2.1 电磁波谱¶
电磁波谱（Electromagnetic Spectrum）是按波长或频率排列的全部电磁辐射的总集合。从波长最短的 γ 射线到波长最长的无线电波，所有电磁辐射本质相同，均是以光速传播的横波，只是波长不同导致与物质的交互方式和探测手段各异。理解电磁波谱是选择工作波段、设计光电系统的第一步。
一、波长、频率与能量的关系¶
三者之间的基本关系：
$$c = \lambda \nu, \quad E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$$
| 符号 | 含义 | 数值 |
|---|---|---|
| $c$ | 真空光速 | $2.998 \times 10^8$ m/s |
| $\lambda$ | 波长 | nm、μm、mm |
| $\nu$ | 频率 | Hz、THz |
| $h$ | 普朗克常数 | $6.626 \times 10^{-34}$ J·s |
| $E$ | 光子能量 | eV、J |
波长越短，频率越高，光子能量越大。这决定了不同波段与物质的交互方式： - 短波（紫外、X 射线）：光子能量高，可激发原子内层电子，具有电离能力。 - 中波（可见、近红外）：对应分子电子跃迁，是光化学和光合作用的能量来源。 - 长波（中远红外、太赫兹）：对应分子振动/转动跃迁，是热成像和分子指纹识别的物理基础。
二、电磁波谱全图¶
波长递增 ←————————————————————————————————————→ 波长递减
频率递减 ←————————————————————————————————————→ 频率递增
能量递减 ←————————————————————————————————————→ 能量递增
无线电波 | 微波 | 太赫兹 | 远红外 | 中红外 | 近红外 | 可见光 | 紫外 | X射线 | γ射线
>1mm |1mm– |30μm– |5–30 |2.5–5 |0.78– |380– |10– |0.01– |<0.01
|30μm |1mm |μm |μm |2.5μm |780nm |380nm |10nm |nm
三、各波段特性与应用¶
3.1 紫外线（UV，10–380 nm）¶
- 光子能量高，可引发荧光和光化学反应。
- 大气中臭氧层对紫外线有强烈吸收，近紫外（320–380 nm）可到达地面。
- 应用：荧光检测、材料表面检测、消毒杀菌、天文观测。
3.2 可见光（VIS，380–780 nm）¶
- 人眼可感知的波段，对应蓝（~450 nm）、绿（~550 nm）、红（~650 nm）。
- 太阳辐射在此波段能量最强，大气透过率高。
- 应用：机器视觉、监控成像、遥感、医疗内窥镜。
3.3 近红外（NIR，780 nm–2.5 μm）¶
- 水分在约 1.4 μm 和 1.9 μm 处有吸收峰，植被在约 700 nm 附近有强反射跳变（红边）。
- 硅基探测器可覆盖至约 1.1 μm，更长波段需 InGaAs 探测器。
- 应用：农业遥感、水分检测、食品品质检测、近红外光谱分析（NIRS）。
3.4 中波红外（MWIR，3–5 μm）¶
- 对应大气窗口，水蒸气和 CO₂ 吸收较弱。
- 室温物体（~300 K）在此波段有可观的热辐射（Wien 位移定律预测峰值约 10 μm，但 3–5 μm 仍有显著辐射）。
- 高温目标（>500 K）在此波段辐射更强。
- 应用：工业热成像、导弹告警、高温目标探测、气体检测（CO、CH₄ 等）。
3.5 长波红外（LWIR，8–14 μm）¶
- 室温物体（300 K）热辐射峰值在约 10 μm，LWIR 是被动热成像的主力波段。
- 大气透过率高（8–14 μm 窗口）。
- 应用：夜视热成像、体温检测、建筑节能诊断、海面温度遥感。
3.6 太赫兹（THz，30 μm–3 mm，0.1–10 THz）¶
- 介于微波与红外之间，许多非极性材料（塑料、纸张、布料）对太赫兹透明。
- 可穿透遮蔽物，对含水物质强吸收。
- 许多有机分子（炸药、毒品）在太赫兹波段有独特吸收指纹。
- 应用：安检（隐匿物品检测）、无损检测、通信、生物医学成像。
四、大气窗口¶
大气对不同波段的透过率差异显著，主要吸收来自水蒸气（H₂O）和 CO₂：
| 大气窗口 | 波长范围 | 主要用途 |
|---|---|---|
| 可见光/近红外 | 0.4–2.5 μm（除 1.4/1.9 μm 吸收带） | 反射型遥感成像 |
| 中波红外 | 3–5 μm | 热成像、气体检测 |
| 长波红外 | 8–14 μm | 被动热成像 |
| 太赫兹窗口 | 0.1–1 THz（受大气水汽影响） | 短距安检 |
工程原则：光电系统的工作波段必须落在大气窗口内，否则信号在传输路径中会被大气吸收殆尽。
五、公司业务波段对照¶
| 业务方向 | 工作波段 | 所属窗口 |
|---|---|---|
| 可见光成像 | 380–780 nm | 可见光窗口 |
| 近红外/多光谱 | 780 nm–2.5 μm | 近红外窗口 |
| 高光谱成像 | 400–2500 nm 或 3–5 μm | 可见–近红外 / 中波窗口 |
| 中波红外热成像 | 3–5 μm | 中波窗口 |
| 长波红外热成像 | 8–14 μm | 长波窗口 |
| 太赫兹 | 0.1–3 THz | 太赫兹窗口 |
参考资料¶
- Saleh & Teich, Fundamentals of Photonics (3rd Edition), Wiley
- Schott, Remote Sensing: The Image Chain Approach (2nd Edition), Oxford University Press
- MODTRAN 大气传输模型: http://modtran.spectral.com
更新时间¶
2026-03-03