红外光电工程涉及红外物理、光学、探测器、信号检测与处理等多个技术领域,是一门工程性强、知识覆盖面宽的综合性学科.高级红外光电工程导论是中国科学院大学推出的系列教材之一,重点介绍红外光电系统的基础理论和相关技术.按红外光电系统信息获取的流程,高级红外光电工程导论共分“红外辐射和辐射源”“红外光学系统”“红外探测器”“红外分光技术”“光机扫描技术”等五章,其中前三章是高级红外光电工程导论的重点.

前言 第1章  红外辐射和辐射源   1.1  红外辐射     1.1.1  电磁波频谱     1.1.2  波段划分方法   1.2  红外光电系统     1.2.1  探测对象     1.2.2  信息流程     1.2.3  系统特性     1.2.4  应用分类   1.3  辐射测量术语     1.3.1  常用辐射量     1.3.2  光谱辐射量     1.3.3  波段辐射量     1.3.4  光子辐射量     1.3.5  光度量     1.3.6  朗伯漫射体   1.4辐照度计算     1.4.1  面元之间的辐射传递     1.4.2  点源与面源     1.4.3  点源产生的辐照度     1.4.4  面源产生的辐照度     1.4.5  太阳常数计算   1.5  热辐射基本定律     1.5.1  辐射体的分类     1.5.2  基尔霍夫定律     1.5.3  普朗克定律     1.5.4  斯蒂芬一玻尔兹曼定律     1.5.5  维恩位移定律     1.5.6  微分辐亮度     1.5.7  光子形式的普朗克定律   1.6  反射率     1.6.1  镜面反射率     1.6.2  漫反射率     1.6.3  漫反射目标的辐射计算   1.7  发射率     1.7.1  发射率定义     1.7.2  黑体、灰体和选择性辐射体     1.7.3  辐射测温的温度定义     1.7.4  材料的发射率     1.7.5  热控涂层的辐射特性   1.8  自然辐射源     1.8.1  概述     1.8.2  太阳辐射     1.8.3  天体和宇宙背景     1.8.4  地球大气     1.8.5  地物     1.8.6  地球一大气系统   1.9  人工辐射源     1.9.1  概述     1.9.2  黑体型辐射源     1.9.3  积分球     1.9.4  非气体白炽光源     1.9.5  弧光灯     1.9.6  气体放电灯     1.9.7  发光二极管     1.9.8  激光器   1.10  人工目标辐射计算     1.10.1  有动力飞行器辐射计算     1.10.2  空间目标的平衡温度   1.11  红外辐射的大气传输 …… 第2章  红外光学系统 第3章  红外探测器 第4章  红外分光技术 第5章  光机扫描技术

精彩书摘

第1章红外辐射和辐射源
1．1红外辐射
1．1．1电磁波频谱
1．1．1．1电磁辐射
电磁辐射是一种物质以电磁波形式发射、传播能量的物理现象.由于电场和磁场的变化能相互感应,电场和磁场的能量能在介质或真空中自行传播,形成电磁波.
电磁波可根据波长(频率)划分为g射线、X射线、紫外(UV)、可见光、红外(IR)、微波和无线电波等谱段,电磁波的频谱由这些谱段排列组成(见图1．1).光学研究的内容覆盖了电磁波谱中从远红外至紫外并延伸至软X射线的光谱范围,可见光只是电磁波谱中能被人眼所感知的极小部分.
图1．1电磁波频谱
不同谱段电磁波的波长、频率、光子能量有较大差别(见表1．1),但它们都遵守同样的反射、折射、衍射和偏振等定律,在真空中的传播速度相同,为3×105kms－1.电磁波在长波端(如微波、无线电波)表现出显著的波动性,在短波端(如g射线、X射线)表现出极强的粒子性,而光波具有显著的波粒二象性.
根据经典物理理论,物质带电粒子的加速运动会产生变化的电场.物质(包括固
体、液体和气体)内部的分子、原子或电子在加热、电子撞击、光照射以及化学反应等外部激发后能发生能级跃迁,产生各种光学波段的电磁辐射.真空腔、导体中电流振荡能产生微波、无线电波辐射,而光子能量更大的X射线是电子辐射,g射线则是原
子核的放射性衰变产生的辐射.
表1．1电磁波谱段的波长、频率和光子能量
谱段波长频率光子能量
g射线小于0．01nm大于10EHz100keV~300GeV
X射线0．01~10nm30EHz~30PHz120eV~120keV
紫外10~390nm30PHz~790THz3~124eV
可见光390~750nm790~405THz1．7~3．3eV
红外750nm~1mm405THz~300GHz1．24meV~1．7eV
微波1mm~1m300GHz~300MHz1．24meV~1．24meV
无线电波1mm~100000km300GHz~3Hz12．4feV~1．24meV
1．1．1．2热辐射
热辐射是物质中带电粒子热运动产生的电磁辐射.绝对温度非零的物体均有热辐射.热辐射可产生从紫外、可见光、红外至微波的连续光谱,其光谱分布随温度而异.常温、低温物体热辐射的能量主要集中在红外波段.
工程上,热辐射被认为是一种利用电磁波辐射、非接触的热传递方式.热辐射的基本定律有基尔霍夫定律、普朗克定律、维恩位移定律、斯蒂芬玻尔兹曼定律等.根据普朗克辐射定律,物体热辐射强度与物体的温度及表面的辐射能力有关,热辐射的光谱分布则与物体温度有关.
1．1．1．3红外线
电磁辐射频谱中,将介于可见光和微波之间、波长范围为0．76~1000mm的波段命名为红外.红外波段的电磁辐射称为红外辐射,又称红外线.
红外线的发现始于1800年,英国天文学家赫胥尔在寻找观察太阳时保护自己眼睛的方法时发现了这一“不可见光线”.由于常温、低温物体热辐射的能量主要集中
在红外波段,红外光电系统可采取无源、被动的方式,非接触地探测物体自身的热辐射,并反演物体表面的温度或辐射特性.
1．1．1．4可见光
电磁辐射频谱中,将介于紫外和红外之间、波长范围为390~750nm的波段命名为可见光.
可见光是能产生人眼视觉响应的电磁辐射,可见光波长范围根据人眼的视觉响应界定.不同波长可见光能产生不同视觉色彩,可根据视觉色彩将可见光划分为紫
光(390~450nm)、蓝光(450~495nm)、绿光(495~570nm)、黄光(570~590nm)、橙光(590~620nm)、红光(620~750nm)等波段.对人眼视觉最灵敏的单色光是波长
550nm附近的绿光.可见光能透过地球大气,其透射窗口也称大气光学窗口.硅探测器是最常用的可见光探测器.
1．1．1．5紫外线
电磁辐射频谱中,将介于X射线和可见光之间、波长范围为10~390nm的波段命名为紫外.紫外波段的电磁波称为紫外辐射,又称紫外线.
德国物理学家里特于1801年发现经氯化银溶液浸泡的纸片会在三棱镜可见光色散光谱的紫光外侧的某种射线的照射下变黑,由于此射线的波长位于可见光紫光区的外侧,因此被称为紫外线.
凡是温度达到1200℃以上的物体均有丰富的紫外辐射,大气层外太阳光能量的
10％为紫外辐射.利用电弧、气体放电、高温燃烧等原理可人工制造紫外源.紫外光
子能量较大,能引起物质化学反应、发光或发射荧光.
紫外波段可再划分为若干个子波段,如划分为近紫外、中紫外、远紫外、极远紫外等.根据太阳紫外线在地球大气中的透射特性,还可专门命名一些紫外光谱区,如可见盲紫外、日盲紫外、真空紫外等.
1．1．2波段划分方法
红外波段可划分为若干个子波段.不同专业领域根据各自的应用,提出了不同的波段划分方法.如国际照明委员会将红外划分为近红外(0．7~1．4mm)、中波红外(1．4~3mm)、远红外(50~1000mm)等波段.天文工作者同样将红外分为近红外、中波红外、远红外等波段,但波长范围不同.
目前较常见的红外波段划分方法兼顾了应用、大气窗口、探测器响应等因素,将整个红外波段划分为近红外、短波红外、中波红外、长波红外、远红外等5个子波段(见表1．2).
表1．2红外波段划分(常用)
波段名近红外英文名
neArＧinfrAred缩略语
NIR波长范围/mm
0．75~1．4
短波红外
中波红外长波红外远红外shortＧwAvelengthinfrAredmidＧwAvelengthinfrAredlongＧwAvelengthinfrAred
fArinfrAredSWIRMWIRLWIR
FIR1．4~3
3~8
8~15
15~1000
上海技术物理研究所从遥感应用、红外探测器和红外材料的角度,提议将红外波段划分为近红外、短波红外、中波红外、长波红外、远红外、甚远红外等6个子波段(见表1．3).
表1．3红外波段划分(上海技术物理研究所推荐)
波段名近红外英文名
neArＧinfrAred缩略语
NIR波长范围/mm
0．76~1．1
短波红外
中波红外长波红外远红外shortＧwAvelengthinfrAredmidＧwAvelengthinfrAredlongＧwAvelengthinfrAred
fArinfrAredSWIRMWIRLWIR
FIR1．1~3
3~6
6~25
25~100
甚远红外extremeinfrAredXIR100~1000
遵循相似的波段划分原则,在有些专业领域,红外子波段还可进一步细分.如在光通信领域,根据光源、光纤吸收、探测器响应的光谱特性,将波长1260~1675nm的短波红外再细分为O、E、S、C、L、U等带宽更窄的波段.
1．1．2．1近红外
对红外波段进行细分,将波长范围为0．76~1．1mm的波段命名为近红外.
近红外波段起始于人眼视觉响应的截止波长,即波长大于0．76mm.按硅探测
器响应的截止波长,可认为近红外波段终止于1．1mm.如按大气窗口划分,由于近
红外透射波长可延伸至1．4mm处的水汽吸收带处,可认为近红外波段的终止波长为
1．4mm.典型的近红外探测器有InGAAs等.
1．1．2．2短波红外
对红外波段进行细分,将波长范围为1．1~3mm的波段命名为短波红外.
自然景物的近红外、短波红外辐射主要来自太阳反射光.在短波红外,地物的太
阳反射光谱有丰富的光谱特征,又有1．15~1．35mm、1．5~1．8mm、2．1~2．4mm等大气透射窗口.因此,短波红外是对地观测遥感仪器的常选波段.考虑到激光器、大气传输特性,波长1．53~1．56mm的短波红外激光是远程激光通信系统设计的首选.典型的短波红外探测器有InGAAs、HgCdTe等.
1．1．2．3中波红外
对红外波段进行细分,将波长范围为3~6mm的波段命名为中波红外.
在波长为3~5mm的中波红外和波长为8~14mm的长波红外大气窗口之间有
波长6．3~7．4mm的水汽吸收带,该吸收带应归属于中波红外,还是长波红外,存在
意见分歧.常用的波段划分方法认为中波红外应包括水汽吸收带,即中波红外的波
长范围为3~8mm.上海技术物理研究所认为中波红外应终止于水汽吸收带起始波长,即波长范围为3~6mm.
自然景物的中波红外辐射包含自身热辐射和阳光反射,高温物体热辐射主要集中在短波和中波红外,因此,以导弹、飞机等有动力飞行器高温尾焰为目标的被动红外系统均采用短波或中波红外探测.典型的中波红外探测器有HgCdTe、InSb、
PtSi、PbSe等探测器.
1．1．2．4长波红外
对红外波段进行细分,将波长范围为6~25mm的波段命名为长波红外.
8~14mm是长波红外的大气窗口,也是常温物体热辐射能量集中的波段.常用
划分方法将长波红外的波长范围取作8~15mm,即认为长波红外终止于长波红外窗
口相邻的CO2吸收带.
考虑到红外探测器响应的长波限已可达25mm,许多空间遥感的温度探测范围
更宽,上海技术物理研究所从应用和探测器响应角度,建议将长波红外的波长范围确
定为6~25mm.
典型的长波红外探测器有光导和光伏型HgCdTe等光子探测器和V2O5、多晶硅等热敏探测器.
1．1．2．5远红外
对红外波段进行细分,将波长范围为25~100mm的波段命名为远红外.
红外天文观测、深空探测常选用远红外波段,并采用低温光学系统和超低温致冷
的SiX、GeX等掺杂非本征半导体探测器.
1．1．2．6甚远红外
对红外波段进行细分,将波长范围为100~1000mm的波段命名为甚远红外,也称太赫兹或亚毫米波.
太赫兹波段处于红外和微波的交叠区,太赫兹波的发生和应用研究尚处于萌芽阶段.太赫兹波有粒子的属性,但不能用电子计数方法测量.太赫兹有波的属性,但太赫兹波的产生和相干调制不能用微波、无线电波常用的电子器件,需要采用新的器件和技术.
1．1．2．7热红外
热红外是红外遥感、热成像等仪器选用的用于常温目标热辐射探测的工作波段,
其波长范围通常与3~5mm和8~14mm大气红外透射窗口一致.
1．2红外光电系统
1．2．1探测对象
红外光电系统的探测对象统称为目标.目标可以是天然形成的自然辐射源或人工制造的辐射源.目标源辐射可来自它自身的辐射,或者与周边环境相互作用产生的辐射.相互作用的形式可以是反射、吸收、透射、偏振、荧光等.根据光电探测仪器自身是否带辐射源,红外光电系统可分为无源的被动式和有源的主动式两大类别.
工作在中波或长波红外波段的被动式光电系统主要探测目标源自身的热辐射,在军事上可用于目标捕获、监视、夜视、瞄准跟踪等,具有全天时、无源、隐蔽性好等特点.非军事应用包括热效率分析、环境监测、工业设备检测、温度遥感、天气预报、红外天文观察等.
可见光、近红外或短波红外的被动式光电系统可利用不同属性物质反射光谱或吸收光谱的特征差异,对物质进行识别、分类,或定量分析.如可见光遥感仪器主要接收地物对太阳的反射光,在这些波段,太阳有很强的辐射,地物反射光谱的特征也较显著.
主动式光电系统通常配置了激光源,探测对象是目标反射的激光回波,采用直接探测或相干探测等方法,可对目标进行照明指示或测距、测速.典型应用有激光指示器和被称为激光雷达或光学雷达的激光测距计或激光测高仪.
实验室或工业部门使用的检测色度、水分、材料组分之类的光电仪器,如色度计、红外水分仪、金属组分分析仪等,探测对象是被测物对人工辐射源辐射的反射光或透射光.这类仪器必须配备人工辐射源,应属有源探测.
1．2．2信息流程
被动式红外光电系统的信息流程通常包含辐射产生、大气传输、光学接收、探测器光电转换、信号处理等环节,如图1．2所示.
图1．2被动式光电系统的原理框图
与被动式系统相比较,激光雷达一类的主动式红外光电系统增加了脉冲或调制激光发射单元、激光回波信号的检测和处理,无论是直接探测或相干探测,均不同于被动式系统,如图1．3所示.其回波接收的过程包含了目标的激光散射、大气传输、光学接收、探测器光电转换等环节,与常见的被动光电系统辐射接收的过程相仿.
图1．3直接探测激光雷达的原理框图