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太阳先生的小知识:“太阳光的近红外线在某些波长处会有衰减”

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近红外线已经开始被用于汽车自动驾驶等感应领域。例如,人体感应灯或自动门的传感器等,在汽车领域之外,近红外线传感器早已被广泛应用于我们的日常生活中。

在户外使用的近红外线传感器可能会受到太阳光的影响,因此近几年来,有越来越多的人咨询关于太阳光红外线影响的问题。

在这其中,使用在940纳米附近具有灵敏度的传感器的系统非常常见,因为在这个波长附近,太阳光的影响较小,因此这种传感器经常被用于自动驾驶的车载传感器中。

至于红外线传感器的具体情况,我会交给更专业的人士来解释,作为光学专家,我想谈谈太阳光近红外线的光谱特性。

首先,为什么许多传感器在940纳米附近具有灵敏度?因为在这个波长范围内,太阳光的衰减非常大。
(见下图)

注:图中横轴(波长)的单位为“μm”。1.0μm等于1000nm。

为什么940nm附近的衰减会如此明显,我进行了调查。

太阳光在到达地表之前会在地球大气层中被吸收和散射。在散射中,波长特性不会改变,但在吸收中,波长会发生变化。主要的吸收因素包括:

(1)水蒸气分子吸收
(2)云层吸收
(3)气溶胶吸收

其中,对波长特性影响最大的是水蒸气。

从图中可以看出,水蒸气(H2O)会在波长为820nm附近、860nm附近、940nm附近等几个波长范围内引起衰减。

氧气(O2)在730nm附近发生衰减,臭氧(O3)在紫外-可见光范围内发生衰减。对近红外区波长特性的影响主要来自水蒸气。

云层和气溶胶引起的吸收会影响整个波长范围,而不像水蒸气那样只影响特定的波长范围。

特别是940nm附近的近红外区的下降非常明显,因此选择作为红外线传感器的灵敏度波长的原因变得更加清楚了。

红外线对人眼是不可见的,但它在各个领域的应用非常广泛。

参考文献:
・早坂忠裕,《大气如何吸收太阳辐射?》,1995年11月气象学会。
https://www.metsoc.jp/tenki/pdf/1995/1995_11_0789.pdf
・近藤纯正,《日照与大气辐射》,1990年水文水资源学会刊物。