《机器视觉实用教程》-第二章 基础光学-2.3 电磁波谱与光

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《机器视觉实用教程》-第二章 基础光学-2.3 电磁波谱与光

2.3 电磁波谱与光

电磁波谱：在空间传播着的交变电磁场，即电磁波。它在真空中的传播速度约为每秒30万公里。电磁波包括的范围很广。实验证明，无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波。它们的区别仅在于频率或波长有很大差别。光波的频率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比无线电波的波长短很多；而X射线和γ射线的频率则更高，波长则更短。为了对各种电磁波有个全面的了解，人们按照波长或频率、波数、能量的顺序把这些电磁波排列起来，这就是电磁波谱。

图1 电磁波谱的划分

图1 电磁波谱的划分

COSMIC RAYS：宇宙射线

GAMMA RAYS:伽玛射线         

X-RAYS：X射线

UV RAYS：紫外线

VISIBLE SPECTRUM：可见光普

IR RAYS：红外线

MICRO WAVE：微波

TV：无线电视信号

AM RADIO WAVES：调幅无线电波

图2 电磁波谱

图2 电磁波谱

光：通常指可见光，能被人眼看到的电磁辐射，波长从400纳米~700纳米之间。

图3 可见光谱

图3 可见光谱

    可见光谱中，每一种波长对应于一种颜色，其中比较常见的颜色有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等。在机器视觉光源中，较为常见的有红、绿、蓝等颜色的光源。

依照波长的长短以及波源的不同，电磁波谱可大致分为：

无线电波

波长从3000米到10^-3米，一般的电视和无线电广播、手机等的波段就是用这种波。这些电磁波有很强的绕射能力，因此即使在楼宇、地铁等密闭的场所，也可以接受到手机、电视信号。

微波

波长从1米到0.1厘米，这些波多用在雷达或其它通讯系统。

红外线

波长从10^-3米到7.8×10^-7米；红外线的热效应特别显著。

可见光

这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。可见光的波长范围很窄，大约在7600 ～4000埃（在光谱学中常采用埃作长度单位来表示波长，1=10^-10米）。从可见光向两边扩展，波长比它长的称为红外线，波长大约从7600直到十分之几毫米。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分，波长从（7.8～3.8）×10^-7米。

紫外线

波长比可见光短的称为紫外线，它的波长从(380～10)×10^-9米，它有显著的化学效应和荧光效应。这种波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外光的化学效应最强；

红外线和紫外线都是人类看不见的，只能利用特殊的仪器来探测。无论是可见光、红外线或紫外线，它们都是由原子或分子等微观客体激发的。近年来，一方面由于超短波无线电技术的发展，无线电波的范围不断朝波长更短的方向发展；另一方面由于红外技术的发展，红外线的范围不断朝波长更长的方向扩展。日前超短波和红外线的分界已不存在，其范围有一定的重叠。

伦琴射线（X射线）

这部分电磁波谱，波长从（10～0.01）×10^-9米。伦琴射线（X射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的；X射线，它是由原子中的内层电子发射的。随着X射线技术的发展，它的波长范围也不断朝着两个方向扩展。目前在长波段已与紫外线有所重叠，短波段已进入γ射线领域。放射性辐射γ射线的波长是认1左右直到无穷短的波长。

γ射线（伽马射线）

是波长从10^-10～10^-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。

由于辐射强度随频率的减小而急剧下降，因此波长为几百千米的低频电磁波强度很弱，通常不为人们注意。实际中用的无线电波是从波长约几千米（频率为几百千赫）开始。波长3000米～50米（频率100千赫～6兆赫）的属于中波段；波长50米～10米（频率6兆赫～30兆赫）的为短波；波长10米～1厘米（频率30兆赫～3万兆赫）甚至达到1毫米（频率为3×10^5兆赫）以下的为超短波（或微波）。有时按照波长的数量级大小也常出现米波，分米波，厘米波，毫米波等名称。中波和短波用于无线电广播和通信，微波用于电视和无线电定位技术（雷达）。

电磁波谱中上述各波段主要是按照得到和探测它们的方式不同来划分的。随着科学技术的发展，各波段都已冲破界限与其他相邻波段重叠起来。目前在电磁波谱中除了波长极短（10^-4埃～10^-5埃以下）的一端外，不再留有任何未知的空白了。