6紅外技術(shù)PPT課件

1、第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量 6.1 紅外輻射測(cè)量?jī)x器(1) 單色儀： 利用分光原件(棱鏡或光柵)從復(fù)雜輻射中獲得紫外、可見和紅外光譜中具有一定單色程度光束的儀器。由狹縫、準(zhǔn)直鏡和分光元件按一定排列方式組合而成。A2i1i角色散：表示偏向角 隨波長(zhǎng) 的變化速率，即波長(zhǎng)相差 的兩光線被棱鏡分開后的角度。d棱鏡：第1頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量當(dāng)入射角等出射角時(shí)，角色散表示為：1/2222sin/21sin/2AddnddnA棱鏡材料的色散率 如果棱鏡能分辨開波長(zhǎng)為 和 的單色光，根據(jù)瑞利散射判據(jù)，一條譜帶的最大值剛好跟鄰近譜帶

2、的最小值重疊，則棱鏡的理論分辨率R為：Rdnbd棱鏡的有效底邊長(zhǎng)度 棱鏡的最大分辨本領(lǐng)與棱鏡底邊長(zhǎng)度 b 及棱鏡材料的色散率 成正比。棱鏡分辨本領(lǐng)是影響紅外單色儀光譜分辨本領(lǐng)的重要因素。/dn d第2頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量衍射光柵：光柵平面光柵刻線bi閃耀光柵主極大的位置遵循光柵方程：sinsinmbi衍射級(jí)數(shù)cosdmdb光柵的色散率：光柵的色散率要比棱鏡大得多，尤其是在紅外光譜區(qū)域。光柵的分辨本領(lǐng)：dRWd有效孔徑寬度 ，N是刻線總數(shù)。cosWbNRmN光柵分辨本領(lǐng)與刻線總數(shù)N和光譜的級(jí)數(shù)m成正比第3頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量瓦茨沃爾士(

3、Wadsworth)色散系統(tǒng)第4頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量(2) 光譜輻射計(jì)： 光譜輻射計(jì)是在窄光譜區(qū)間測(cè)量光譜輻射通量的裝置；輻射計(jì)是在寬光譜區(qū)間測(cè)量輻射通量的裝置。 輻射計(jì)的光譜響應(yīng)區(qū)間由探測(cè)器的光譜響應(yīng)和光學(xué)系統(tǒng)的透射特性決定。若探測(cè)器均勻地響應(yīng)所有波長(zhǎng)，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)所有波長(zhǎng)全部透過(guò)而無(wú)吸收，則輸出指示將與光學(xué)系統(tǒng)入射光瞳上的總輻射照度成正比。電子放大器顯示或記錄探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)輻射源輻射計(jì)原理圖第5頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量光譜輻射計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖輻射源探測(cè)器光譜記錄器樣品槽參比槽記錄筆和梳狀光闌驅(qū)動(dòng)裝置單色儀電子放大器光闌利用光譜輻射計(jì)可以給出

4、輻射通量隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系。第6頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量(3) 紅外分光光度計(jì)： 紅外分光光度計(jì)也稱為紅外光譜儀，是進(jìn)行紅外光譜測(cè)量的基本設(shè)備，主要由輻射源、單色儀、探測(cè)器、電子放大器和自動(dòng)記錄系統(tǒng)構(gòu)成。單色儀輻射計(jì)反射鏡棱鏡入射狹縫輻射源出射狹縫色散型雙光束紅外分光光度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖第7頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量雙光束光學(xué)自動(dòng)平衡系統(tǒng)雙光束電學(xué)自動(dòng)平衡系統(tǒng)雙光束光學(xué)自動(dòng)平衡系統(tǒng)的光學(xué)部分示意圖光零位平衡紅外分光單光束分光光度計(jì)雙光束分光光度計(jì)(全自動(dòng)快速光譜分析)光度計(jì)第8頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量雙光束電學(xué)平衡式紅外光譜

5、儀的光學(xué)系統(tǒng)記錄器參比信號(hào)樣品信號(hào)suRusussuu可逆電機(jī)樣品透射率為：0sRuIuI第9頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量(4) 傅里葉變換紅外光譜儀： 傅里葉變換紅外光譜儀主要由邁克爾遜干涉儀和計(jì)算機(jī)組成。干涉儀的主要功能是使光源發(fā)出的光分成兩束后產(chǎn)生一定的光程差，再使之復(fù)合產(chǎn)生干涉，得到的干涉圖包含著光源的全部頻率和信息。然后用計(jì)算機(jī)將干涉圖進(jìn)行傅里葉變換就可以計(jì)算出原來(lái)光源的強(qiáng)度按頻率的分布。 如果在復(fù)合光束中放置一個(gè)能吸收紅外輻射的樣品，由所測(cè)得的干涉圖經(jīng)傅里葉變換后與未放入樣品時(shí)光源的強(qiáng)度按頻率分布進(jìn)行相比，就可以得到樣品的吸收光譜。第10頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅

6、外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量傅里葉變換紅外光譜儀的組成：(1) 光源：光譜儀為能測(cè)定不同范圍的光譜設(shè)置有多個(gè)光源，通常用的是鎢絲燈或碘鎢燈(近紅外)、硅碳棒(中紅外)、高壓汞燈及氧化釷燈(遠(yuǎn)紅外)。(2) 分束器：要求在波數(shù)處使入射光束透射成分和反射成分各半，此時(shí)被調(diào)制的光束振幅最大。根據(jù)使用波段范圍不同，在不同介質(zhì)材料表面涂相應(yīng)的涂層。(3) 探測(cè)器：常用的探測(cè)器有TGS、鈮酸鋇鍶、碲鎘汞、銻化銦等。(4) 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：核心是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，功能是控制儀器的操作，收集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)。第11頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量邁克爾遜干涉儀工作原理圖第12頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻

7、射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量測(cè)到的入射光干涉強(qiáng)度 I(x) 可以表示為： 001 cos2cos22II xSx dSxdx兩光束的光程差光程差為零時(shí)的干涉光強(qiáng)待測(cè)樣品即入射光的發(fā)射光譜 040 /2 cos2SI xIxdx傅里葉變換第13頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量由傅里葉變換紅外光譜儀獲得發(fā)射光譜的步驟：(1) 當(dāng)干涉儀動(dòng)鏡M1隨時(shí)間作勻速移動(dòng)時(shí)，記錄相應(yīng)的信號(hào)，測(cè)出I(x)值(等間隔取樣)；(2) 由實(shí)驗(yàn)測(cè)定光程差x=0時(shí)的I(0)；(3) 將I(x)-I(0)帶入方程 ，對(duì)于選定的頻率計(jì)算出積分； 040 /2 cos2SI xIxdx(4) 對(duì)于每一個(gè)頻率完成上面

8、的積分，即可得到 光譜曲線圖。 S第14頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量與紅外分光光度計(jì)相比傅里葉變換紅外光譜儀的優(yōu)點(diǎn)：(1) 掃描時(shí)間短，信噪比高：光譜儀用時(shí)是光度計(jì)的1/N，信噪比是色散型儀器的(N/8)1/2 ，N是所測(cè)光譜包含的光譜元數(shù)。(2) 光通量大：一般比色散型儀器高出數(shù)十倍乃至數(shù)百倍以上。(3) 具有很高的波數(shù)準(zhǔn)確度：通?？蓜?dòng)鏡的移動(dòng)是由He-Ne激光器的干涉條紋測(cè)量的，測(cè)得的光程差很準(zhǔn)確，因此計(jì)算的光譜中波數(shù)的準(zhǔn)確度也很高，通?？蛇_(dá)0.01cm-1。(4) 具有較高的和恒定的分辨能力：干涉儀的分辨能力主要是由可動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)時(shí)造成的最大光程差來(lái)確定的，研究型的光譜

9、儀在整個(gè)光譜范圍內(nèi)能達(dá)到0.05cm-1左右的分辨能力。(5) 具有較寬的光譜范圍和極低的雜質(zhì)輻射：通常都包含近紅外到遠(yuǎn)紅外的光譜范圍。某些波長(zhǎng)的雜散輻射在傅里葉變換后可以很容易地鑒別出來(lái)，并且雜散光在整個(gè)光譜范圍內(nèi)可低于0.3%。第15頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量(5) 多通道光譜儀： 也采用棱鏡或光柵作為色散原件，可以同時(shí)在很多波長(zhǎng)的通道內(nèi)收集色散能量。每一通道內(nèi)的能量可以采用探測(cè)器陣列的各分立探測(cè)元件，或利用攝像管，或具有空間分辨能力的相似器件收集。第16頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量6.2 基本輻射量的測(cè)量 紅外基本輻射量的測(cè)量原則上可分為以輻

10、射源為標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量和以探測(cè)器為標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量，下面主要介紹以輻射源為標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量。(1) 輻射亮度的測(cè)量： 用下標(biāo) s 表示與標(biāo)準(zhǔn)輻射源有關(guān)的量，x 表示與待測(cè)輻射源有關(guān)的量。定義儀器的光譜輻射亮度響應(yīng)度為 ： LR LeVRL波長(zhǎng) 處儀器的光譜輸出電壓入瞳處的被測(cè)光譜輻射亮度第17頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量 波段內(nèi)儀器的響應(yīng)度為：12 2121eLLeeLRdVRLLd ssLVLR如果用標(biāo)準(zhǔn)輻射源在 處和 波段內(nèi)測(cè)得的電壓分別為：12 21ssLVLRd xxLVLR 21xxLVLRd其中 和 是標(biāo)準(zhǔn)輻射源和待測(cè)樣品的光譜輻射亮度。 xL sL如果用待測(cè)輻射源在 處和 波

11、段內(nèi)測(cè)得的電壓分別為：12第18頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量于是可以求得待測(cè)輻射源的輻射亮度為： xxxsLsVVLLRV 21xxxxssLssVVVLLdLRVV其中 和 分別是標(biāo)準(zhǔn)輻射源在入射光瞳處的光譜輻射亮度和總輻射亮度。sLsL 利用上面結(jié)果不必考慮儀器響應(yīng)度，只要求知道輻射源的光譜輻射亮度以及儀器的輸出電壓信號(hào)就可以了；并且此方法也適用于其它輻射量(如輻射照度、輻射通量等)的測(cè)量。第19頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量(2) 輻射強(qiáng)度的測(cè)量：2aEdI 輻射源的強(qiáng)度是通過(guò)輻射照度的測(cè)量獲得的。假設(shè)輻射穿過(guò)透射率為 的大氣后，在距離為d 處產(chǎn)

12、生的輻射照度為E，當(dāng)d 遠(yuǎn)大于輻射源的線度時(shí)，輻射強(qiáng)度為：a表觀輻射強(qiáng)度 擴(kuò)展輻射源，要測(cè)得輻射源表面上各點(diǎn)在給定方向上的輻射亮度 L：cosdILdAcosAILdA第20頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量(3) 總輻射通量的測(cè)量：對(duì)于各向同性點(diǎn)源，其總輻射通量為：4 I 對(duì)于實(shí)際光源其總輻射通量有兩種測(cè)量方法：(1) 在積分球內(nèi)利用已知輻射源的輻射與待測(cè)輻射源作比較 測(cè)量；(2) 用分布光度計(jì)測(cè)量輻射源在空間各個(gè)方向上的輻射強(qiáng)度分布，然后計(jì)算其輻射通量。第21頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量(1) 積分球法：CoRB2a 積分球也稱為積分光度計(jì)，它是一個(gè)內(nèi)

13、壁涂白色漫反射涂層，球內(nèi)放待測(cè)光源的完整球殼。由光源發(fā)射并經(jīng)球壁漫反射的一部分輻射通過(guò)球壁上的一個(gè)小窗口射到測(cè)量用的接收器上，這部分輻射通量正比于光源所發(fā)出的總輻射通量。B點(diǎn)的輻射照度為：241BER漫反射比為計(jì)算光源總輻射通量：(1) 用窗口處輻射照度計(jì)測(cè)量的照度計(jì)算；(2) 用比較法測(cè)量輻射源的輻射通量。xxssEE 第22頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量 如果C位于球心，經(jīng)驗(yàn)證明擋屏放在輻射源與窗口之間，并距球心R/3處是最合適的。設(shè)輻射源的最大尺度為2b，則擋屏的半徑為：2/3daba通常要求輻射源的最大尺度不超過(guò)球殼直徑的1/10。CoRB2a漫反射比為第23頁(yè)/共

14、61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量實(shí)際的積分球并不滿足上面的理想條件，原因?yàn)椋?1) 球內(nèi)壁不可能發(fā)生理想的漫反射；(2)球內(nèi)壁各點(diǎn)的慢發(fā)射不可能是嚴(yán)格相同的；(3)擋屏不僅遮擋光源的輻射，而且在球壁上也會(huì)形成陰影；(4)落在輻射源、懸浮裝置以及擋屏上的輻射要被它們反射或吸收；(5)在窗口或接收器處不可能完全像朗伯余弦定律那樣傳輸輻射或吸收輻射等等。第24頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量(2) 分布光度計(jì)法： 根據(jù)輻射通量跟輻射照度之間的關(guān)系，通過(guò)面積 的輻射通量為：AIEA 設(shè)想一個(gè)閉合曲面把光源包在里面，將曲面分成許多小面元 ，分別測(cè)出各小面元上的平均輻射照度

15、，就可以得到各小面元上的輻射通量，最后通過(guò)求和便可得到總的輻射通量為：iSiE11nniiiiiiEAES 為了方便，通常假設(shè)光源發(fā)出的輻射強(qiáng)度是軸對(duì)稱的。第25頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量6.3 紅外發(fā)射率測(cè)量 在紅外發(fā)射率的實(shí)際測(cè)量中，有紅外輻射測(cè)溫技術(shù)、熱成像測(cè)量技術(shù)和遙感輻射測(cè)量技術(shù)等。 在紅外輻射測(cè)溫技術(shù)中，目標(biāo)表面的紅外發(fā)射率是影響測(cè)量結(jié)果的基本參數(shù)，如在 0的條件下觀察25的兩個(gè)目標(biāo)，若發(fā)射率相差0.01則測(cè)出的輻射溫度相差，這超出了較靈敏儀器的溫度分辨率。而在熱成像測(cè)量和遙感輻射測(cè)量技術(shù)中，景物發(fā)射率也會(huì)影響輻射對(duì)比度。第26頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)

16、量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量在測(cè)量和報(bào)道紅外發(fā)射率時(shí)，必須注意下列問(wèn)題：(1) 根據(jù)定義，發(fā)射率是實(shí)際物體與黑體在相同條件下的輻射之比，因此報(bào)道測(cè)量結(jié)果時(shí)應(yīng)指明測(cè)試條件，把測(cè)量結(jié)果嚴(yán)格地說(shuō)成是在某溫度、某光譜范圍和方向上的發(fā)射率；(2) 必須對(duì)樣品的狀態(tài)有完整的描述，在報(bào)道測(cè)量結(jié)果時(shí)應(yīng)盡可能地說(shuō)明測(cè)試樣品的成分、厚度、表面形貌特征和結(jié)構(gòu)特征等；(4) 測(cè)量發(fā)射率時(shí)必須準(zhǔn)確知道樣品的溫度。(3) 對(duì)光學(xué)不均勻的樣品必須考慮反射作用，在發(fā)射率測(cè)量中必須注意 ，此式中的三個(gè)量要有一致的幾何條件和光譜條件；1第27頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量(1) 半球全發(fā)射率測(cè)量： 當(dāng)研究輻射熱傳遞和

17、熱損耗問(wèn)題時(shí)，最關(guān)心的是物體表面的半球全發(fā)射率，對(duì)它的測(cè)量絕大多數(shù)是采用量熱法。輻射熱平衡法-熱絲法：IV1T2T4122PIVAT 樣品的總輸入功率：樣品吸收的壁的輻射功率電功率21第28頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量樣品的總輸出功率：4212/hPATkS TxP gas樣品熱輻射功率空氣傳導(dǎo)和對(duì)流耗散的功率樣品兩端及測(cè)溫?zé)狳c(diǎn)偶傳導(dǎo)消耗的功率在熱輻射平衡條件下：4421hIVATAT 令 ，可以得到半球全發(fā)射率為：h4412hIVATT這種方法的誤差在2%20%之間，其大小主要取決于樣品和真空室壁的相對(duì)溫度及測(cè)量精度。第29頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)

18、測(cè)量(2) 法向光譜發(fā)射率測(cè)量： 測(cè)量法向光譜發(fā)射率除借助光譜反射率測(cè)量技術(shù)外，幾乎全部采用輻射度量比較法，在這類方法中，首先要收集給定溫度下樣品在小立體角內(nèi)發(fā)射的輻射，并把它經(jīng)分光計(jì)分光后測(cè)量中心在指定波長(zhǎng)附近窄波帶內(nèi)的輻射，然后把該測(cè)量值除以在同樣條件下得到的黑體源的測(cè)量值。 可以較容易地消除大氣中二氧化碳及水蒸氣吸收的影響，且可以直接得到欲測(cè)結(jié)果等有點(diǎn)，在實(shí)際中用的較為廣泛。雙光路測(cè)量法第30頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量記錄的是兩路光束輸出信號(hào)比的形式，得到的是樣品發(fā)射率隨波數(shù)的變化曲線。第31頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量 為了能直接記錄樣品的

19、法向光譜發(fā)射率，雙光路測(cè)試系統(tǒng)必須滿足如下條件：(1) 被測(cè)樣品和比較黑體必須控制在相同溫度，樣品表面的溫度梯度應(yīng)盡可能?。?2)使兩光束有相同的大氣吸收，并使這種吸收降到最低，兩光束的光路長(zhǎng)度必須相同，或使儀器保持在無(wú)吸收條件或真空中工作；(3)除分光棱鏡外，必須使用前表面反射系統(tǒng)，并在兩光路中使用完全對(duì)等的光學(xué)原件，以便兩光束在光學(xué)上有相等的吸收衰變；(4)兩光束的源面積的場(chǎng)孔徑必須相等，以保障兩束中的輻射功率來(lái)自相同的源面積和發(fā)射立體角。第32頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量 bbbmVRLTL T 1ssmnaVRLTL TL T測(cè)量原理： 設(shè)被測(cè)樣品和實(shí)驗(yàn)用黑體的溫

20、度為T，它們的法向光譜輻射亮度分別為 ，環(huán)境溫度為 Ta，單色儀和探測(cè)器的溫度為 Tm，它們的光譜輻射亮度分別為 ， 。若儀器的光譜響應(yīng)度為 ，則當(dāng)儀器只對(duì)黑體或樣品測(cè)量時(shí)的輸出信號(hào)為： ,sbbLTLT aL T RmL T第33頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量來(lái)自樣品的總光譜輻射亮度為： 1snaLTL T 1smnabbmmbbmLTL TL TLTL TL TLTL T ssbVL TV 1bbmmnaLTL TL TL T sbVV bbmmanaLTL TL TL TL T 第34頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量無(wú)樣品時(shí)的儀器輸出信號(hào)： 0amV

21、RLTLT法向光譜發(fā)射率定義為： 00snbVVVV snbbLTLT 如果儀器以比率記錄模式工作，則記錄到的是輸出信號(hào)與黑體信號(hào)的比值，設(shè)在記錄儀上記錄的這些比值分別為： 0/,/,/sbbbbSVVZVVHVV第35頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量 nSZHZ法向光譜的發(fā)射率為：樣品信號(hào)在記錄儀上的高度以黑體代替同溫度樣品時(shí)的輸出信號(hào)高度無(wú)樣品輻射時(shí)輸出信號(hào)的高度，俗稱零線高度第36頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量 樣品光束和比較黑體光束經(jīng)同一光路，有相同的光程和衰減損耗。單光路測(cè)量法： 第37頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量6.4 紅

22、外反射比測(cè)量 當(dāng)介質(zhì)不透明時(shí)，反射比與反射率、吸收比與吸收率是相同的； 當(dāng)介質(zhì)半透明時(shí)，用反射比和吸收比描述介質(zhì)的特性更合適。反射比的定義： 反射比一般取決于入射輻射的波長(zhǎng)及偏振狀態(tài)，還與入射及收集反射輻射的角度狀態(tài)有關(guān)。根據(jù)入射及收集反射輻射的幾何關(guān)系，可以有不同的定義和表示方法。第38頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量(1) 雙向反射比： 向指定方向 反射的輻射與指定方向 入射的輻射之比。,rr ,ii 入射到dA單位表面上的輻射功率為：,cosiiiiiiiidLd 反射到 方向的輻射功率為：,rr ,;,rrriirriiidd ,cosiiiiiLd , ; ,iir

23、r 表面雙向反射比不考慮dA表面自身的發(fā)射，則可以用其反射的輻射亮度表示：,cosrrrrrrrrdLd 第39頁(yè)/共61頁(yè),;,iirr ,cos,cosrrrrriiiiiLdLd 雙向反射比的定義式：,;,iirrf ,cosrrriiiiiLLd 雙向反射分布函數(shù)的定義式：雙向反射比與雙向反射分布函數(shù)的關(guān)系： 此函數(shù)的物理意義是：沿 方向出射的輻射亮度與沿 方向入射在dA表面上的輻射照度之比。,rr ,ii , ; ,iirrf , ; ,iirr cosrrd第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量第40頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量 由dA表面反射到半球空間的輻射

24、功率與從 方向入射到dA上的輻射功率之比。,ii ,;,iirrf ,cosrrriiirrddd 反射到半球空間的輻射功率為：22, ; ,cosriirriiirrfdd 2,;,cosiiiiirrrrdfd (2) 方向-半球反射比：第41頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量方向-半球反射比的定義式：, ;2ii 22,cos,rrrrrriiiiiiiiddLdd 2, ; ,cosiirrrrfd 第42頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量 由dA表面反射到 方向的輻射功率與整個(gè)半球入射到dA上的輻射功率之比。,rr 定義式：2 ;,rr 2,cos,c

25、osrrrrrrrriiiiiiiidLddLd 2,cos,cosrrrrriiiiiLdLd (3)半球-方向反射比：,;,iirrf ,cosrrriiiiiLLd 22, ; ,coscos,cosiirriiiiirriiiiifLddLd 第43頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量當(dāng)入射為漫射時(shí)：2 ;,rr 2cos,;,cosrriirriidfd 22, ; ,coscos,cosiirriiiiirriiiiifLddLd 2 ;,rr 第44頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量(4)雙半球反射比： 反射到半球與從整個(gè)半球方向入射的輻射功率之比，

26、其定義式為：2 ;222,cosrrriiiiidLd 222,;,coscos,cosiirriiiiirriiiiifLddLd 當(dāng)入射為漫射時(shí)：2 ;2 221, ; ,coscosiirriirrfdd 21,;2cosiiiid 第45頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量積分球反射計(jì) 目前常用的室內(nèi)反射比測(cè)量系統(tǒng)主要分為四種：積分球反射計(jì)、熱腔反射計(jì)、半球反射計(jì)、橢圓鏡或拋物鏡反射計(jì)。積分球的工作原理： 積分球是個(gè)內(nèi)壁涂有 MgO、BaSO4、BaCO3 等漫反射涂層的球形腔體，因這些涂層有近似理想漫反射的性能，所以若有一輻射束照射球的內(nèi)壁，則反射輻射將按余弦定律分布。

27、因涂層漫反射性質(zhì)和球形腔的幾何性質(zhì)，使積分球具有特殊的功能：其內(nèi)壁上任一小面元經(jīng)照射成為一個(gè)光源后，在球內(nèi)壁上的輻射照度處處均勻相同。第46頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量積分球的結(jié)構(gòu)大同小異，可歸納為兩種類型：(1) 將待測(cè)樣品置于球壁或球心，把光束引入球內(nèi)，并依次照射樣品和球內(nèi)壁的高漫反射涂層（或已知反射比的標(biāo)準(zhǔn)反射體），從樣品及球內(nèi)壁反射的光束經(jīng)球內(nèi)多次反射后，在球壁產(chǎn)生的輻射照度與樣品及球內(nèi)壁首次被照面的反射比有關(guān)。在球內(nèi)壁另一位置的探測(cè)器將分別產(chǎn)生兩個(gè)輸出信號(hào)，其比值即為樣品反射比的絕對(duì)測(cè)量值。若用標(biāo)準(zhǔn)反射體，則探測(cè)器的兩個(gè)輸出信號(hào)比就是樣品與標(biāo)準(zhǔn)反射體的反射比的比

28、值，給出的是反射比的相對(duì)測(cè)量。(2)將待測(cè)樣品置于球壁或球心，把光束引入球內(nèi)（或在入射孔處放一個(gè)漫透射體），并在入射孔與樣品之間用擋板屏蔽。進(jìn)入球內(nèi)的光束經(jīng)多次反射后，使球壁成為一個(gè)理想的漫反射光源。將探測(cè)器依次對(duì)準(zhǔn)樣品和球壁某部位測(cè)量，其比值就是樣品的反射比。第47頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量 第一類積分球測(cè)量的是方向-半球反射比 ，第二類積分球測(cè)量的是半球-方向反射比 ，只要 ，對(duì)易關(guān)系就成立，所以只需針對(duì)樣品置于球壁或球心這兩種情況討論第一類積分球。2 ; , , ;2 樣品置于球壁：從dA0向球壁上任一小面元dA1反射的輻射功率為：01010cos rdLdAd

29、第48頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量從dA0向整個(gè)球壁反射的輻射功率為：01010cos rdLdAd 00dA0的方向-半球反射比入射孔照射到dA0的輻射功率利用幾何關(guān)系可以得到：00101124dAdL dAR01001214ddALdAR d01在面元dA1上產(chǎn)生的輻射照度：0100101214ddAELdAR第49頁(yè)/共61頁(yè) 不考慮dA1的自發(fā)輻射，則因d01的照射而使dA1上產(chǎn)生的反輻射出射度為：0010124ddAMLR球內(nèi)壁的方向-半球漫反射比 dA0 反射的輻射在球壁上任一小面元 dA2上產(chǎn)生的輻射照度和輻射出射度分別為：0020224dAELR00202

30、24ddAMLR根據(jù)理想漫反射球壁02020MLL第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量第50頁(yè)/共61頁(yè)dA1接收來(lái)自dA2的輻射功率：20212121020222444ddAdA dAdA dAdLLRRR這部分輻射在dA1產(chǎn)生的輻射照度為：2002212122144dL dA dAddEdARR整個(gè)球壁在dA1產(chǎn)生的輻射照度為：0121022244ddAEdEL dARR002244ddRR 第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量第51頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量 如果考慮到輻射在積分球內(nèi)被發(fā)射無(wú)窮多次，則球壁反射比 應(yīng)該用反射率 代替：d211.1nndddddd

31、nd除dA0外的整個(gè)球壁照射到dA1產(chǎn)生的輻射照度為：000122414ddERR 由此產(chǎn)生的反射輻射出射度為：2001214ddMR第52頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量dA1總的反射輻射出射度為：001011241dMMMR01, ;2, ;2ssELA 若球壁上被照面元dA0是樣品表面，通常樣品表面可能既非理想漫反射面又非理想鏡面，因此經(jīng)入射輻射束照射后，反射輻射的空間分布是不均勻的。設(shè)其方向-半球反射比為 ，于是樣品在 方向反射的輻射亮度為：, ;2 入射輻射 在樣品表面 上產(chǎn)生的輻射照度0sA第53頁(yè)/共61頁(yè)因樣品直接反射到面元dA1的反射輻射出射度為：012,

32、;24sdMR 球內(nèi)壁dA1的總反射輻射出射度為：011202, ;2141, ;2 14dsswddddMMMRR 第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量第54頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量 如果將入射光束依次照射樣品和球壁，則置于dA1處的探測(cè)器給出的輸出信號(hào)比將等于Ms與M1之比。因此樣品的反射比為：11, ;2ssddMVMV Vs和V1分別是探測(cè)器對(duì)這樣品和球壁測(cè)量時(shí)的輸出信號(hào)。 如果有一個(gè)已知反射比 為的標(biāo)準(zhǔn)反射體進(jìn)行比較測(cè)量，則樣品的反射比為：st, ;2ssststststMVMV 第55頁(yè)/共61頁(yè)第六章 紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本參數(shù)測(cè)量樣品置于球心：sA012 若樣品置于球心，則不論樣品是不是理想漫反射面，因樣品待測(cè)面背后的后半球不受樣品待測(cè)面的直接反射，故球壁各處輻射出射度相同。此外只要轉(zhuǎn)動(dòng)樣品，則可測(cè)量樣品對(duì)不同入射角度狀態(tài)的反射比。 如果不考慮球壁的自發(fā)輻射，則后半球(2)發(fā)出的總輻射功率M2A2應(yīng)等于后半球反射來(lái)自它自身各