm T 310 b 2898 m μm 0.48 μm T 6000
思考： 有何实际意义？
4.斯蒂芬-波耳兹曼定律（ Stefan-Boltzmann Law)
斯蒂芬和波尔兹曼先后于1879年和1884年分别从实验 测量和热力学推导中得出结论：黑体辐射的总能量与它 的绝对温度的四次方成正比。
• Irving J. Spiro, Monroe Schlessinger, Infrared technology fundamentals, MARCEL DEKKER,INC., 1989 • A. R. JHA, Infrared Technology, Applications to Electrooptics, Photonic Devices, and Sensors， 2000
P1 0.5 m
• 红外辐射更容易被物质吸收，但对薄雾来说，长
波红外辐射更容易通过。
红外技术：研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应 用的技术科学
主要内容：
• 红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、 强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折 射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。 • 红外元件、部件的研制，包括辐射源、红外探测器、微型 制冷器、红外窗口材料和滤光片等。 • 把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。 • 红外技术在军事上和国民经济中的应用。
表述： 在热平衡条件下，物体的辐射出射度与其吸收率的比值等 于空腔中的辐射照度，这与物体的性质无关。
•
结论：
E M
1. 好的吸收体必是好的发射体 （
）；
2. 对于不透明物体（透过率 0），好的发射体必 是弱的反射体（ 1 ）； 3. 如果反射率和透射率均为零，则吸收率等于1
黑体
黑体（black body） ：
任何温度下能够全部吸收任何波长入射辐射的物体
bb bb 1
一个理想化的概念 是一个比较标准
在一个密闭的空腔上开一个小孔， 腔孔的辐射就相当于 一个面积等于腔孔面积的黑体辐射
黑体模型
2.普朗克公式—黑体辐射理论最基本的公式
描述了黑体辐射的光谱分布：
•金属或其他非透明材料的辐射发生在表面几微米内,因此,发 射率与材料尺寸无关,主要与表面状态有关。表面涂复或刷漆 对发射率有影响，表面的油膜、污垢、灰尘、擦伤都能引起发 射率测量值的变化。
•发射率是有方向性的。
1.3.2 红外辐射源的分类
black body
1.3.3自然（红外）源
太阳、地球表面、天空、外层空间和星体等都是自然辐射源
红外与微光技术
张 艳
电子科技大学 光电信息学院
课程特点
知识面广 红外物理﹑工程光学﹑半导体物理﹑图像处理， 检测技术等。 应用广泛 军事领域 民用领域 科学研究
军事领域
搜索﹑跟踪﹑测距
导弹制导，导航和飞行控制，目标探测，入侵检测，飞机碰撞预警等
辐射测量
地形分析，毒气的探测，目标和背景的特性等
Mb
0
2 5 k 4 4 4 M d T T 15c 2 h3
（1-4）
（在从零到无穷大的波长范围内,对普朗克公式（1-2）积分 ）
2 4 式中 σ : 斯蒂芬-波耳兹曼常数, 5.6697×10-12 （ W cm K ）
意义： 红外辐射测温的理论基础
医学
皮肤温度测量，癌症早期探查，远距离生物传感 器，初期脑溢血的早期诊断，测定静脉堵塞的部 位，研究动物的夜间习性，监视愈合过程等
科学研究
卫星探测 天体温度测量 气象情况的遥测 植物中热交换的研究 地球和星星大气成分的测定 其他行星上的植被或生命的探测 研究火山，侦察海面浮冰，石油勘探， 伪造品的探测，宝石鉴定，探测患病的农作物
中红外区：2.5～25微米，对应分子转动能级和振动 能级之间的跃迁
远红外区：25～1000微米，对应分子转动能级之间
的跃迁
4.红外辐射的特点
• 电磁波，具有与可见光相似的特性，如反射﹑折 射﹑干涉﹑衍射和偏振 • 人眼对红外辐射不敏感，需用红外探测器才能探