光学原理及应用.docx

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光学原理及应用

光学的基来源理及应用

人类很早就开始了对光的察看研究，渐渐累积了丰富的知识。

远在

2400多年前，我国的墨翟（公元前468—前376）及其弟子们所著的《墨经》

一书，就记录了光的直线流传、影的形成、光的反射、平面镜和球面镜成像等现象，能够说是世界上最早的光学著作。

此刻，光学已成为物理学的一个重要分支，并在实质中有宽泛应用．光学既是物理学中一门古老的基础学科，又是现代科学领域中最活跃的前沿科学之一，拥有强盛的生命力和不行估计的发展远景。

按研究目的的不同，光学知识能够大略地分为两大类．一类利用光芒的观点研究光的流传规律，但不研究光的实质属性，这种光学称为几何光学；另一类主要研究光的天性（包含光的颠簸性和粒子性）以及光和物质的相互作用规律，往常称为物理光学。

一、光学现象原理

光的流传速度很快，地球上的光源发出的光，抵达我们眼睛所用的时间很短，根本没法察觉，所以历史上很长一段时间里，大家都以为光的流传是不需要时间的．直到17世纪，人们才认识到光是以有限的速度流传的。

光速是物理学中一个特别重要的基本常量，科学家们向来努力更精准

地测定光速．目前以为真空中光速的最靠谱的值为

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c＝299792458m/s

在往常的计算中可取

c＝3.00×108m/s

玻璃、水、空气等各样物质中的光速都比真空中的光速小．

（一）直线流传

光能够在空气、水、玻璃透明物质中流传，这些物质叫做介质．在小学自然和初中物理中我们已经学过，光在一种平均介质中是沿直线流传的．自然界的很多现象，如影、日蚀、月食、小孔成像等，都是光沿直线流传产生的．

因为光沿直线流传，所以能够沿光的流传方向作直线，并在直线上标出箭头，表示光的流传方向，这样的直线叫做光芒。

物理学中经常用光芒表示光的流传方向。

有的光源，比如白炽灯泡，它发出的光是向四周八方流传的；可是有的光源，比如激光器，它产生的光束能够射得很远，宽度却没有显然的增添．在每束激光中都能够作出很多条光芒，这些光芒相互平行，所以叫做平行光芒．做简单实验的时候，太阳光芒也能够看做平行光芒．

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（二）反射与折射

阳光能够照亮水中的鱼和水草，同时我们也能经过水面看到骄阳的倒影；这说明光从空气射到水面时，一部分光射进水中，另一部分光被反射，回到空气中．一般说来，光从一种介质射到它和另一种介质的分界面时，一部分光又回到这种介质中的现象叫做光的反射；而斜着射向界面的光进入第二种介质的现象，叫做光的折射。

光的反射定律实验表示，光的反射依据以下规律（图18－8）：

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过入射光芒和界面的交点作界面的垂线ON，这条垂线就是法线．i

是入射角，r是反射角．

（1）反射光芒和入射光芒、界面的法线在同一个平面内，反射光芒和入射光芒分别位于法线的双侧；

（2）反射角等于入射角．

这就是我们在初中学过的光的反射定律．

因为反射角跟入射角老是相等的，所以假如使光芒逆着本来的反射光

线入射到两种介质的界面上，反射后会沿着本来的入射光芒射出．这表示，在反射现象中光路是可逆的．（简介镜面反射及漫反射）

光的折射定律在图18－10中，折射光芒和法线的夹角r叫做折射

角；入射光芒和法线的夹角i叫做入射角．

假如一种介质对光的汲取能力不强，光能够穿过，我们就说这种介质是“透明”的，不然就是不透明的．

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从实验能够看到，光从空气射入水中时折射角小于入射角，那么，一

般状况下，折射角和入射角有什么数目关系？

在很长的一段时间里，很多

科学家作了多方面的试试，直到1621年才由荷兰科学家斯涅耳

（1580—1626）发现，入射角的正弦跟折射角的正弦之比是一个常量．我们

在初中已经学过折射光芒、入射光芒和法线的地点关系（图18－10），结

合斯涅耳的发现，光的折射定律能够这样表示：

（1）折射光芒跟入射光芒和界面的法线在同一个平面内，折射光芒和入射光芒分别位于法线的双侧；

（2）入射角的正弦跟折射角的正弦之比是一个常量，即

（1）

在折射现象中，光路也是可逆的．这就是说，在图18－10中，假如

让光芒逆着折射光芒从玻璃射向界面，折射光芒也会逆着入射光芒射入空

气．

折射率折射定律告诉我们，光从一种介质射入另一种介质时，尽

管折射角的大小跟着入射角的大小在变化，可是两个角的正弦之比是个常

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量，关于水、玻璃等各样介质都是这样．可是，关于不同介质，比值n

的大小其实不同样，比如，光从空气射入水时这个比值为1.33，从空气射

入一般的窗玻璃时，比值约为1.5．所以，常量n是一个能够反应介质的光学性质的物理量，我们把它叫做介质的折射率．

光以什么角度经过两种介质的分界面时，流传方向不会变化？

光在不同介质中的流传速度不同．理论研究证明：

某种介质的折射率，等于光在真空中的速度c跟光在这种介质中的速度v之比，即

（2）

依据光路可逆的道理，光从介质射入真空时，入射角和折射角的大小有什么关系？

因为光在真空中的速度c大于光在任何介质中的速度v，从

（2）式能够看出，任何介质的折射率n都大于1．于是又从

（1）式看出，光从真空射入介质时，总有sini＞sinr，即入射角大于折射角．

光在真空中的速度跟在空气中的速度相差很小，能够以为光从空气射入某种介质时的折射率就是那种介质的折射率．下表列出了几种介质的折射率．

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全反射不同介质的折射率不同，我们把折射率小的介质叫做光疏

介质，折射率大的介质叫做光密介质．光疏介质和光密介质是相对的，例

如水、水晶和金刚石三种物质对比较，水晶对水来说是光密介质，对金刚

石来说是光疏介质．光由光疏介质射入光密介质时（比如由空气射入玻

璃），折射角小于入射角，光芒由光密介质射入光疏介质时（比如由玻璃射入空气），折射角大于入射角，如图18－15．

既然光由光密介质射入光疏介质时折射角大于入射角，由此能够预

料，当入射角增大到必定程度时，折射角就会十分凑近90°，这时折射光几乎沿着平行于界面的方向流传．假如入射角再增大，会出现什么状况呢？

图18－16中的电筒以不同的角度从水下把光射向水面，这个过程生动地表现了我们的推断．

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能够经过实验考证这个推断．如图18－17，让光透过玻璃射到玻璃

砖的平直的边上，能够看到一部分光经过这条边折射到空气中，另一部分

光反射回玻璃砖内．渐渐增大入射角，会看到折射光芒离法线愈来愈远，

并且亮度愈来愈弱，反射光芒却愈来愈强．当入射角增大到某一角度，使

折射角达到90°时折射光芒完整消逝，只剩下反射光芒．这种现象叫做

全反射．

临界角上边的实验中，在入射角增大的过程中，刚才能够发生全

反射时的入射角，叫做全反射的临界角，这时的折射角等于90°．

不同的介质，因为折射率不同，在空气中发生全反射的临界角是不同样的．下边我们计算折射率为n的介质在空气中发生全反射的临界角C．

计算以前先想想，光芒分别从水和玻璃射入空气，哪一种状况的临界角比较大？

光从空气中以入射角i射到折射率为n的介质的界面上时，折射角为r（图18－18甲），这三个物理量的关系能够用下式表示：

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依据光路可逆的道理，假如光芒在介质中逆着折射光芒射向界面，光芒在空气中会逆着本来的入射光芒射出，这时r和i就分别表示入射角和折射角了（图18－18乙）．假定这时入射角恰巧为临界角C，则空气中的折射角为90°（图18－18丙），再考虑到sin90°=1，上式就能够写成

于是解出

能够看出，介质的折射率越大，全反射的临界角越小．

从折射率表中查出物质的折射率，就能够用上式求出光从这种介质射

到空气时发生全反射的临界角．水的临界角为48.7°，各样玻璃的临界角为32°～42°，金刚石的临界角为24.5°．

全反射是自然界中常有的现象．比如，水中或玻璃中的气泡，看起来特别光亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时，一部分光在界面上发生了全反射．

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横截面为等腰直角三角形的玻璃棱柱（图18－19）经常取代平面镜用

在光学仪器中．如图18－20甲，在玻璃内部，光芒射到等腰直角三角形

的底边时，入射角为45°，而玻璃在空气中的临界角为32°～42°，入

射角大于临界角，所有光芒被反射．这种棱镜叫做全反射棱镜．在它的两

个直角边上也能发生全反射，如图18－20乙．望远镜为了获取较大的放

大倍数，镜筒需要做得很长，使用全反射棱镜能够缩短镜筒的长度

（图18

－21）．

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家用平面镜为了保护反光用的金属镀层，把金属物质镀在镜子的反面．这样，前方玻璃和空气的界面所反射的光芒会扰乱金属镀层所成的像，

所以光学仪器中的平面镜总把金属层镀在玻璃或其余平面资料的前方，可是这样就免不了发生锈蚀，降低反射能力．全反射棱镜没有这样的问题，反射效率很高，并且因为没有金属镀层，制作工艺简单．

光导纤维同学们可能早就听闻过“光纤通讯”这个术语了．光纤通讯就用到了全反射的知识．

光纤是光导纤维的简称，它是一种特别细的玻璃丝，直径只有几微米

到一百微米，并且分为内芯和薄薄的外衣两部分（图18－22）．内芯的折

射率比外衣大，所以光在内芯中流传时会在内芯和外衣的界面上发生全反

射．光波实质上也是一种电磁波，它像无线电波那样也能用来传达信息．载

有话音、图像及各样数字信号的激光从光纤的一端输入，就能够沿光纤传

到千里以外的另一端，实现光纤通讯．

光纤通讯的主要长处是能同时传递大批信息，数以万计的电话机能够使用同一条光纤进行通话而不相互扰乱．我国目前已经在省会城市间基本建成全国性的光纤通讯网．北京有线电视台则于1999年在北京全市范围内铺设了有线电视光缆．

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把一束玻璃纤维的两头按同样规律摆列，拥有不同亮暗和色彩的图像就能从一端传到另一端（图18－23）．用玻璃纤维也能够制成内窥镜，用来检查人体胃、肠、气管等内脏的内部．实质的内窥镜装有两组光纤，一组用来把光输送到人体内部，另一组用来进行察看（图18－24）．

（三）色散

太阳、日光灯等发出的光，没有特定的颜色，叫做白光．如图18－28，让白光经过狭缝形成扁扁的一条光束，射到棱镜，遇到偏折后照到屏

上，我们预期能够看到一个跟狭缝宽窄同样的白色亮线．可是实质上却出

现了很多拥有不同颜色的亮线，它们相互连结，形成一条彩色亮带．这条

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亮带叫做光谱（彩图10）．这个现象说了然两个问题：

第一，白光其实是由各样单色光构成的复色光；第二，不同的单色光经过棱镜时的偏折程度不同，这表示棱镜资料对不同色光的折射率不同，也就是说，不同颜色的光在同一种介质中的流传速度不同样．因为实验中红光偏折的程度最

小，紫光偏折的程度最大，所以，在同种介质中，依据红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的次序从红光到紫光，流传速度一个比一个小．

假如用厚度能够不计的薄玻璃制作一个密封的空心“棱镜”，把它放到水里，经过棱镜的光芒向哪个方向偏折？

画出图来试一试看．

不要忘掉，依据139页的

（2）式，折射率越大的物质，此中的光速越

小．

一般说来，复色光分解成单色光的现象，叫做色散．

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二、光学元件

（一）平面镜

（二）棱镜

棱镜时透明资料做成的多面体。

在光学仪器中应用很广。

棱镜按其性质和用于可分为若干种。

比如：

在光谱仪器中把复合光分解为光谱的色散棱镜，较常用的是等边三棱镜；在潜望镜、双目望远镜等仪器中改变光的进行方向，从而调整其成像地点的全反射棱镜，一般采纳直角棱镜。

光芒在射入棱镜和射出棱镜时经过两次折射．从图中能够看出，因为光芒射入棱镜时是从光疏介质进入光密介质，所以光芒向法线凑近，光芒射出棱镜时正好相反，远离法线．这样我们就能够得出一个结论：

光芒从棱镜的一个边射入，从另一个边射出时，射出的光芒倾向棱镜的底边．因为折射率越大的物质对光芒的偏折作用越大，所以当入射角一准时，棱镜资料对光的折射率越大，光芒偏折的程度就越大．

（三）透镜

1.凸面镜

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凸面镜是中央较厚、边沿较薄的透镜，依据光的折射原理制成的，因其有汇聚作用，故又称为聚光透镜。

凸面镜是分为双凸、平凸和凹凸等形式。

凸面镜在镜的双侧各有一个实焦点，如为薄透镜时，此两焦点至透镜中心的距离大概相等。

凸面镜可用于放大镜、老花眼及远视的人戴的眼镜、摄像机、电影放映机、幻灯机、显微镜、望远镜的透镜等。

成像原理：

物体放在焦点以外，在凸面镜另一侧成倒立的实像，实像有减小、等大、放大三种。

物距越小，像距越大，实像越大。

物体放在焦点以内，在凸面镜另一侧成正立放大的虚像。

物距越大，像距越大，虚像越大。

在焦点上时不会成像。

在2倍焦距上时会成等大倒立的实像。

2.凹面镜

凹面镜是中央薄、周边厚的透镜，又称为负球透镜，对光有发散作用。

平行光芒经过凹面镜发生偏折后，光芒发散，称为发散光芒，不行能形成实焦点，沿着散开光芒的反向延伸线，在投射光芒的同一侧交于F点，形成一个虚焦点。

凹面镜分为双凹、平凹及凸凹面镜三种。

其两面曲率中心之连线称为光轴，此中央之点称为光心。

凹面镜在双侧各有一个虚焦点，透镜的曲率半径越大其焦距越长。

凹面镜对实物所成的像老是小于物体的、直立的虚像，凹面镜主要用于改正近视眼。

（四）球面镜

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依据光反射制成的抛物面形的光学器件，一面是抛物面而另一面不透

明的镜体，分为凸镜和凹镜。

1.凹镜

又叫凹面镜（一面是凹面而另一面不透明的镜体）。

它能够汇聚平行光芒于焦点外，近似于凸面镜，能够成像，在天文望远镜中运用许多，目前国际大型望远镜所有是凹面镜反射型望远镜；从焦点处发出光芒可平行射出（比方：

手电筒的凹面反光罩），大型的警报灯反光设施都是凹镜。

成像规律：

当物距小于焦距时成正立、放大的虚像，物体距镜面越远，

影像越大。

当物距大于1倍焦距小于2倍焦距时，成倒立、放大的实像，

当物距等于2倍焦距时，成倒立、等大的实像，当物距大于2倍焦距时，成倒立、减小的实像，物体距镜面越远，像越小。

成的实像与物体在同侧，成的虚像与物体在异侧。

2.凸镜

又叫凸面镜，它能够发射平行光芒为发散光芒，近似于凹面镜。

主要

用作反光镜、转弯镜等。

凸镜成正立减小的虚像。

三、光学系统

（一）眼睛

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光对人类特别重要，我们能够看到外面世界丰富多彩的情景，就是因为眼睛接收到了光．光与人类生活和社会实践有亲密联系，据统计，人类由感觉器官接收到的信息中，有90％以上是经过眼睛得来的。

人的眼睛是一个特别敏捷和完美的视觉器官，它的基本结构如下图（眼睛结构图）。

人眼作为一个完美的视觉系统，由三个部分构成：

一是由角膜、虹膜、晶状体、睫状体和玻璃体构成的光学系统；二是作为敏感和信号办理部分的带有盲点和黄斑的视网膜；三是作为信号传输和显示系统的视神经与大脑。

此中视网膜是构成人眼视觉的重点部分。

按信息传达的次序，视觉过程大概可分为以下几个阶段：

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（1）眼球光学系统把外界的三维信息传达，形成二维图像；

（2）视细胞检测光，并进行光电变换，以及视网膜的图像信息办理；

（3）大脑枕叶视皮层的信号办理与大脑中枢的辨别。

人眼的视觉特征

1.视觉的适应

人眼能在一个相当大的视场亮度范围内适应，这个范围可达十个数目级。

跟着外界视场亮度的变化，人眼视觉响应可分为三类：

（1）明视觉人眼响应。

当人眼对大于或等于3cd.m-2的视场亮度适应以后，视觉就会靠锥状细胞起作用。

（2）暗视觉人眼响应。

当人眼对小于或等于3*10-5cd.m-2视场亮度适应以后，视觉只由杆状细胞起作用。

因为杆状细胞没有分辨颜色的能力，所以夜间人眼察看光景呈灰白色。

（3）中介视觉人眼响应。

跟着视场亮度从明视觉响应阈值将至暗视觉响应阈值，人眼响应渐渐由明视觉转向暗视觉，这种效应是由视场亮度的改变而惹起锥状细胞和杆状细胞对视觉作用发生交替的结果。

人眼的适应经过：

调理瞳孔大小，改变进入人眼的光通量；视细胞感光体制适应。

对视场由暗忽然变亮的适应，称为亮适应，大概需2-3分钟；

对视场有亮忽然至暗的适应，称为暗适应，需要45分钟，充足暗适应则

需要一个多小时。

2.人眼的绝对视觉阈值

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在充足暗适应的状态下，全黑视场中，人眼感觉到的最小光刺激值。

（10-9lx数目级）

3.人眼的光谱敏捷度

在较光亮的环境中，人眼的视觉对波长为0.555微米的左右的绿色光

最敏感。

在黑暗条件下，人眼对波长0.512微米的光最敏感。

人眼的光路

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（二）望远系统

（三）微光夜视系统

微光成像系统与主动红外成像系统对比最主要的长处是不用人工照

明，而是靠夜天自然光照明光景，以被动方式工作，自己隐蔽性好。

但由

于系统工作时只靠夜天光照明而受自然照度和大气透明度影响大，并且景

物之间反差小，图像平庸而层次不够分明，特别是在浓云和地面烟雾状况

下，光景照度和对照度显然降落而影响察看成效。

（四）红外成像系统

红外线的发现。

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自然界中实质光景的温度均高于绝对零度。

依据普朗克定律，凡是绝对温度大于零度的物体都会产生热辐射。

红外装置的红外光学系统接受光景的红外辐射，并将其汇聚到探测器上，探测器将入射的红外辐射变换成电信号。

信号办理系统将探测器送来的电信号办理后便得出与光景温度、

方向、相对运动角速度等参量相关的信号。

（图xx）红外装置获得光景方向信息的方式有两种：

一种是调制工作方式，则环节M为调制器。

调制器用来对光景红外辐射进行调制，以便确立被测光景的空间方向；调制器还配合着获得基准信号，以便送到信号办理系统作为确立光景空间方向的基准。

若红外装置为扫描方式工作，则环节M为扫描器，用它来对光景空间进行扫描，以便扩大察看范围及对光景空间进行切割，从而确立光景的空间坐标或摄入光景图像。

扫描器也向信号办理系统供给基准信号及扫描空间地点同步信号以作信号办理的基准及协调显示。

当红外装置需要对空间光景进行搜寻、追踪时，则需设置伺服机构。

追踪时，按信号办理系统输出的偏差信号对光景进行追踪；搜寻时，需将搜寻信号发生器产生的信号送入信号办理系统，经办理后用它来驱动伺服系统使其在空间进行搜

索。

对机械扫描而言，扫描器M和伺服机构这两个环节老是归并设置为一个环节。

采纳调制工作方式的红外装置能够对点目标推行探测、追踪、搜寻；采纳扫描方式工作的红外装置，除了能对光景推行探测、追踪、搜寻

外，还可以显示光景图像。

经信号办理后的信息，能够直接显示记录、读出，

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也能够由传输系统发送至接收站再加工办理。

红外系统是包含光景红外辐射、大气传输以及红外仪器的整体。

当物体遇到外来的红外辐射照耀时，会产生反射、汲取及透射现象，鉴于这些现象所做成的红外仪器，称为主动的红外仪器（主动红外成像系统，工作原理：

红外探照灯发出的红外辐射照耀前方目标，由光学系统的物镜接收被目标反射回来的红外辐射，并在红外变像管的岁月极面上形成目标辐射的红外图像。

变像管对目标的红外图像进行光谱变换和亮度增

强，最后在荧光屏上显示出目标的可见光图像。

人眼经过目镜察看加强了目标图像。

如图示，工作波段在0.76-1.2微米的近红外光谱区），多用于观察、剖析、丈量方面。

利用光景温度及辐射系数的自然差别能够做成各样被动的红外系统（又称热成像系统，工作原理：

光学系统将光景发射的红外辐射汇聚到探测器光敏面上，光机扫描器构成的光景图像挨次扫过探测器，探测器挨次把光景各部分成外辐射变换成电信号，经过视频办理的信号，在同步扫描的显示器上显示出热图像），被动的红外系统应用面较宽，在探测、成像、追踪及搜寻等方面均有宽泛应用。

红外系统的性能指标

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视场：

表示红外系统探测光景的空间范围，视场较大则相应的空间噪声增大，办理全视场信号所需时间较长或所需办理速度较快，因此会对探测能力及探测精度有所影响。

探测能力：

包含红外系统的作用距离、温度分辨率及检测性能等参数，标示着对光景探测的敏捷度。

探测精度：

对空间光景的空间分辨率及目标的定位精度。

探测敏捷度和探测精度是红外系统的两项基本特征，由系统的结构参数决定，同时也受外面及内部噪声和扰乱限制。

红外系统的应用

（一）探测丈量用于辐射通量测定、光景温度丈量、目标方向的测定以及光谱剖析等。

比方：

辐射计、测温仪、方向仪以及光谱仪等。

在目标探测、遥感、非接触温度测定、化学剖析等方面应用宽泛。

（二）察看成像用于察看光景图像及剖析光景特征。

比方：

热像仪、热图检测仪、卫星红外遥感装置等。

在目标观察、气象观察、农作物检测、电子线路检测、军事侦探等方面宽泛应用。

（三）追踪定位用于对运动目标进行追踪、丈量及监控。

比方：

导弹红外导引头、机载红外前视装置、红外追踪仪等。

应用在导弹制导、火力控制、入侵防守、交通监控、天文丈量等方面。

（四）目标搜寻用于在大视场范围找寻红外目标。

比方：

丛林探火仪、红外报警器等，在丛林防火、入侵探测等方面应用宽泛。

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当期对红外系统的需求

因为红外系统能够在夜间工作，拥有必定的气象适应性、工作隐蔽

性好、结构较简易、成本较低，因此在军事应用方面拥有独专门位。

随

着科技的发展，对红外系统的性能提出更高的要求：

一是高探测敏捷度。

目前红外系统的探测距离在渐渐增大，（从几

公里到10-20公里，再到百公