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內容簡介

紅外光電工程涉及紅外物理、光學、探測器、信號檢測與處理等多個技術領域,是一門工程性強、知識覆蓋麵寬的綜閤性學科.高級紅外光電工程導論是中國科學院大學推齣的係列教材之一,重點介紹紅外光電係統的基礎理論和相關技術.按紅外光電係統信息獲取的流程,高級紅外光電工程導論共分“紅外輻射和輻射源”“紅外光學係統”“紅外探測器”“紅外分光技術”“光機掃描技術”等五章,其中前三章是高級紅外光電工程導論的重點.

目錄

前言 第1章  紅外輻射和輻射源   1.1  紅外輻射     1.1.1  電磁波頻譜     1.1.2  波段劃分方法   1.2  紅外光電係統     1.2.1  探測對象     1.2.2  信息流程     1.2.3  係統特性     1.2.4  應用分類   1.3  輻射測量術語     1.3.1  常用輻射量     1.3.2  光譜輻射量     1.3.3  波段輻射量     1.3.4  光子輻射量     1.3.5  光度量     1.3.6  朗伯漫射體   1.4輻照度計算     1.4.1  麵元之間的輻射傳遞     1.4.2  點源與麵源     1.4.3  點源産生的輻照度     1.4.4  麵源産生的輻照度     1.4.5  太陽常數計算   1.5  熱輻射基本定律     1.5.1  輻射體的分類     1.5.2  基爾霍夫定律     1.5.3  普朗剋定律     1.5.4  斯蒂芬一玻爾茲曼定律     1.5.5  維恩位移定律     1.5.6  微分輻亮度     1.5.7  光子形式的普朗剋定律   1.6  反射率     1.6.1  鏡麵反射率     1.6.2  漫反射率     1.6.3  漫反射目標的輻射計算   1.7  發射率     1.7.1  發射率定義     1.7.2  黑體、灰體和選擇性輻射體     1.7.3  輻射測溫的溫度定義     1.7.4  材料的發射率     1.7.5  熱控塗層的輻射特性   1.8  自然輻射源     1.8.1  概述     1.8.2  太陽輻射     1.8.3  天體和宇宙背景     1.8.4  地球大氣     1.8.5  地物     1.8.6  地球一大氣係統   1.9  人工輻射源     1.9.1  概述     1.9.2  黑體型輻射源     1.9.3  積分球     1.9.4  非氣體白熾光源     1.9.5  弧光燈     1.9.6  氣體放電燈     1.9.7  發光二極管     1.9.8  激光器   1.10  人工目標輻射計算     1.10.1  有動力飛行器輻射計算     1.10.2  空間目標的平衡溫度   1.11  紅外輻射的大氣傳輸 …… 第2章  紅外光學係統 第3章  紅外探測器 第4章  紅外分光技術 第5章  光機掃描技術     

精彩書摘

第1章紅外輻射和輻射源
1．1紅外輻射
1．1．1電磁波頻譜
1．1．1．1電磁輻射
電磁輻射是一種物質以電磁波形式發射、傳播能量的物理現象.由於電場和磁場的變化能相互感應,電場和磁場的能量能在介質或真空中自行傳播,形成電磁波.
電磁波可根據波長(頻率)劃分為g射綫、X射綫、紫外(UV)、可見光、紅外(IR)、微波和無綫電波等譜段,電磁波的頻譜由這些譜段排列組成(見圖1．1).光學研究的內容覆蓋瞭電磁波譜中從遠紅外至紫外並延伸至軟X射綫的光譜範圍,可見光隻是電磁波譜中能被人眼所感知的極小部分.
圖1．1電磁波頻譜
不同譜段電磁波的波長、頻率、光子能量有較大差彆(見錶1．1),但它們都遵守同樣的反射、摺射、衍射和偏振等定律,在真空中的傳播速度相同,為3×105kms－1.電磁波在長波端(如微波、無綫電波)錶現齣顯著的波動性,在短波端(如g射綫、X射綫)錶現齣極強的粒子性,而光波具有顯著的波粒二象性.
根據經典物理理論,物質帶電粒子的加速運動會産生變化的電場.物質(包括固
體、液體和氣體)內部的分子、原子或電子在加熱、電子撞擊、光照射以及化學反應等外部激發後能發生能級躍遷,産生各種光學波段的電磁輻射.真空腔、導體中電流振蕩能産生微波、無綫電波輻射,而光子能量更大的X射綫是電子輻射,g射綫則是原
子核的放射性衰變産生的輻射.
錶1．1電磁波譜段的波長、頻率和光子能量
譜段波長頻率光子能量
g射綫小於0．01nm大於10EHz100keV~300GeV
X射綫0．01~10nm30EHz~30PHz120eV~120keV
紫外10~390nm30PHz~790THz3~124eV
可見光390~750nm790~405THz1．7~3．3eV
紅外750nm~1mm405THz~300GHz1．24meV~1．7eV
微波1mm~1m300GHz~300MHz1．24meV~1．24meV
無綫電波1mm~100000km300GHz~3Hz12．4feV~1．24meV
1．1．1．2熱輻射
熱輻射是物質中帶電粒子熱運動産生的電磁輻射.絕對溫度非零的物體均有熱輻射.熱輻射可産生從紫外、可見光、紅外至微波的連續光譜,其光譜分布隨溫度而異.常溫、低溫物體熱輻射的能量主要集中在紅外波段.
工程上,熱輻射被認為是一種利用電磁波輻射、非接觸的熱傳遞方式.熱輻射的基本定律有基爾霍夫定律、普朗剋定律、維恩位移定律、斯蒂芬玻爾茲曼定律等.根據普朗剋輻射定律,物體熱輻射強度與物體的溫度及錶麵的輻射能力有關,熱輻射的光譜分布則與物體溫度有關.
1．1．1．3紅外綫
電磁輻射頻譜中,將介於可見光和微波之間、波長範圍為0．76~1000mm的波段命名為紅外.紅外波段的電磁輻射稱為紅外輻射,又稱紅外綫.
紅外綫的發現始於1800年,英國天文學傢赫胥爾在尋找觀察太陽時保護自己眼睛的方法時發現瞭這一“不可見光綫”.由於常溫、低溫物體熱輻射的能量主要集中
在紅外波段,紅外光電係統可采取無源、被動的方式,非接觸地探測物體自身的熱輻射,並反演物體錶麵的溫度或輻射特性.
1．1．1．4可見光
電磁輻射頻譜中,將介於紫外和紅外之間、波長範圍為390~750nm的波段命名為可見光.
可見光是能産生人眼視覺響應的電磁輻射,可見光波長範圍根據人眼的視覺響應界定.不同波長可見光能産生不同視覺色彩,可根據視覺色彩將可見光劃分為紫
光(390~450nm)、藍光(450~495nm)、綠光(495~570nm)、黃光(570~590nm)、橙光(590~620nm)、紅光(620~750nm)等波段.對人眼視覺最靈敏的單色光是波長
550nm附近的綠光.可見光能透過地球大氣,其透射窗口也稱大氣光學窗口.矽探測器是最常用的可見光探測器.
1．1．1．5紫外綫
電磁輻射頻譜中,將介於X射綫和可見光之間、波長範圍為10~390nm的波段命名為紫外.紫外波段的電磁波稱為紫外輻射,又稱紫外綫.
德國物理學傢裏特於1801年發現經氯化銀溶液浸泡的紙片會在三棱鏡可見光色散光譜的紫光外側的某種射綫的照射下變黑,由於此射綫的波長位於可見光紫光區的外側,因此被稱為紫外綫.
凡是溫度達到1200℃以上的物體均有豐富的紫外輻射,大氣層外太陽光能量的
10％為紫外輻射.利用電弧、氣體放電、高溫燃燒等原理可人工製造紫外源.紫外光
子能量較大,能引起物質化學反應、發光或發射熒光.
紫外波段可再劃分為若乾個子波段,如劃分為近紫外、中紫外、遠紫外、極遠紫外等.根據太陽紫外綫在地球大氣中的透射特性,還可專門命名一些紫外光譜區,如可見盲紫外、日盲紫外、真空紫外等.
1．1．2波段劃分方法
紅外波段可劃分為若乾個子波段.不同專業領域根據各自的應用,提齣瞭不同的波段劃分方法.如國際照明委員會將紅外劃分為近紅外(0．7~1．4mm)、中波紅外(1．4~3mm)、遠紅外(50~1000mm)等波段.天文工作者同樣將紅外分為近紅外、中波紅外、遠紅外等波段,但波長範圍不同.
目前較常見的紅外波段劃分方法兼顧瞭應用、大氣窗口、探測器響應等因素,將整個紅外波段劃分為近紅外、短波紅外、中波紅外、長波紅外、遠紅外等5個子波段(見錶1．2).
錶1．2紅外波段劃分(常用)
波段名近紅外英文名
neArＧinfrAred縮略語
NIR波長範圍/mm
0．75~1．4
短波紅外
中波紅外長波紅外遠紅外shortＧwAvelengthinfrAredmidＧwAvelengthinfrAredlongＧwAvelengthinfrAred
fArinfrAredSWIRMWIRLWIR
FIR1．4~3
3~8
8~15
15~1000
上海技術物理研究所從遙感應用、紅外探測器和紅外材料的角度,提議將紅外波段劃分為近紅外、短波紅外、中波紅外、長波紅外、遠紅外、甚遠紅外等6個子波段(見錶1．3).
錶1．3紅外波段劃分(上海技術物理研究所推薦)
波段名近紅外英文名
neArＧinfrAred縮略語
NIR波長範圍/mm
0．76~1．1
短波紅外
中波紅外長波紅外遠紅外shortＧwAvelengthinfrAredmidＧwAvelengthinfrAredlongＧwAvelengthinfrAred
fArinfrAredSWIRMWIRLWIR
FIR1．1~3
3~6
6~25
25~100
甚遠紅外extremeinfrAredXIR100~1000
遵循相似的波段劃分原則,在有些專業領域,紅外子波段還可進一步細分.如在光通信領域,根據光源、光縴吸收、探測器響應的光譜特性,將波長1260~1675nm的短波紅外再細分為O、E、S、C、L、U等帶寬更窄的波段.
1．1．2．1近紅外
對紅外波段進行細分,將波長範圍為0．76~1．1mm的波段命名為近紅外.
近紅外波段起始於人眼視覺響應的截止波長,即波長大於0．76mm.按矽探測
器響應的截止波長,可認為近紅外波段終止於1．1mm.如按大氣窗口劃分,由於近
紅外透射波長可延伸至1．4mm處的水汽吸收帶處,可認為近紅外波段的終止波長為
1．4mm.典型的近紅外探測器有InGAAs等.
1．1．2．2短波紅外
對紅外波段進行細分,將波長範圍為1．1~3mm的波段命名為短波紅外.
自然景物的近紅外、短波紅外輻射主要來自太陽反射光.在短波紅外,地物的太
陽反射光譜有豐富的光譜特徵,又有1．15~1．35mm、1．5~1．8mm、2．1~2．4mm等大氣透射窗口.因此,短波紅外是對地觀測遙感儀器的常選波段.考慮到激光器、大氣傳輸特性,波長1．53~1．56mm的短波紅外激光是遠程激光通信係統設計的首選.典型的短波紅外探測器有InGAAs、HgCdTe等.
1．1．2．3中波紅外
對紅外波段進行細分,將波長範圍為3~6mm的波段命名為中波紅外.
在波長為3~5mm的中波紅外和波長為8~14mm的長波紅外大氣窗口之間有
波長6．3~7．4mm的水汽吸收帶,該吸收帶應歸屬於中波紅外,還是長波紅外,存在
意見分歧.常用的波段劃分方法認為中波紅外應包括水汽吸收帶,即中波紅外的波
長範圍為3~8mm.上海技術物理研究所認為中波紅外應終止於水汽吸收帶起始波長,即波長範圍為3~6mm.
自然景物的中波紅外輻射包含自身熱輻射和陽光反射,高溫物體熱輻射主要集中在短波和中波紅外,因此,以導彈、飛機等有動力飛行器高溫尾焰為目標的被動紅外係統均采用短波或中波紅外探測.典型的中波紅外探測器有HgCdTe、InSb、
PtSi、PbSe等探測器.
1．1．2．4長波紅外
對紅外波段進行細分,將波長範圍為6~25mm的波段命名為長波紅外.
8~14mm是長波紅外的大氣窗口,也是常溫物體熱輻射能量集中的波段.常用
劃分方法將長波紅外的波長範圍取作8~15mm,即認為長波紅外終止於長波紅外窗
口相鄰的CO2吸收帶.
考慮到紅外探測器響應的長波限已可達25mm,許多空間遙感的溫度探測範圍
更寬,上海技術物理研究所從應用和探測器響應角度,建議將長波紅外的波長範圍確
定為6~25mm.
典型的長波紅外探測器有光導和光伏型HgCdTe等光子探測器和V2O5、多晶矽等熱敏探測器.
1．1．2．5遠紅外
對紅外波段進行細分,將波長範圍為25~100mm的波段命名為遠紅外.
紅外天文觀測、深空探測常選用遠紅外波段,並采用低溫光學係統和超低溫緻冷
的SiX、GeX等摻雜非本徵半導體探測器.
1．1．2．6甚遠紅外
對紅外波段進行細分,將波長範圍為100~1000mm的波段命名為甚遠紅外,也稱太赫茲或亞毫米波.
太赫茲波段處於紅外和微波的交疊區,太赫茲波的發生和應用研究尚處於萌芽階段.太赫茲波有粒子的屬性,但不能用電子計數方法測量.太赫茲有波的屬性,但太赫茲波的産生和相乾調製不能用微波、無綫電波常用的電子器件,需要采用新的器件和技術.
1．1．2．7熱紅外
熱紅外是紅外遙感、熱成像等儀器選用的用於常溫目標熱輻射探測的工作波段,
其波長範圍通常與3~5mm和8~14mm大氣紅外透射窗口一緻.
1．2紅外光電係統
1．2．1探測對象
紅外光電係統的探測對象統稱為目標.目標可以是天然形成的自然輻射源或人工製造的輻射源.目標源輻射可來自它自身的輻射,或者與周邊環境相互作用産生的輻射.相互作用的形式可以是反射、吸收、透射、偏振、熒光等.根據光電探測儀器自身是否帶輻射源,紅外光電係統可分為無源的被動式和有源的主動式兩大類彆.
工作在中波或長波紅外波段的被動式光電係統主要探測目標源自身的熱輻射,在軍事上可用於目標捕獲、監視、夜視、瞄準跟蹤等,具有全天時、無源、隱蔽性好等特點.非軍事應用包括熱效率分析、環境監測、工業設備檢測、溫度遙感、天氣預報、紅外天文觀察等.
可見光、近紅外或短波紅外的被動式光電係統可利用不同屬性物質反射光譜或吸收光譜的特徵差異,對物質進行識彆、分類,或定量分析.如可見光遙感儀器主要接收地物對太陽的反射光,在這些波段,太陽有很強的輻射,地物反射光譜的特徵也較顯著.
主動式光電係統通常配置瞭激光源,探測對象是目標反射的激光迴波,采用直接探測或相乾探測等方法,可對目標進行照明指示或測距、測速.典型應用有激光指示器和被稱為激光雷達或光學雷達的激光測距計或激光測高儀.
實驗室或工業部門使用的檢測色度、水分、材料組分之類的光電儀器,如色度計、紅外水分儀、金屬組分分析儀等,探測對象是被測物對人工輻射源輻射的反射光或透射光.這類儀器必須配備人工輻射源,應屬有源探測.
1．2．2信息流程
被動式紅外光電係統的信息流程通常包含輻射産生、大氣傳輸、光學接收、探測器光電轉換、信號處理等環節,如圖1．2所示.
圖1．2被動式光電係統的原理框圖
與被動式係統相比較,激光雷達一類的主動式紅外光電係統增加瞭脈衝或調製激光發射單元、激光迴波信號的檢測和處理,無論是直接探測或相乾探測,均不同於被動式係統,如圖1．3所示.其迴波接收的過程包含瞭目標的激光散射、大氣傳輸、光學接收、探測器光電轉換等環節,與常見的被動光電係統輻射接收的過程相仿.
圖1．3直接探測激光雷達的原理框圖

前言/序言

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