第五章_红外成像原理
红外成像的原理
红外成像的原理一、引言红外成像是一种利用物体发射的红外辐射进行成像的技术。
在红外光谱范围内，物体的发射和反射红外光与其温度密切相关。
因此，通过检测和分析物体发射的红外辐射，可以获取物体的温度分布信息，实现红外成像。
二、红外辐射特点红外辐射是指波长长于可见光的电磁辐射，波长范围一般为0.75-1000微米。
与可见光相比，红外辐射具有以下特点：1. 红外辐射在大气中的传输性能较好。
红外辐射的传输受大气吸收的影响较小，因此可以在大气环境中远距离传输。
2. 红外辐射与物体的热量有关。
物体的温度越高，发射的红外辐射能量越大。
3. 红外辐射可以穿透一些透明的介质。
某些红外辐射波长范围内的辐射可以穿透玻璃、塑料等透明材料。
三、红外成像原理红外成像的原理基于物体发射的红外辐射与其温度相关的特性。
红外成像的过程可以分为以下几个步骤：1. 红外辐射接收：通过红外探测器接收物体发射的红外辐射。
红外探测器常用的有热电偶、焦平面阵列等。
2. 信号处理：接收到的红外辐射信号经过放大、滤波等处理，以提高信噪比和图像质量。
3. 图像重建：将经过处理的红外辐射信号转换为图像。
图像的重建可以采用各种算法和技术，如傅里叶变换、滤波和插值等。
4. 温度计算：通过图像中的红外辐射强度来计算物体的温度分布。
通常，根据物体的辐射强度与温度之间的关系建立一个标定模型，以将辐射强度转换为温度值。
四、红外成像的应用红外成像技术在军事、安防、医疗、工业检测等领域具有广泛的应用前景。
1. 军事：红外成像技术可以用于夜视仪、导弹制导系统等军事设备中，实现在暗夜环境下的目标探测和识别。
2. 安防：红外成像技术可以用于监控系统，实现对暗夜中的目标进行视频监控和识别，提高安全性。
3. 医疗：红外成像技术可以用于医学诊断，如乳腺癌早期检测、皮肤病诊断等。
4. 工业检测：红外成像技术可以用于工业设备的故障检测和预防性维护，提高生产效率和设备可靠性。
五、红外成像的发展趋势随着红外探测器、信号处理和图像重建技术的不断进步，红外成像技术已经取得了显著的发展。
红外成像仪原理
红外成像仪原理
红外成像仪是一种通过红外辐射探测和成像的设备。
其原理是利用物体发出的红外辐射来获取目标物体的图像信息。
当物体被加热时，其分子和原子会产生热运动，从而产生红外辐射。
红外成像仪利用此辐射，并将其转换成电信号，然后将其转化为热图像，从而实现对物体的探测和成像。
红外成像仪主要由红外探测器、光学系统和图像处理系统组成。
红外探测器是核心部件，其中最常用的是热电偶探测器和半导体探测器。
当红外辐射通过光学系统到达红外探测器时，探测器会将辐射转换为电信号。
然后，电信号经过放大和处理后，可以得到目标物体的热图像。
最后，通过图像处理系统对热图像进行处理，得到清晰的红外图像，这样可以实现对目标物体的探测和成像。
红外成像仪具有广泛的应用领域，例如军事、安防、消防、航空等。
在军事上，可以用于探测和追踪敌方目标；在安防中，可以用于夜视、监控和边境防控；在消防中，可以用于发现和定位火灾；在航空上，可以用于检测飞机表面的温度变化等。
通过红外成像仪，可以实现对红外辐射的探测和成像，为各个领域的应用提供有效的支持。
红外线成像原理
红外线成像原理红外线成像是一种利用物体辐射的红外辐射来获取目标信息的技术。
红外线成像技术已经广泛应用于军事、安防、医疗、工业检测等领域。
它能够在夜晚或者低光条件下实现目标的探测和识别，具有很高的实用价值。
红外线成像的原理主要基于物体的热辐射特性。
所有的物体都会向外辐射热能，这种热能的波长范围在红外波段，因此被称为红外辐射。
根据物体的温度不同，其辐射的红外波长也会不同。
利用红外线成像技术，可以通过探测器接收目标的红外辐射，然后将其转换成电信号，最终形成红外图像。
红外线成像技术主要包括红外辐射探测、信号处理和图像显示三个主要部分。
首先是红外辐射探测，它是整个系统的核心部分。
探测器的性能直接影响到成像的清晰度和灵敏度。
目前常用的红外探测器有热电偶探测器、焦平面阵列探测器等。
其次是信号处理部分，它包括信号放大、滤波、数字化等步骤，用于增强图像的对比度和清晰度。
最后是图像显示，通过将信号转换成可见的图像，来实现对目标的观测和识别。
红外线成像技术具有很多优点。
首先，它可以实现夜视功能，对于夜间作战和夜间监控具有重要意义。
其次，它可以穿透一些雾、烟、灰尘等大气干扰，具有较好的透视能力。
另外，红外线成像技术还可以实现对温度分布的测量，用于工业检测和医学诊断。
然而，红外线成像技术也存在一些局限性。
首先，受到红外辐射的波长范围限制，其分辨率不如可见光成像技术高。
其次，受到大气吸收和散射的影响，红外线成像技术在远距离观测上存在一定的局限性。
另外，红外线成像设备的成本较高，对于一些应用场景来说，成本可能是一个制约因素。
总的来说，红外线成像技术以其独特的优势和应用价值，已经成为现代科技领域中不可或缺的一部分。
随着技术的不断进步，相信红外线成像技术在未来会有更广泛的应用和发展。
红外成像原理教学课件
疾病诊断
红外成像技术能够无创、无痛地 检测人体组织的温度和热分布， 辅助医生诊断疾病，如乳腺肿瘤 、甲状腺疾病等。
康复治疗
红外成像技术能够促进血液循环 、缓解疼痛、加速伤口愈合等， 在康复医学领域得到广泛应用， 提高康复治疗效果。
总结与展望
06
红外成像技术的发展历程和现状
红外成像技术的起源
自20世纪初，人们开始研究红外辐射的原理和应用，逐渐发展出 红外成像技术。
越好。
红外成像系统的性
03
能指标
分辨率和灵敏度
分辨率
分辨率是红外成像系统能够区分最小 温差的能力，通常以角度或像素表示 。高分辨率图像能够提供更丰富的细 节信息，有助于识别目标。
灵敏度
灵敏度是指红外成像系统在给定噪声 条件下能够检测到的最小温差或辐射 功率。高灵敏度的系统能够在低辐射 条件下工作，提高图像质量。
多光谱和超光谱成像
总结词
多光谱和超光谱成像技术能够提供更丰富的光谱信息，有助于区分不同类型目标、提高伪装识别能力和环境感知 能力。
详细描述
多光谱成像技术通过获取不同波段的红外辐射信息，能够区分不同类型目标，如生物目标、化学物质等。超光谱 成像技术则能够在更窄的波段内获取连续的光谱信息，提供更丰富的细节和特征信息，有助于提高对复杂环境的 感知和理解。
红外成像技术的实
05
际应用案例
军事领域的应用案例
目标检测与跟踪
红外成像技术广泛应用于军事侦察、导弹制导、无人机侦查 等领域，能够快速准确地检测和跟踪目标，提高军事行动的 效率和准确性。
夜视与导航
在夜间或低光照条件下，红外成像技术能够提供清晰的目标 图像，为军事人员提供可靠的夜视和导航支持，提高作战能 力。
红外成像技术研究及应用
红外成像技术研究及应用第一章：引言红外成像技术是一种热成像技术，技术原理是将人眼看不见的红外波段辐射转换成可见图像，从而实现对目标物体的热像监测、识别、跟踪及测温等多种功能。
随着科技的不断发展，红外成像技术已经得到了广泛的应用，包括安防、军事、医学以及工业等领域。
本篇文章将对红外成像技术的原理、分类、特点、应用等方面进行探讨。
第二章：红外成像技术原理红外成像技术是一种基于物体辐射的成像技术。
光谱上，红外波段是介于可见光谱和微波谱之间的一段波段，其波长范围通常从0.75μm至1000μm，分为近红外、中红外和远红外三个子区域。
物体本身会发出辐射，即热辐射，不同物体的热辐射形成的光谱是不同的，经过红外探测器接收并转换成电信号，再经过图像处理、放大、调节等环节后，最终呈现出可见的热像图像。
第三章：红外成像技术分类红外成像技术主要分为两种类型：1.主动照射红外成像技术：通过人工或机械对目标进行辐射，目标对辐射的响应被红外探测器所接收，通过这种方式获得热图像。
2.自然辐射红外成像技术：即红外相机，在没有外部光源的情况下，采用感光元件对环境红外辐射进行采集，再经过数字信号处理后输出图像。
第四章：红外成像技术特点红外成像技术有以下特点：1.热成像：可以看到物体的热分布状态，从而有效识别出存在异常热的点或频次。
2.全天候性：不受环境光的影响，可以在黑夜或恶劣环境下使用。
3.不接触检测：不会对目标物体产生影响，对目标的无损检测和观察非常适用。
4.高精度：红外成像技术可以实现高精度的测温和监测。
第五章：红外成像技术应用1.安防：可以用于夜间监控、边境监管、消防防控等方面。
2.军事：可以用于夜视仪、导弹导引、侦察等方面。
3.医学：可以用于病理学、治疗学、健康监测等方面。
4.工业：可以用于机械设备故障诊断、温度监测等方面。
5.航空航天：可以用于飞行器姿态控制、轨道测量等方面。
第六章：结论红外成像技术的应用十分广泛，有着不同的应用领域和功能，对于提升生产和生活的质量、安全和效率都有极大的帮助。
红外成像原理42页PPT
文物鉴定
医学
军事
数据传输
8
红外成像的原理
一、红外线的特性 又称红外辐射，是指波长为0.78~1000
微米的电磁波。其中波长为0.78~2.0微米的 部分称为近红外，波长为2.0~1000微米的部 分称为热红外线，也就是我们熟悉的中远 红外光；
9
红外成像的原理
红外辐射普遍存在于自然界：
任何温度高于绝对零度的物体（人体、冰、 雪等）都在不停地发射红外辐射。
精确测量目
标与观察者 之间的距离
探测距离为1220米时的选通时序图
34
主动式红外成像系统
如何减小大气后向 散射影响？
选通技术
通过发射脉冲时序 配合，使变像管在接 收观察目标反射回来 的红外辐射时工作。
32
主动式红外成像系统
探照灯：短脉 冲红外激光
＋
红外变像管： 加选通电极
33
8微秒
脉冲光源 照明输出
后向散射辐射 目标反射辐射
减少大气后 向散射对红 外图像对比 度和清晰度
的影响
选通脉冲
1～2.5
3～5
8～14
12
红外成像系统
红外成像系统
主动式红外成像系统 （红外夜视仪）
利用不同物体 对红外辐射的 不同反射
被动式红外成像系统 （红外热像仪）
利用物体自 然发射的红 外辐射
13
被动式红外成像系统
红外热像仪
自然界中，一切物体都可以辐射红外线， 因此利用探测仪测定目标的本身和背景之 间的红外线差并可以得到不同的红外图像， 热红外线形成的图像称为热图；
荧光屏
电子光学系统
通常变像管的光阴极采用对近红外敏感
（0.8～1.2um）的银氧铯光敏层，电子光学部
红外成像的原理和应用
红外成像的原理和应用原理介绍红外成像技术是利用物体发出的热辐射来获取物体的热像图。
红外成像的原理主要基于物体的热辐射特性。
一般情况下，物体的温度越高，辐射的能量越大，同时辐射的频率也越高。
红外成像技术利用红外传感器和红外相机来接收物体发出的红外辐射，然后通过处理和分析，将辐射信号转换为可视化的热像图。
应用领域1. 工业领域•红外成像技术在工业领域中被广泛应用于故障检测和预防维护。
通过红外成像技术，可以实时监测机械设备和电子元器件的温度变化，及时发现异常情况，并采取相应的修复措施，避免设备故障和生产事故的发生。
•红外成像技术还可以用于检测电力系统中的热点，提前发现电线、插座和电器设备等可能存在的隐患，预防火灾和安全事故的发生。
2. 建筑领域•在建筑领域中，红外成像技术可以用于检测建筑物的能量损失，帮助设计和改善建筑物的能源效率。
通过检测建筑物表面的热辐射分布，可以发现热桥、隔热层缺陷和漏风等问题，从而提出相应的改进方案。
•红外成像技术还可以用于检测建筑物的结构裂缝，通过监测裂缝周边的热辐射变化，可以提前发现结构问题，避免建筑物的倒塌和安全事故的发生。
3. 医学领域•红外成像技术在医学领域中也有重要的应用。
例如，红外热像仪可以用于乳腺癌的早期筛查，通过检测乳房组织的热辐射分布，可以发现异常的温度变化，帮助医生进行早期诊断和治疗。
•另外，红外成像技术还可以用于皮肤病的诊断和治疗。
通过检测皮肤的温度变化，可以帮助医生判断皮肤病的严重程度和疗效，指导治疗方案的制定和调整。
优势和局限性•优势：–红外成像技术可以在暗光环境下工作，对照明要求较低。
–红外成像技术具有非接触性，可以远距离观测目标，减少人工干预的需要。
–红外成像技术可以实时监测温度变化，及时发现异常情况，避免事故的发生。
•局限性：–红外成像技术的分辨率相对较低，无法获取目标的精确图像信息。
–红外成像技术对目标的器件、颜色和表面材质有一定的限制，可能存在误差。
红外成像基本原理
红外成像基本原理
红外成像技术是一种利用红外波段频谱的电磁辐射进行成像的
技术，其基本原理是利用物体发射或反射出的红外辐射进行成像。
红外辐射波长范围为0.78-1000微米，其中可见光波长范围为
0.38-0.78微米。
因此，红外辐射波长范围比可见光波长范围更长，其能够在暗处或低亮度条件下进行成像。
红外成像技术可以分为主动和被动两种方式。
主动方式是指利用红外辐射源发送出红外辐射进行成像，例如红外激光雷达。
被动方式则是指在没有红外辐射源的情况下，利用物体本身发出的红外辐射进行成像，例如红外热像仪。
红外成像技术的成像原理是利用红外相机接收物体发出的红外
辐射信号，然后将其转换成热像信号，再通过计算机处理成图像。
热像信号的大小和物体表面温度有关，通常物体表面温度越高，其发出的红外辐射信号就越强，热像信号就越高。
根据这一原理，可以通过红外成像技术得到物体表面的温度分布图，从而实现对物体的检测和识别。
红外成像技术的应用非常广泛，如军事领域中的目标识别、火力控制、防御和情报收集等，工业领域中的热成像检测、无损检测、建筑检测等，医学领域中的疾病诊断、病人监护等。
随着技术的不断发展，红外成像技术将有更广泛的应用前景。
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8.62 9.50
9.66 10.6 37.53
红外辐射能量密度曲线
常见物体的峰值波长
25
5.2红外辐射的基本概念
红外辐射的大气窗口
红外辐射在大气中传输时，不同波长的红外辐射，有着不 同的吸收和衰减。能够透过大气的红外辐射主要有三个波长 范围：1～2.5um，3～5um，8～14um，通常称为大气窗口。
基尔霍夫 1824～1887
推论：性能好的反射体或透明体，必然是性能差的辐射体。
22
5.2、红外辐射的基本概念
斯蒂芬－玻耳兹曼定律
物体辐射的红外能量密度 W 与其自身的热力学温度 T 的 4 次方成正比，并与它表面的比辐射率成正比：
W T
4
（5-2）
玻耳兹曼常数 5.6697 1012W / cm2 K 4
被动式红外成像系统 （红外热像仪）
核心问题：如何将红外图像转变为可见光图像？
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5.3主动式红外成像系统
主动式红外成像系统又称红外夜视仪、夜视眼 镜，夜视望远镜以及红外线望远镜等。自身带有红 外光源，是根据被成像物体对红外光源的不同反射 率，以红外变像管作为光电成像器件的红外成像系 统。 优点：成像清晰、对比度高、不受环境光源影响；
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5.3主动式红外成像系统
探照灯：短脉 冲红外激光
＋
红外变像管： 加选通电极
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8微秒
优点1:减少大 气后向散射对 后向散射辐射 红外图像对比 度和清晰度的 目标反射辐射 影响
脉冲光源 照明输出
选通脉冲
优点2:精确测 量目标与观察 者之间的距离
探测距离为1220米时的选通时序图
选通脉冲的时序要与目标反射辐射时序一致！
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红外感应开关
红外测温仪
温度感应
11
数据传输
12
医学成像
13
5.1引言
5.1引言
天文
红外线这 么有用啊！
气象
文物鉴定
医学
数据传输
军事
16
红外热成像技术的优点
①红外热成像技术是一种被动式的非接触的检测与识别，隐蔽性好 ②红外热成像技术不受电磁干扰，能远距离精确跟踪热目标，精确 制导 ③红外热成像技术能真正做到24h全天候监控 ④红外热成像技术的探测能力强，作用距离远 ⑤红外热成像技术可采用多种显示方式，把人类的感官由五种增加 到六种 ⑥红外热成像技术能直观地显示物体表面的温度场，不受强光影响， 应用广泛
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5.3主动式红外成像系统
3. 红外探照灯
光源 抛物面反射镜
红外光源可以是 电热光源（白炽 灯）；气体放电 光源（高压氙 灯）；半导体光 源（砷化镓发光 二极管）；激光 光源（砷化镓发 光二极管）
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灯座
红外滤光片
5.3主动式红外成像系统
对红外探照灯的技术要求：
① 红外探照灯的辐射光谱要与变像管光阴极的光 谱响应有效匹配，在匹配的光谱范围内有高的辐射 效率； ② 探照灯的照射范围与仪器的视场角基本吻合； ③ 红光暴露距离要短，结构上要容易调焦，滤光 片和光源更换方便；
通常变像管的光阴极采用对近红外敏感 （0.8～1.2um）的银氧铯光敏层，电子光学部 分相当于一个静电聚焦系统。
39
5.3主动式红外成像系统
大气后向散射现象：红外探照灯向目标发出的红外光束通过大 气时，其中一部分散射后向辐射进入观察系统。引入了图像的 背景噪声，降低了图像对比度和清晰度。 如何减小大气后向散射影响？ 选通技术：利用发出短脉冲光的探照灯和在相应时间工作的 选通型变像管，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目 标的反射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在变 像管选通时到达并成像，由辐射脉冲在投向目标的后向散射 辐射到达接收器时，变像管恰好处于非工作状态而不参与成 像，从而减小后向散射对成像的影响。
I Ib
I Ib
（5-1）
即物体的实际红外辐射与同温度下黑体红外辐射之比值，显然， 物体的比辐射率都小于1。人体为0.98。
20
5.2、红外辐射的基本概念
不同材料的比辐射率
21
5.2、红外辐射的基本概念
5.2.2 红外辐射的三个规律
基尔霍夫定律
同温度物体的红外发射能力正比于其红 外吸收能力；红外平衡状态时，物体吸收 的红外能量恒等于它所发射的红外能量。
主动式红外夜视仪具有成像清晰、制作简单等特点， 但它的致命弱点是红外按照灯的红外光会被敌人的红外探 测装置发现。60年代，美国首先研制出被动式的热像仪， 它不发射红外光，不易被敌发现，并具有透过雾、雨等进 行观察的能力。
6
5.2红外辐射的基本概念
红外辐射的介质传输特性
许多对可见光透明的介质，对红外辐射却 是不透明的。通常把可以透过红外辐射的介质 称为红外光学材料。 红外光学材料可以分为 晶体材料 、 玻璃材 料 和 塑性材料 三种，每种材料都对某些波长 范围的红外有较高的透过率。
27
5.2红外辐射的基本概念
④ 体积要小，重量轻，寿命长，工作可靠。
44
5.3主动式红外成像系统
4 直流高压电源
高压电源提供红外变像管进行图像增强的能 量，一般为1.2～2.9万伏。 对高压电源的技术要求：
① 输出稳定直流高压； ② 在高、低温环境下能保证系统正常工作； ③ 防潮、防震、体积小、重量轻、耗电省。
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5.3主动式红外成像系统
高温性 能稳定
最常见
几种红外光学材料的透过率
单晶锗：1.8～20µ m，最常见；单晶硅：11µm以内； 多晶硫化锌：1～14µm；多晶氟化镁：3～5µm，高温性能稳定
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5.3主动式红外成像系统
红外成像系统
利用不同物体 对红外辐射的 不同反射 利用物体自 然发射的红 外辐射
主动式红外成像系统 （红外夜视仪）
与常规光学仪器不同，变像管将物镜组和目镜组隔 开，使得光学系统的入瞳和出瞳不存在物象共轭关 系！渐晕系数越大越好，像面照度均匀。
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5.3主动式红外成像系统
2.红外变像管
红外变像管是主动式红外成像系统的核心，是一 种高真空图像转换器件，完成从近红外图像到可见 光图像的转换并增强图像。 从结构材料上分，红外变像管可以分为金属结构 型和玻璃结构型； 从工作方法上分，可以分为连续工作方式和选通工 作方式。
可见，物体的温度越高，红外辐射能量越多。正常人体 的红外辐射功率大致为1kW。
23
5.2红外辐射的基本概念
维恩位移定律
物体的红外辐射能量密度大小，随波长（频率）不同而变 化。与辐射能量密度最大峰值相对应的波长为峰值波长，维 恩通过大量实验得出峰值波长和物体热力学温度之间的关系：
max 2897 / T
缺点：易暴露，不利于军事应用。
30
5.3主动式红外成像系统
红外夜视图像
装有红外夜视仪的步枪
31
红外夜视仪的原理是将我们肉眼看不红外线转化成 为可见光。因为辐射的红外线很弱，所以转化成的可见 光也很弱。图像呈绿色是因为我们的眼睛对绿光感光性 最敏感，而且容易疲劳，
这些都是使我们对弱光看得更清楚些。而且红光和 绿光的区别就是波长不一样而已，很容易转变的。夜间 模糊的图象→光电阴极(把光子转化为电子)→微通屏(电 子撞击一个具有磷光质涂层的屏幕)所以红外夜视仪看到 的景象大多是绿色的。
可见光：0.38～0.78um，一个倍频程 红外线：0.78～1000um，商为1282＝210，10个倍频程
19
5.2、红外辐射的基本概念
黑体(black body)
黑体:假想的全部吸收和辐射红外电磁波的理想体，其红 外吸收和辐射能力与温度无关。红外辐射率和吸收率为1（客 观世界不存在），其意义体现在为衡量自然物体的红外辐射和 吸收能力建立一个标准。 一般物体的红外辐射率和吸收率都小于1，并且其辐射和 吸收能力都与表面温度和波长有关。 在理论和工程实践中，常用物体的比辐射率定量描述物体 辐射和吸收红外电磁波的能力：
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5.3主动式红外成像系统
红外变像管结构
阴极 外筒 光学纤维 红外光阴极 电子轨迹 电子光学系统
阳极锥电极
荧光屏
工作波长范围取决于红外变像管的光阴极响应谱区，一般为 0.76~1.2µ m的近红外光。 38
5.3主动式红外成像系统
红外变像管的工作过程
近红外辐射 光阴极面 电子流图像 高能电子 可见光图像 荧光屏 电子光学系统
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红外线的应用
地面10米望远镜用7种波长观 测的彗木碰撞后的红外图像
SL-9彗核C碰撞前后的木星红外 图像
天文观测
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红外摄像机（英军押解伊战俘）
红外望远镜
军事观察
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气 象 预 测
红外云图
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Invisible radiation photography is often applied to the study of works of art as here in the painting La Madonna dell'Impannata by Raphael. Invisible radiation imaging reveals a much younger Saint John the Baptist sitting on Joseph's lap found beneath the surface of the visible painting (right). Images © Editech. 艺术鉴定
红外成像原理
红外线的历史 1800年，赫胥耳利用太阳光谱色散实验 发现了红外光。 1835年，安培宣告了光和热射线的同一 性。
通常取可见光谱中红光末端为780nm，比它长的光 就是红外光，或称为热射线。
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