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基本术语光电成像技术(P2)采用各类光电成像器件完成成像过程的技术可以统称为光电成像技术像管(P8)直视型光电成像器件基本结构包括有光电发射体、电子光学系统、微通道板(电子倍增器件)、荧光屏以及保持高真空工作环境的管壳等这种成像器件通常简称为像管变像管(P8)接受非可见辐射图像的直视型光电成像器件统称为变像管像增强器(P8)接受微弱可见光图像的直视型光电成像器件统称为像增强器摄像器(P8)电视型光电成像器件用于电视摄像和热成像系统中,只完成摄像功能,不直接输出图像的器件,也称为非直视型光电成像器件或者摄像器件明适应、暗适应、:P31-32凝视、凝视中心:P48的倒数第二段人眼的绝对视觉阈P
32.2人眼的阈值对比度P
33.3人眼的光谱灵敏度光谱光视效率P
34.4人眼的分辨力P
34.5图像的信噪比P42的2-27瞥见时间P48的倒数第二段瞥见孔径P49的顺数第二行辐射度量、辐射功率、辐度强度、辐亮度、辐照度、辐射出射度:P54光度量、光能、光能密度、光通量都在P58表3-3光出射度符号M、Mv,意义光源单位__向半球空间发射的光通量;定义式单位;照度符号,意义照射到表面一点处单位__的光通量;定义式,单位lx;发光照度符号,意义在给定方向上,单位立体角内的光通量;定义式,单位cd;光亮度,意义表面一点处的面元,在给定方向上发光强度除以该面元在垂直于给定方向上的投影__;定义式,单位;坎德拉光源在给定方向上的发光强度,该光源发出频率为540*10∧12Hz的单色辐射,且在此方向上的辐射强度为1/163W/sr.cdP581流明lmP58:光通量的单位,点光源在某一方向的发光强度为1cd时,在该方向单位立体角内传出的光通量P581勒克司lx1lm的光通量均匀分布在1平方米的__所产生的照度称为1lx(P58视见函数:P59朗伯辐射体:P60气溶胶粒子:P91云、雾、霾、霭云由水滴和冰晶两种粒子组成,液态云滴的半径约为一到一百微米,冰晶尺寸稍大雾由靠近地面漂浮在空中的机细小水滴或冰晶组成,是一种近地层的云通常把水平能见度小于一千米的近地层水汽凝结物称为雾,能见度在一到十千米的雾称为轻雾和霭由于人类活动排放的烟尘,或者海上产生的人力漂浮于大气中的固态气溶胶系统称为霾(P91~92)大气消光P94大气散射P99大气吸收P96大气能见度(能见距度)(P101)大气透明度(P101)电子透镜(P123倒数第三段)光电子图像由光电发射的斯托列托夫定律可知,饱和光电发射的光电子流密度与入射辐射通量密度成正比因此,由入射辐射分布构成的图像的可以通过光阴极变换成由变换成由正比光电子流分布构成的图像(P123)亮度增益像管在标准光源照射下,荧光屏上的光出射度M与入射到阴极面上的照度Ev成正比即GL=M/Ev(倍)在(P132页)等效背景照度使荧光屏上亮度等于暗背景亮度值时的光阴极面上的输入值(P134)畸变、像管分辨力、正电子亲和势、负电子亲和势光电发射的极限、电流密度、mcp的饱和电流密度荧光P185磷光P185表面态P146微光夜视仪P212照明系统的光强分布:P224成像系统的极限分辨力:P229~231选通技术:243(底)~244靶:P
2527.1节第二点惰性(上升惰性、衰减惰性)P258底部摄像管的分辨力P263(
7.
2.3节)动态范围靶网居里温度: 居里点也称居里温度或磁性转变点,是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度,即铁磁体从铁磁相转变成顺磁相的相变温度热释电靶的单畴化: 热释电摄像管在工作时,靶必须处于自发电极化的状态,即电极化的极轴方向应垂直于靶面通常在制靶时及靶产生退极化时,都要进行单畴化,使之形成最大的自发电极化强度ccd的开启电压;CCD开始产生沟道所需要的栅压就是开启电压ccd的转移效率界面态:界面态即界面陷阱电荷,主要是指Si-SiO2界面处处于禁带中的局部能级,它可在短时间与衬底半导体交换电荷,是表面复合和散射的主要成因,它主要是对表面沟道的CCD的转移效率产生重大影响“胖0”工作模式:用一定数量的基底电荷先将界面态填满,当__电荷注入时,__电荷被俘获的几率变小,而从界面态释放出来的电荷又可以跟上原来的电荷包__电荷包损失到界面态中去的电荷,可能与它从界面态得到的电荷相等,从而在一定程度上减少了界面态带来的影响光注入、电注入
二、几个重要效应光电转换效应:是书上138页的光电子发射的三步热释电:P281三环效应:P195mcp的电阻效应/充电效应:P2031/2
三、几个重要定理朗伯辐射体对于某些自身发射辐射的辐射源,其辐亮度与方向无关,即辐射源各方向的辐亮度不变,这类辐射源称为朗伯辐射体气溶胶粒子大气中悬浮着大量固体和液体粒子,通常将半径小于几十微米的固体微粒叫做气溶胶粒子黑体辐射定律(共有四个定律)
[1]普朗克辐射定律普朗克定律描述了黑体辐射的光谱分布规律,是黑体辐射理论的基础
[2]斯蒂芬一玻尔兹曼定律表明黑体在单位__上单位时间内辐射的总能量与黑体温度
[3]T定律单色辐射出射度最大值对应的波长ml
[4]斯蒂芬-玻尔兹曼定律:表明黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关,而与黑体的其他性质无关波盖尔定律辐射通过介质的消光作用与入射辐射能量、衰减介质密度和所经过的路径成正比斯托列托夫定律、爱因斯坦定律:P122
四、重要结构及其工作原理、特点真视型光电成像器件的基本结构、工作原理用于直接观察的仪器,器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分电视型光电成像器件完成将二维空间的可见光图像或辐射图像转换成一维时间的视频电__获得 的电__经过放大处理和传输等环节后,由显像装置还原输出二维空间的图像 非直视型(电视型)光电成像器件的 只能完成摄像功能,不直接输出图像,又称非直视型光电成像器件人眼的结构及其图像形成过程外层由角膜和巩膜组成角膜是光线的入口巩膜保护整个眼球中间层虹膜和脉络膜组成虹膜中的瞳孔用来控制进入眼睛的光通量大小人种不同,其颜色也各异瞳孔后面的水晶体如同一个变焦距透镜,面的水晶体如同变焦透镜使景像始终聚焦于黄斑区内层是视网膜,其表面有大量的感光细胞这些感光细胞按照形状分为可以两类锥状细胞和杆状细胞大气的基本构成、结构特点像管的结构及其成像的物理过程1)像管的成像过程包括3个过程A、将接收的微弱的可见光图像或不可见的辐射图像转换成电子图像B、使电子图像聚焦成像并获得能量增强或数量倍增C、将获得增强后的电子图像转换成可见的光学图像
(2)A过程外广电效应、斯托列夫定律和爱因斯坦定律B过程利用的是电子在静电场或电磁复合场中运动规律来获得能量增强;或者利用微通道板中二次电子发射来增加电子流密度来进行图像增强C过程利用的是荧光屏上的发光材料可以将光电子动能转换成光能来显示光学图像 光阴极实现辐射图像光电转换的物理过程(光电发射过程)电子光学系统的基本结构及其成像过程荧光屏的结构及其发光机理一种电子(阴极)射线管,是电视接收机监视器重现图像的关键器件它的主要作用是将发送端(电视台)摄像机摄取转换的电__(图像__)在接收端以亮度变化的形式重现在荧光屏上为了高质量地重现图像,要求显像管屏幕尺寸要大,图像清晰度要高,荧光屏有足够的发光亮度此外对不同用途的显像管有各种具体要求光学纤维面极的结构及其传输原理光学纤维面板是基于光线的全反射原理进行传像的由于光导纤维的芯料折射率高于皮料的折射率因此入射角小于全反射临界角的全部光线都只能在内芯中反射所以每一根光导纤维能__地传递光线,且相互之间不串光由大量光导纤维所组成的面板则可以传递一幅光学图像
[2]优点光学纤维面板又使像增强器获得以下优点:
①增加了传递图像的传光效率;
②提供了采用准球对称电子光学系统的可能性,从而改善了像质;
③可制成锥形光学纤维面板或光学纤维扭像器微通道板(mcp的结构及其电子图像倍增原理)P196-198MCP的结构:MCP的结构是由大量平行堆集的单通道电子倍增器组成的薄板它实际上是一块通道内壁具有良好二次发射性能和一定导电性能的微细空心通道玻璃纤维面板这些微通道的孔径为612µm孔径距尽可能小,以求尽量减少非通孔的端面,端面上的开口__比为55%—85%通道的长度与孔径之比典型值为40在MCP的两个端面镀有镍层,形成输入电极和输出电极在MCP的外缘带有加固环通常微通道不垂直于端面,具有7°—15°的斜角电子图像倍增原理MCP是利用二次电子倍增性质来完成电子图像增强的微通道的入口端对着像管的光阴极,并位于电子光学系统的像面上,出口端对着荧光屏微通道的两个端面电极上施__作电压形成电场高速光电子进入通道与内壁碰撞,由于通道内壁具有良好的二次电子倍增性质,入射电子得到倍增重复这一过程直至倍增电子从通道出口端射出为止如果取每次碰撞的二次倍增系数δ=2(通常δ=3),累计的碰撞次数为10时,则通道的总电子倍增值大于G=由此可看出通道的电流增强作用是十分惊人的MCP的各通道彼此隔离,因此,它可以将二维空间分布的电子流进行对应的增强,从而实现电子图像增强的目的主动红外成像系统结构及其成像过程:P211-212主动红外成像系统主要部件包括红外照明光源,物镜,红外变像管(或具有红外延伸的像增强器)及目镜等工作波段在
0.76—
1.2µm的近红外光谱区,其长波限由变像管光阴极决定红外照明光源发出的红外辐射照射景物场景,光学物镜将被场景反射回来的红外辐射成像在红外变像管的光阴极面上,形成场景的反射图像;变像管对场景图像进行光谱转换和亮度增强最后在荧光屏上显示场景的可见光图像,人眼通过目镜观察增强的场景图像1105064340夜视成像系统结:P213 6-2-1摄像管的结构及其工作原理:P2527-1-11105064341光电导摄像管的P273热释电摄像管的P2841105064342电子枪的结构P
2907.
5.2电子枪工作原理P
2927.
5.31105064343mos电容器的结构P298mos电容器的电荷存储原理P305ccd的结构及其电荷传输原理P308下、P309下埋沟ccd(bccd)的结构及其工作原理P315-317线阵ccd的结构及其成像原理P338-340
五、关键器件系统的性能参数表征光电成像器件的性能参数、表征像管的性能参数大气辐射传输过程:大气辐射传输是指电磁波在大气界质中的传播输送过程这一过程中,由于辐射能与介质的相互作用而发生吸收和散射,同时大气也放射辐射大气中吸收太阳辐射的主要成分是氧气、臭氧、水汽、二氧化碳、甲烷等,对长波辐射的主要吸收成分是水汽、二氧化碳和臭氧影响光电成像系统的因素:景物细节的辐射亮度(或单位__的辐射强度);景物细节对光电成像系统接受孔径的张角;景物细节与背景之间的辐射对比度mcp相关概念、微光成像系统的性能影响因素摄像管主要性能参数、热释电靶(相关)表征ccd的物理性能参数
1、CCD的开启电压Vth(P320)
2、CCD的电荷负载能力(包括三个方面)(P321)
(1)、三相CCD及多相CCD的存储能力(P321)
(2)、二相CCD的电荷存储能力(P321)
(3)、BCCD的存储能力(P332)
3、CCD的工作频率(两方面)(P322)
(1)、影响CCD工作的频率的下限因素(P323)
(2)、影响CCD工作的频率的上限因素(P323)
4、转移效率式8-
73、8-74(P323)
5、CCD噪声(P332)
6、CCD的暗电流(P335)
7、CCD的功耗(P337)
六、其他辐射源的辐射能量所集中的波段mcp的自饱和特性像管对直流高压电源的要求受激辐射可见光的条件:P185受激辐射可见光的条件是电子跃迁的能级差必须与可见光光子的能量相同课后题,,,
1.什么是变像管?什么是像增强器?试比较二者的异同答
[1] 变像管接收非可见辐射图像,如红外变像管等,特点是入射图像和出射图像的光谱不同
[2] 像增强器接收微弱可见光辐射图像,如带有微通道板的像增强器等,特点是入射图像极其微弱,经过器件内部电子图像能量增强 后通过荧光屏输出人眼能够正常观看的光学图像
[3] 异同、相同点二者均属于直视型光电成像器件不同点主要是二者工作波段不同,变像管主要完成图像的电磁波谱转换,像增强器主要完成图像的亮度增强
2.光学成像系统与光电成像系统的成像过程各有什么特点?在光电成像系统性能评价方面通常应该从哪几方面考虑? 答a、两者都有光学元件并且其目的都是成像而区别是光电成像系统中多了光电装换器b、灱敏度的限制,夜间无照明时人的规觉能力很差;分辨力的限制,没有趍够的规角和对比度就难以辨认;时间上的限制,发化过去的影像无法存留在规觉上;穸间上的限制,隔开的穸间人眼将无法观察;光谱上的限制,人眼只对电磁波谱中很窄的可见光区感兴趌
3.反映光电成像系统光电转换能力的参数有哪些?答转换系数(增益),光电灵敏度(响应度),峰值波长,截止波长
4.光电成像过程通常包括哪几种噪声?答主要包括散粒噪声,产生—复合噪声,温度噪声,热噪声,低频噪声,介质损耗噪声,点和耦合器件(CCD)的转移噪声
5.影响光电成像系统分辨景物细节的主要因素有哪些?答景物细节的辐射亮度,景物细节对光电成像系统接受孔径的张角,景物细节与背景之间的辐射对比度
6、通常光辐射的波长范围可分为哪几个波段?
7、试述辐射度量与光度量的__和区别答光辐射度量在历史上形成了辐射度学和光度学两套度量系统辐射度学是建立在物理测量的基础上的辐射能量客观度量不受人眼主观视觉的限制,其概念和方法适用于整个光辐射范围(红外、紫外辐射等必须采用辐射度学)光度学是建立在人眼对光辐射的主观感觉基础上,是一种心理物理法的测量,故只适用于电磁波谱中很窄的可见光区域
8、根据物体的辐射发射率可将物体分为哪几种类型?答通常依发射率与波长的关系将地物分为三种类型
[1]黑体或绝对黑体其发射率ε=1即黑体发射率对所有波长都是一个常数并且等于
1.
[2]灰体其发射率ε=常数<1(因吸收率α<1)即灰体的发射率始终小于1ε不随波长变化
[3]选择性辐射体其发射率随波长而变化而且ε<1(因吸收率α也随波长而变化并且α<1)
10、简述下述名词
[1]气溶胶粒子:大气中悬浮着的半径小于几十微米的固体和及液体粒子
[2]绝对湿度:单位体积空气中所含水蒸汽的质量叫做空气的“绝对湿度”
[3]相对湿度:空气中实际所含水蒸汽密度和同温度下饱和水蒸汽密度的百分比值叫做空气的“相对湿度”
[4]波盖尔定律:辐射通过介质的消光作用与入射辐射能量、衰减介质密度和所经过的路径成正比
[5]大气窗口:大气窗口是指太阳辐射通过大气层未被反射、吸收和散射的那些透射率高的光辐射波段范围
[6]大气传递函数:反映大气消光使目标与背景的对比度下降的程度右式中K为地平天空亮度与背景亮度之比所以Tc是K和透过率τ的函数与目标亮度无关
11、辐射在大气中传输主要有哪些光学现象?试简述其产生的物理原因?答主要有吸收和散射产生原因大气中吸收太阳辐射的主要成分是氧气、臭氧、水汽、二氧化碳、甲烷等,对长波辐射的主要吸收成分是水汽、二氧化碳和臭氧不同气体对不同波段辐射的吸收作用也不同这种性质称为大气对辐射能的选择吸收散射作用的强弱取决于入射电磁波的波长及散射质点的性质和大小当散射粒子的尺度远小于波长时,称为分子散射或瑞利散射,散射系数与波长的四次方成反比,主要是空气分子的散射当粒子尺度可与波长相比拟时称为米氏散射散射系数是波长和粒子半径的一个复杂函数
12、像管的成像包括哪些物理过程?其相应的理论对应的核心器件是什么?答1)将接受的微弱或不可见的输入辐射图像转换成电子图像、2)使电子图像获得能量或数量增强并聚焦成像、3)将增强的电子图像转换为可见的光学图像核心器件为1)光阴极、2)电子光学系统、3)荧光屏
13、负电子亲和势光阴极的特点是什么?其较正电子亲和势光阴极有哪些特点?答它的光电灵敏度目前可高达3000μA/1m以上,因此三代像增强器具有高增益、低噪声的优点而且负电子亲和势是热化电子发射,光电子的初动能较低,能量又比较集中所以,三代像增强器又具有较高的图像分辨力
14、什么是摄像管它是怎样完成摄像过程的答:
[1]电视摄像管是将2维空间分布的光学图像转换为1维时间变化的视频电__的过程完成这一过程的器件称为电视摄像管
[2]摄像过程主要分3个步骤:�接收输入图像的辐照度进行光电转换,将2维光强转化为2维空间分布的电荷量�电荷存储元件在一帧周期内连续积累光敏元件产生的电荷,并保持电荷的空间分布,这一存储电荷的元件称之为靶�电子枪产生2维扫描的电子束,在一帧周期内完成全靶面的扫描,在输出电路上产生与被扫描点光照度强度成比例的电__,即视频__
15、摄像管的工作原理是什么简述视频__的形成过程.答其主要由光电变换与存储部分和__阅读部分两大部分组成分为四步1光电变换部分将光学图像变成电荷图像的任务由光电变换部分完成,该部分由光敏元件构成,常用的材料有光电发射体和光电导体2电荷存储与积累部分由于光电变换所得的瞬时__很弱,所以现在摄像管均采用电荷积累元件它在整个帧周期内连续地对图像上的任一像元积累电荷__因为要积累和存储__,所以在帧周期内要求__不能泄漏因此,要求电位起伏存储元件应具有足够的绝缘能力常见的存储方式二次电子发射积累,二次电子导电积累,电子轰击感应电导积累,光电导积累;
(3)__阅读部分从靶面上取出__的任务由阅读部分来完成阅读部分通常是扫描电子枪系统,它由细电子束的发射源、电子束g聚焦系统和电子束偏转系统三部分组成;
(4)视频__的形成
16、摄像管产生惰性的主要原因是什么怎样减小这些惰性摄像管的分辨力是怎样定义的采用什么单位答:
[1]摄像管的惰性在摄取动态图像时,摄像管的输出__滞后于输入照度的变化,这一现象称为惰性入照度增加时,输出__的滞后称为上升惰性;当输入照度减小时,输出__的滞后称为衰减惰性对于电视摄像管的惰性指标,通常采用输入照度截止后第三场和第十二场以帧周期
0.04s计,为60ms和240ms剩余__所占的百分数来表示摄像管产生惰性的主要原因有两个:一是图像写入时的光电导惰性;二是图像读出时扫描电子束的等效电阻与靶的等效电容所构成的充放电惰性
[2]减小摄像管的电容性惰性采取的措施有:
①减小靶的等效电容
②降低电子束的等效电阻
③在低照度摄像时增加背景光
[3]摄像管的分辨力电视摄像管摄像时的对图像细节的分辨能力是一项重要的性能指标由于电视系统采用扫描方式,故分辨力在垂直和水平方向上一般是不同的因而,通常分成垂直分辨力和水平分辨力,即以画面垂直方向或水平方向尺寸内所能分辨的黑白条纹数来表示这一极限分辨的线条数简称为电视线TVL1垂直分辨力在整个画面上,沿垂直方向所能分辨的像元数或黑白相间的水平等宽矩形条纹数,称为垂直分辨力例如若能够分辨600行,即称垂直分辨力为600TVL2水平分辨力整个画面上,沿水平方向所能分辨的像元数,称为水平分辨力,习惯上用电视线TVL表示
[4]采用单位lp/mm
17、简述光电导摄像管的工作原理,指出光电导靶的特点答:
[1]工作原理光电导摄像管是利用内光电效应将输入的光学辐射图像变换为电__的视像管在视像管中,光电导靶面既作为光电变换器,又作为电__存储与积累器因此,这种摄像管结构简单组成视像管的主要部件是光电导靶、扫描电子枪、输出__电极和保持真空的管壳光电导靶被设置在摄像管中透明输入窗的内表面上在面对输入窗的靶面上蒸镀二氧化锡Sn0透明导电膜,由这一导电膜作为输出__电极视像管靶在输入光学图像的作用下产生与像元照度相对应的电荷电位图像,通过扫描电子枪电子束对图像顺序扫描产生视频__输出
[2]特点1)硫化锑管工艺简单,__低,成品率高;2)氧化铅管暗电流很小,惰性低,灵敏度高,分辨力高,是理想的广播电视级摄像管;3)硅靶管寿命长,光谱灵敏度高且范围宽,分辨力低,暗电流大;4)硒化镉管:极高的光电灵敏度,较低的暗电流,宽光谱响应,分辨力较高,惰性大被认为有前途;5)硒砷碲管:光谱响应宽,暗电流低,分辨力高,__低于氧化铅被认为有竞争力;6)硫化锌镉管:光电灵敏度非常高,适于在低照度下工作
18、什么叫热释电效应?试叙述之答:热释电效应是少数介电晶体所特有的一种性质,这种效应可表述为:晶体在没有外加电场和应力的情况下,它具有自发的或永久的极化强度,且这种电极化强度随晶体本身温度的变化而变化当温度降低时电极化强度升高,当温度升高时电极化强度降低使电极化强度降低到零时的温度称为居里温度具有热释电效应的晶体在固体物理学中称之为铁电体
20、什么叫CCD的转移效率,怎样计算?提高转移效率有哪几种方法?答:
[1]CCD转移效率一次转移后,到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比造成电荷转移损失的主要因素有三个:即转移速度快慢、界面态俘获和极间势垒
[2]计算方法h-------------------------------------------------------
[3]提高转移效率方法1)电荷转移速度在时钟脉冲较低时,损失效率为常数,频率高时,损失率增大2)界面态俘获解决方法-“胖零”工作模式,通过用一定数量的__电荷先将界面态填满,当__电荷注入时,__电荷被俘获的几率变小,而界面态释放出来的电荷又可以跟上原来的电荷包从而在一定程度上减小了界面态带来的损失-“0”__时,也有__电荷注入3)极间势垒解决方法尽量减小极间距,采用高阻衬底
21、以三相CCD为例,说明决定其工作频率的上下限因素是什么?答:为避免由于热产生的少数载流子对注入__的干扰,注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须小于少数载流子的平均寿命对于三相CCDt为t=T/3=1/3f故,f1/3ζ.练习
1.人眼按不同照度下的响应可分为:明视觉、暗视觉、中介视觉2.Johnson准则把目标的探测等级分为4等,其中探测意味着在视场中发现一个目标,识别意味着可将目标大致分类,辨别意味着可区分目标的型号和其他细节特征;这三者探测等级实现概率为50%时,对应地在目标临界尺寸上,可分辨的等效条带的周期数目应分别是
1.0±
0.25,
4.0±
0.
86.4±
1.
53.微通道板是利用二次电子发射性质来完成电子图像的倍增的
4.对于线阵CCD成像器件在行扫描正程,光敏区负责积累光__,光敏单元下没有势阱,栅转移区在交变电压的作用下,将上一行__依次传输到输出电路为使电荷包实现定向转移,需要控制好相邻栅极上的电压,从而调节其下对应势阱的深浅,电压的绝对值越大,势阱就越低电荷包总是从高电压势阱流向低电压势阱1)下列谱段中光电成像系统中常用的大气窗口有(C)a3~5μm;b1~3μm;c
0.38~
0.76μm;d8~14μm2像管中(ACD)的出现和使用,分别成为了各代像管出现的标志性部件a负电子亲和势阴极;b电子光学系统;c微通道板MCP;d光纤面板3下列像管的性能指标A的值越高,像管的成像质量越好a增益系数;b等效背景照度;c畸变;d品质因数4)下列微光摄像器件中,属于纯固体器件的是(B)a高灵敏度CCD;b增强型CCD(ICCD);c电子轰击型CCD(EBCCD);d电子倍增CCD(EMCCD)5)下列辐射体的辐射发射率ε与波长λ有关系的是(C)a黑体;b灰体;c选择体。