2015年红外技术-复习

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1、光电信息学院：微纳光电技术实验室 光电信息学院：李世彬 2015年春期“ 红外技术” 光电信息学院：微纳光电技术实验室 考试题型 1.填空与选择： 20分 （ 2分每题） 2. 简答题： 20分 （ 5分每题） 3. 论述题： 60分 （ 15分每题） 成绩构成：期末 70%；考勤 15%；作业 15% 考试题型： 光电信息学院：微纳光电技术实验室 考试题型 2 3 1 第二章：红外辐射源 第一章：基础理论 3 3 第三章：红外探测器 4 第四章：热像技术 3 5 第八章：红外技术应用 光电信息学院：微纳光电技术实验室 第一章：基础理论 1.1 电磁波谱与红外辐射 红外辐射的发现 光电信息学院

2、：微纳光电技术实验室 第一章：基础理论 1.1 电磁波谱与红外辐射 红外辐射的发现 “红、绿、蓝” ? 光电信息学院：微纳光电技术实验室 第一章：基础理论 1.1 电磁波谱与红外辐射 红外辐射的发现 1800年 4月， William Herschel利用三棱镜研究太阳七色光的热效应时，把温度计玻璃泡放在 红光下 10分钟温度上升 7度，将温度计玻璃泡放在红光外 1/2英寸处 16分钟温度上升 8 3/8度， 从而发现了“不可见光”，由于它位于红外光谱外，所以叫做“红外线”（也称为红外辐射）。 红外线与可见光都是电磁波，只是不能被人眼感知，但其热效应显著。 光电信息学院：微纳光电技术实验室 第

3、一章：基础理论 1.1 电磁波谱与红外辐射 电磁波谱 红外线与可见光、紫外线、 X射线、 射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱。红外辐射包括 0.78m 1000 m 光电信息学院：微纳光电技术实验室 第一章：基础理论 1.1 电磁波谱与红外辐射 红外光谱 近红外 中红外 远红外 红外线也是电磁波，其波长范围从 0.78微米到 1000微 光学谱划分，分为三个波段： Near-infrared (NIR， IR-A)： 0.78um1.4um 水吸收窗口，常用于光纤通讯 (fiber optics telecommunication) Short wavelength infr

4、ared(SWIR， IR-B)： 1.4um3um Mid-wavelength infrared(MWIR， IR-C)： 3um（ 6） 8um 大气窗口，被动式热寻导弹的工作窗口。 Long wavelength infrared(LWIR， IR-C)： 8um15um 热成像的工作区域 (人体热辐射波长 10um) Far infrared(FIR， IR-C)： 15um1000um 极远红外 光电信息学院：微纳光电技术实验室 第一章：基础理论 1.1 电磁波谱与红外辐射 红外光谱 按大气窗口划分 每一个波段都至少含一个大气窗口： 大气窗口 指大气中能够透过红外辐射的波段（除这些

5、窗口外，红外辐射不能透过） 光电信息学院：微纳光电技术实验室 第一章：基础理论 1.2 红外辐射理论 普朗克公式 4 普朗克定律 任何物理实体，其单一坐标进行简谐振荡所具有的总能量必须满足以下公式： E=nhv 其中 E为总能量； v振荡频率； n为量子数； h普朗克常数。 普朗克应用微观粒子能量不连续的假说 量子概念，并借助于空腔和谐振子理论，导出了以波长 ( m )和温度 T(K)为变量、确定黑体辐射出射度 MbT (Wm 2m 2)的公式为： 普朗克定律就是基尔霍天定律要求的普适函数，与透射、反射和吸收定律一起，构成了红外物理理论基础的三大定律。 光电信息学院：微纳光电技术实验室 第一章

6、：基础理论 1.2 红外辐射理论 5 维恩定律 1893年， Wilhelm Wien提出： 最大光谱辐射功率的波长 max与绝对温度 T成反比例关系。 维恩位移定律提示了辐射体的颜色。维恩位移定律可由 Planck定律导出 m a x TC 其中： C=2897.8微米 K是一常数。 m a x2 8 9 7 . 80bMT 光电信息学院：微纳光电技术实验室 第一章：基础理论 1.2 红外辐射理论 如果将普朗克公式对波长从 0 积分，所确定的黑体全光谱辐射出射度 Mb与温度 T的关系即为斯特藩 玻尔兹曼定律 式中 d 5.6703 10-8 ，称为斯特藩 玻尔兹曼常量。斯特藩 玻尔兹曼定律指

7、出，黑体的全光谱辐射出射度与温度成 4次方的关系。 因此，在红外隐身技术中，第一要素就是如何降低武器平台的温度，以最大限度的减少向环境的红外辐射能。 6 斯特藩 玻尔兹曼定律 光电信息学院：微纳光电技术实验室 第一章：基础理论 1.2 红外辐射理论 将维恩定律式代入普朗克定律式 就可导出斯特藩 玻尔兹曼定律的一个特殊形式 黑体光谱辐射出射度峰值的表达式： 式中 为常量， 可见，降低武器平台的温度后，其红外辐射的峰值波长的辐射出射度将按温度 5次方的关系向长波方向偏离根据降低的温度数值，可以具体计算武器平台红外辐射的峰值是否移出红外探测器的探测范围，进而评估红外隐身的效果。 光电信息学院：微纳光

8、电技术实验室 第一章：基础理论 1.4 红外传输理论 大气的散射 1) 瑞利散射 当大气中的散射中心尺寸远小于光波长，即 d(0.10.3) 时，散射是迈散射。迈散射主要用于描述气溶胶粒子的散射。 大气中气溶胶粒子的存在，使其折射率大于周围的空气，一般用复折射率 m表示气溶胶粒子引起的吸收和散射 式中 表示散射的实部， 表示吸收的虚部。迈散射系数的计算需要确定散射的效率因子 ，相应的散射截面与效率因子 的关系为 （ 51） （ 52） 光电信息学院：微纳光电技术实验室 第一章：基础理论 1.4 红外传输理论 大气的散射 a 为尺度参数，为 r为散射中心半径。由于气溶胶粒子的尺寸分布 N(r)不

9、同，计算迈散射系数时需要对所有不同尺寸的粒子引起的散射求和 地面景物向空中辐射的中波、长波红外光因迈散射和其他散射的存在，成为大气背景红外光的一部分。 光电信息学院：微纳光电技术实验室 5 影响红外辐射传播的气象条件 1)空气温度 表示空气温度有三种温标。 绝对温度：建立在热力学基础理论上的温标系统，与测温物质的特性无关，单位为 K。 摄氏温度：以水的温度特性建立的温标系统，单位为 在标准大气压下，定义纯水的三相点为 0 ，沸点为 l00，在两者之间线性等分成 100格，每格是 l 华氏温度：单位为下定义纯水的三相点为 32 ，沸点为212 ，两者之间线性等分成 180格，每格是 l 。 第一

10、章：基础理论 光电信息学院：微纳光电技术实验室 2）空气湿度 空气湿度是反映空气中水汽含量物理量，一般用如下方法描述。 水汽压：水汽压是空气中水汽分压强，单位为 mPa空气中水汽达到饱和时的水汽分压为饱和水汽压水汽压是温度的函数，温度越低，水分子的动能越小，水汽压也越小。反之亦然。 P为大气压。 PH2O为蒸汽压。显然，大气中的水汽含量越大，对红外系统的作用距离的影响也越大。在进行红外系统作用距离考核时，要给定当时天气的湿度值。 第一章：基础理论 光电信息学院：微纳光电技术实验室 3)大气压力 地面上单位面积的大气压力，其数值等于单位底面积垂直向上一直延伸到大气层外界的空气柱的重量，单位为 P

11、a。 1Pa的压力等于 l平方米面积上受到 l牛顿的力。气压与温度密切相关，气温降低，气压升高。 在进行红外系统作用距离考核时，大气压力一般不作为实验条件直接给出，但在进行大气透射计算时则是必需的参数。大气压力对红外系统的作用距离影响很大。大气压力大，空气的密度大，气体分子对红外辐射的吸收、散射作用也就越大。 第一章：基础理论 光电信息学院：微纳光电技术实验室 4）水平能见度 水平能见度是指视力正常的人在白天当时天气条件下，能从天空背景中看到和识别出具有 30分张角的目标的最大距离，在夜间则是看到一定强度灯光的最大距离。在进行红外系统作用距离考核或试验时，要给定或记录好当时天气的能见度。否则，

12、即使是同一台设备、同一地点，其试验结果都将相差很大。 一般将能见度划分为从 0到 9共 10个等级， 0级最低， 9级最高。 第一章：基础理论 光电信息学院：微纳光电技术实验室 5)云 云是由细小的水滴和冰晶组成的气团。云有许多种类，不同种类云中的含水量不同，云中的含水量决定了云层对红外辐射的吸收量的大小。 6)雾 雾是由地面水汽凝结形成的，由极细小的水滴和冰晶组成。云、雾中水滴的尺寸、分布和浓度对红外辐射的传播影响极大，根据上述红外辐射云和雾的物理特性，可以解释为什么有的云、雾能被红外辐射能穿过，有的又不能。 第一章：基础理论 光电信息学院：微纳光电技术实验室 云、雾中的水滴尺寸远大于可见光

13、的波长，浓度也很高，由于水滴对可见光的反射、散射、吸收等作用，可见光对云、雾的穿透性很差同理，因云、雾中的水滴尺寸已等于或大于中波、长波红外的波长，同样对红外辐射的传播有严重影响。一般来说，中波红外光的波长比可见光的长约 10倍，长波红外的比可见光的长约 20倍，所以，中波红外穿透云、雾的能力优于可见光，长波红外穿透云、雾的能力优于中波红外和可见光。这一规律与实验结果是一致的。此外，红外辐射穿透温度低的云、雾的能力堆于穿透温度高的云、雾红外辐射，特别是长波红外辐射具有一定穿透薄的冰云、轻雾的能力。 第一章：基础理论 光电信息学院：微纳光电技术实验室 第一章：基础理论 1.5 红外探测理论 光电

14、效应 某些固体受到光的作用后 ， 其中的 电子直接吸收光子能量 而发生运动状态的改变 ， 从而导致该固体的某种 电学参量的改变 ， 这种电学性质的改变统称固体的光电效应 。 光电信息学院：微纳光电技术实验室 第一章：基础理论 1.5 红外探测理论 光电导效应 光电导效应 ：当红外辐射入射到半导体器件上 ， 会使体内一些电子和空穴从原来不导电的束缚状态转变成能导电的自由状态 ，从而 使半导体的电导率增加 ， 这种现象为光电导效应 。 光电信息学院：微纳光电技术实验室 第一章：基础理论 1.5 红外探测理论 光电导效应 半导体的光激发过程 (a)本征吸收； (b)非本征吸收； (c)自由载流子吸收 1.本 征光电导和杂质光电导 本征光电导： 入射红外辐射的光子能量大于半导体禁带宽度，使电子从价带激发到导带而改变其光电导率。 其优点是工作温度比非本征型高。 杂质光电导 ：入射辐射激发杂质能级上的电子或空穴而改变其电导率， 其优点是长波效应较好。 自由载流子 ：材料吸收光子后不引起载流子数量的变化，而是引起载流子迁移率的变化。 这类器件常需要在极低温度下工作，以降低能量向晶格转移。 光电信息学院：微纳光电技术实验室 第一章：基础理论 1.5 红外探测理论 光电导效应 ()rP n p