第九章 紅外線物理

蛇屬于冷血動物，它們幾乎無法出現(xiàn)在熱成像圖片中。而且所有的蛇類物種都依靠外部熱源來調(diào)節(jié)它的內(nèi)部溫度。獅子獅子是存活于非洲和亞洲的兇殘捕食者，而且堅定的位于它們當(dāng)?shù)厥澄镦湹捻敹?。它們被認為屬于易危物種，而且種群數(shù)量由于獵殺和棲息地的消失而直線下降。北極熊北極熊是保持身體熱量的高手。在北極環(huán)境中的數(shù)百萬年進化，已經(jīng)使它們完善了保持熱量的能力。鹿鹿遍布全世界，而且擁有大量的個體物種。它身體上的黑暗表明，它的皮毛非常完美的保持了熱量。無線電波紅外線可見光紫外線可見光X射線γ射線第九章紅外線物理第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用二、紅外線輻射源一、紅外線光譜第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用一、紅外線光譜1800年，科學(xué)家威廉·赫歇爾（W.Herschel）,為尋找觀察太陽時保護眼睛的方法，研究了太陽光譜各部分的熱效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中包含看不見的輻射,稱為‘看不見的光線’,后稱之為紅外線(簡稱紅外)。第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用

紅外線是一種電磁波，其波長范圍是0.75～1000μm,紅外線頻率范圍3×1011～4×1014Hz。紅外光譜學(xué)中用波數(shù)來表示,波長的倒數(shù)就是波數(shù)值,相當(dāng)于在真空中1米長的路程上包含有多少個波長的數(shù)值。

單位

m-1。一、紅外線光譜l1~=v第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用可知,波數(shù)的大小同樣可反映頻率的高低，紅外線波數(shù)范圍在10～1.3×104cm-1。紅外輻射還以紅外光量子形式存在，一個光子的能量為如果用電子伏特（eV）來表示，紅外波段的光子能量范圍是1.24×10-3～1.65eV一、紅外線光譜vhchvE~==第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用cvv=~由波數(shù)與頻率的關(guān)系電磁波譜中，常用倍頻程(octave)等級表征所研究的頻率或波長范圍。以2為底的兩個頻率比的對數(shù)稱為頻程，數(shù)學(xué)表達式為式中n為倍頻程數(shù)，為基準(zhǔn)頻率，為所求倍頻程數(shù)的信號頻率，可以是整數(shù)或分?jǐn)?shù)。

一、紅外線光譜第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用例如n=1、1/3，則分別稱為“倍頻程或一個倍頻程”和“三分之一倍頻程”。紅外波段的頻率范圍跨過約10個倍頻程紅外光譜區(qū)比可見光譜區(qū)內(nèi)容更豐富的和發(fā)展?jié)摿Ω罂梢姽庾V所占的頻率范圍是3.9×1014～7.5×1014Hz一、紅外線光譜第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用可見光譜的頻率范圍只跨過一個倍頻程紅外線所占的頻率范圍是3×1011～4×1014Hz

紅外輻射分四個波段波段近紅外中紅外遠紅外極遠紅外波長（μm）0.75～33～66～1515～1000簡稱NIRMIRFIRXIR一、紅外線光譜第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用理想的紅外輻射源是黑體。黑體是一個與環(huán)境達到熱平衡并能吸收入射的一切輻射能的物體。黑體的最大特征是所發(fā)射的輻射能等于所吸收的輻射能，黑體的輻射能量是溫度、波長的連續(xù)函數(shù)。普朗克定律準(zhǔn)確地描述了黑體輻射的規(guī)律，黑體的發(fā)射率等于1，對實際紅外輻射源的分析可以在黑體輻射理論的基礎(chǔ)上加以修正。二、紅外線輻射源第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用實際紅外輻射源有兩大類二、紅外線輻射源1．太陽輻射2．地球紅外輻射3．大氣熱輻射4．人工黑體5．人體熱輻射實際紅外輻射源有灰體選擇性輻射體灰體不能全部吸收輻射能，發(fā)射率為常數(shù)，小于1；選擇性輻射體發(fā)射率是波長的函數(shù)，在0和1之間。第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用

人體本身是一個遠紅外輻射源，他可以吸收及發(fā)射遠紅外光。對波長大于4μm的熱輻射，人體皮膚發(fā)射率的平均值可達0.99，幾乎與膚色無關(guān)，可視為黑體。二、紅外線輻射源第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用紅外輻射度學(xué)是研究電磁輻射能測量的科學(xué)與技術(shù)。輻射度學(xué)主要建立在幾何光學(xué)的基礎(chǔ)上，基于以下兩個假設(shè)光度學(xué)只適用電磁波譜可見光區(qū)域，輻射度學(xué)的概念和方法，適用于整個電磁波譜范圍。第一輻射按直線傳播第二輻射能是不相干輻射度學(xué)不考慮干涉效應(yīng)第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律三、熱輻射的基本規(guī)律一、基本輻射量二、光譜輻射量與光子輻射量第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用基本輻射量輻射亮度輻射照度輻射出射度輻射強度輻射通量密度輻射密度輻射功率輻射能一、基本輻射量第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用

輻射能密度(radiantenergydensity)是物體在輻射場內(nèi)單位體積中的輻射能，用ω表示，單位:焦耳·米-3（J·

m-3），即1．輻射能輻射能(radiantenergy)就是以電磁波的形式發(fā)射、傳輸或接收的能量，用Q表示，單位是焦耳（J）。2．輻射能密度式中，V為體積，單位是m-3。一、基本輻射量VQ??=w第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用3．輻射功率(radiantpower)發(fā)射、傳輸或接收輻射能的時間速率，用P表示，單位是瓦（W），式中，t為時間。輻射在單位時間內(nèi)通過某一面積的輻射能又稱為經(jīng)過該面積的輻射通量，輻射通量也稱為輻通量。一、基本輻射量tQP??=第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用4．輻射強度(radiantintensity)

輻射源在某一方向上的輻射強度是指輻射源在包含該方向的單位立體角內(nèi)所發(fā)出的輻射功率。一個點源圍繞某指定方向小立體角元內(nèi)發(fā)射的輻射功率為ΔP，輻射源在該方向上的輻射強度一、基本輻射量ΩPΩPIΩ??=DD=?D)(lim0第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用單位是瓦·球面度-1（）。

輻射強度是點源所發(fā)射的輻射功率在空間角分布特性的物理量?；蛘哒f，它是輻射功率在某方向上的角密度的度量。輻射強度對整個發(fā)射立體角的積分，可給出輻射源發(fā)射的總輻射功率P，即對于各向同性的輻射源，I等于常數(shù)。一、基本輻射量ΩIPΩdò=第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用4．輻射強度(radiantintensity)

輻射源在某一方向上單位投影面積向單位立體角中發(fā)射的輻射功率。一、基本輻射量6．輻射亮度第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用單位是瓦·

球面度·

米-2（W

·

sr-1

·

m-2

）。輻射亮度的定義一、基本輻射量第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用6．輻射亮度由輻射強度I

定義有如小面源很小，輻射亮度L可近似看成不隨位置變化，則小面源的輻射強度為小面源在空間某一方向上的輻射強度等于該面源的輻射亮度乘以小面源在該方向上的投影面積（或表觀面積）。一、基本輻射量AIL??×=qcos1qcosALID=第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用6．輻射亮度1．光譜輻射量二、光譜輻射量與光子輻射量第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用全輻射量:包含了波長(0～∞)的全部輻射的輻射量。用定義為相應(yīng)的光譜輻射量(spectralradiance)△x是小波長間隔內(nèi)輻射量的變化。紅外輻射理論透射、反射和吸收定律普朗克定律基爾霍夫定律三、熱輻射的基本規(guī)律第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用1．描述紅外線傳播特性的物理量表示物體紅外輻射的發(fā)射能力，用數(shù)字表示就是發(fā)射率。發(fā)射率無量綱，為某一物體發(fā)射的紅外輻射量與相同溫度的黑體紅外輻射發(fā)射量之比。有光譜發(fā)射率和平均發(fā)射率。對黑體，光譜發(fā)射率等于1，故平均發(fā)射率也等于1。

物體對入射到其上的紅外輻射的吸收能力，用數(shù)字表示就是吸收率

。吸收率無量綱，為吸收量和入射量之比。有光譜吸收率

和平均吸收率

。三、熱輻射的基本規(guī)律第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用（1）發(fā)射本領(lǐng)（發(fā)射率）(emissivity)（2）吸收本領(lǐng)（吸收率）(absorptivity)表示物體對入射到其上的紅外輻射的反射能力，用數(shù)字表示反射本領(lǐng)就是反射率。有光譜反射率和平均反射率。表示物體對入射到其上的紅外輻射的透射能力，用數(shù)字表示透射本領(lǐng)就是透射率。也有光譜透射率和平均透射率。三、熱輻射的基本規(guī)律第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用1．描述紅外線傳播特性的物理量（3）反射本領(lǐng)（反射率）(reflectivity)（4）透射本領(lǐng)（透射率）(transmissivity)：

當(dāng)溫度一定時，按能量守恒原則有光譜吸收率、光譜反射率和光譜透射率之和為1，即

如果入射到物體的紅外輻射全部被吸收，若=0,則

。如果將物體吸收率、反射率和透射率對入射紅外輻射各種波長求的平均值，則其吸收率、反射率和透射率

之和仍然為1，即在不同的溫度，物體吸收紅外輻射的機制可能不一樣，因此吸收率、反射率和透射率仍然是溫度的函數(shù)。三、熱輻射的基本規(guī)律第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用2．吸收、反射、透射定律3．基爾霍夫定律物體發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)的比值僅與輻射波長和溫度有關(guān)，與物體的性質(zhì)無關(guān)，該比值是對所有物體的普適函數(shù)。數(shù)學(xué)表示為三、熱輻射的基本規(guī)律第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用對黑體所有光譜的發(fā)射率等于光譜吸收率(等于1)，故上述普適函數(shù)就是黑體的輻射出射度。如果獲得黑體的輻射出射度的具體數(shù)學(xué)表達式，就構(gòu)成了最基本紅外輻射定律。普朗克推導(dǎo)出了以波長(μm)和溫度T(K)為變量、確定黑體輻射出射度的公式為三、熱輻射的基本規(guī)律式中為玻爾茲曼常量，

為第一輻射常量，為第二輻射常量,黑體輻射出射度的單位是瓦·

米-2·微米-1()第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用4．普朗克定律不同溫度下黑體光譜輻射出射度分布曲線三、熱輻射的基本規(guī)律第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用4．普朗克定律（1）不同曲線代表不同溫度黑體光譜輻射出射度隨波長

連續(xù)變化的情況，每條曲線都有一個極大值。（2）不同溫度的曲線彼此不相交。在任一波長上，溫度越高，光譜輻射出射度越大，反之亦然。（3）隨著溫度T的升高，峰值波長λm向短波方向移動，表明黑體輻射中短波部分所占比例增大。（4）波長小于λm部分的能量約占25%，波長大于λm

部分的能量約占75%。（5）溫室下輻射峰值波長在紅外波段。普朗克定律的特點：三、熱輻射的基本規(guī)律第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用4．普朗克定律描述黑體輻射分布的峰值波長與熱力學(xué)溫度關(guān)系的定律式中b=2897.8，稱為維恩常數(shù)，為黑體最大光譜輻射出射度的波長，單位是μm。三、熱輻射的基本規(guī)律bT=ml第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用5．維恩位移定律黑體全波輻射出射度和黑體熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系式中，為斯特潘-玻爾茲曼常量黑體光譜輻射出射度峰值的表達式為常量三、熱輻射的基本規(guī)律第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用6．斯特潘-玻爾茲曼定律(Stefan-Boltzmann)第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用一、紅外線的物理特性二、紅外線的生物效應(yīng)三、紅外線的臨床作用第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用紅外線除具有電磁輻射的一般性質(zhì)外，還有一些特性：（1）紅外線波長為0.75～1000μm，大于可見光，不可見（2）高于絕對零度的物質(zhì)都在不停的輻射紅外線。醫(yī)用紅外線可分為兩類：近紅外線與遠紅外線（3）紅外輻射的光量子能量比可見光的?。?）紅外線的熱效應(yīng)比可見光要強得多（5）紅外線照射物質(zhì)表面將被反射和吸收（6）短波紅外線對物質(zhì)的穿透能力強，對皮膚的穿透力超過紫外線。一、紅外線的物理特性第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用1．紅外線對人體的穿透作用2．遠紅外線對細胞的共振作用3．紅外線對人體的熱作用二次效應(yīng)共振效應(yīng)對皮膚、眼、機體的作用二、紅外線的生物效應(yīng)第一節(jié)紅外線的產(chǎn)生第二節(jié)紅外線輻射的基本規(guī)律第三節(jié)紅外線與物質(zhì)的相互作用微光夜視儀，顧名思義，就是利用外部環(huán)境的可見光（如星光、月光）進行成像的一種技術(shù)。電子管，它的作用是把微弱的光線轉(zhuǎn)換為電子束，加強放大后轟擊熒光粉發(fā)光，只有選用專用的硫化鋅熒光粉才能滿足要求，而這種硫化鋅熒光粉發(fā)的就是綠色光。紅外攝影基本與“夜視”無關(guān)。軍用紅外夜視儀通常使用波長7-14um的紅外波段，因為機車發(fā)動機和人體自身釋放的紅外線在這個波長范圍.狙擊槍在鏡頭后端，我們可完全看清楚人體狀態(tài)，但是看不清楚人的臉。這也就是為什么熱成像技術(shù)一直難以步入視頻監(jiān)控領(lǐng)域的原因了。熱成像技術(shù)的環(huán)境適應(yīng)力很強，在強光、沙暴、大霧等惡劣天氣環(huán)境下都可以進行觀測。它不是一種完全的夜間觀測技術(shù)，在白天應(yīng)用在惡劣環(huán)境觀測的案例也不少。主動紅外技術(shù)，顧名思義，就是通過主動發(fā)射紅外光進行夜間成像的一種技術(shù)。那為什么它的成像效果為黑白色呢？主要因為在夜晚，通過紅外夜視以后黑白色的畫面是成像最清晰夜視最好的。彩色的圖像會因為光線等原因與物體原來的效果產(chǎn)生偏差，而黑白色的畫面對色彩的丟失會更少。生命探測技術(shù)，主要通過探測人的心跳來確定人的位置。利