Infravörös - Infrared

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A PseudoColor kép két ember hozott hosszú hullámhosszú infravörös (test-hőmérséklet) fény.
Ennek az infravörös űrtávcsőnek a képe (hamis színű) kék, zöld és piros színnel rendelkezik, amelyek 3,4, 4,6 és 12  μm hullámhossznak felelnek meg.

Az infravörös ( IR ), amelyet néha infravörös fénynek hívnak , elektromágneses sugárzás (EMR), amelynek hullámhossza hosszabb, mint a látható fényé . Ezért láthatatlan az emberi szem számára. Az IR úgy értendő, hogy a látható spektrum névleges vörös szélétől 700 nanométer körül  ( 430  THz frekvencia ) 1  milliméterig (300  GHz ) terjedő hullámhosszakat ölel fel (bár a hosszabb IR hullámhosszakat gyakran inkább terahertz sugárzásnak nevezik ). A szobahőmérséklet közelében lévő tárgyaktól származó fekete test sugárzása szinte minden infravörös hullámhosszon történik. Az elektromágneses sugárzás egyik formájaként az IR energiát és lendületet terjeszt , amelynek tulajdonságai megfelelnek mind a hullám , mind a részecske, a foton tulajdonságainak .

Az infravörös sugárzást 1800-ban fedezte fel Sir William Herschel csillagász , aki a vörös fénynél alacsonyabb energiájú spektrumban fedezett fel egy láthatatlan sugárzást egy hőmérőre gyakorolt ​​hatása révén . Végül kiderült, hogy a Napból származó teljes energia valamivel több mint a fele infravörös formájában érkezik a Földre . Az elnyelt és kibocsátott infravörös sugárzás egyensúlya kritikusan befolyásolja a Föld éghajlatát .

Az infravörös sugárzást kibocsátják vagy elnyelik a molekulák, amikor megváltoztatják forgási-rezgési mozgásaikat. Ez izgat rezgési módok egy molekula révén megváltozik a dipólmomentum , ami hasznos frekvenciatartománya tanulmány ezen energia állapotok molekulák megfelelő szimmetria. Az infravörös spektroszkópia a fotonok abszorpcióját és transzmisszióját vizsgálja az infravörös tartományban.

Az infravörös sugárzást ipari, tudományos, katonai, kereskedelmi és orvosi alkalmazásokban használják. Az aktív közeli infravörös megvilágítást alkalmazó éjjellátó eszközök lehetővé teszik az emberek vagy állatok megfigyelését a megfigyelő észlelése nélkül. Az infravörös csillagászat szenzorral felszerelt teleszkópokkal hatol be az űr poros területeibe, például molekuláris felhőkbe , olyan tárgyak észlelésére, mint például a bolygók , és az univerzum korai napjaiból származó, erősen vörös eltolódású tárgyak megtekintésére . Az infravörös hőkamerákat a szigetelt rendszerek hőveszteségének észlelésére, a bőrben változó véráramlás megfigyelésére és az elektromos alkatrészek túlmelegedésének észlelésére használják.

A katonai és polgári alkalmazások magukban foglalják a célszerzést , a megfigyelést , az éjszakai látást , az otthoni elhelyezést és a nyomon követést. A normál testhőmérsékletű emberek főleg 10 μm (mikrométer) körüli hullámhosszon sugároznak. A nem katonai célú felhasználások magukban foglalják a termikus hatékonyság elemzését, a környezeti megfigyelést, az ipari létesítmények ellenőrzését, a növekedési folyamatok észlelését , a távoli hőmérsékletérzékelést, a rövid hatótávolságú vezeték nélküli kommunikációt , a spektroszkópiát és az időjárás-előrejelzést .

Meghatározás és az elektromágneses spektrumhoz való viszony

Az infravörös sugárzás a látható spektrum névleges vörös szélétől 700 nanométeren (nm) 1 mm- ig terjed . Ez a hullámhossz- tartomány körülbelül 430  THz és 300 GHz közötti frekvenciatartománynak felel meg  . Az infravörös alatt az elektromágneses spektrum mikrohullámú része található .

Infravörös viszony az elektromágneses spektrumhoz
Fény összehasonlítás
Név Hullámhossz Frekvencia (Hz) Fotonenergia (eV)
Gamma sugár kisebb, mint 0,01 nm több mint 30 EHz több mint 124 keV
Röntgen 0,01 - 10 nm 30 EHz - 30 PHz 124 keV - 124 eV
Ultraibolya 10 nm - 400 nm 30 PHz - 790 THz 124 eV - 3,3 eV
Látható 400 nm - 700 nm 790 THz - 430 THz 3,3 eV - 1,7 eV
Infravörös 700 nm - 1 mm 430 THz - 300 GHz 1,7 eV - 1,24 meV
mikrohullámú sütő 1 mm - 1 méter 300 GHz - 300 MHz 1,24 meV - 1,24 μeV
Rádió 1 méter - 10 000 km 300 MHz - 30 Hz 1,24 μeV - 124 feV

Természetes infravörös

A napfény 5780 kelvin (5510 ° C, 9 940 ° F) effektív hőmérsékleten  csaknem termikus spektrumú sugárzásból áll, amely valamivel több, mint fele infravörös. A zenitnél a napfény tengerszint felett alig több mint 1  kilowatt / négyzetméter sugárzást biztosít . Ebből az energiából 527 watt infravörös sugárzás, 445 watt látható fény és 32 watt ultraibolya sugárzás. A napfényben szinte az összes infravörös sugárzás közel infravörös, kevesebb, mint 4 mikrométer.

A Föld felszínén, a Nap felszínénél jóval alacsonyabb hőmérsékleten, némi hősugárzás infravörösből áll a közép-infravörös régióban, sokkal hosszabb ideig, mint a napfénynél. A fekete testű vagy termikus sugárzás azonban folyamatos: minden hullámhosszon sugárzást ad ki. Ezen természetes hősugárzási folyamatok közül csak a villámok és a természetes tüzek elég forrók ahhoz, hogy sok látható energiát termeljenek, és a tüzek sokkal több infravörös, mint a látható fény energiát termelnek.

Az infravörös tartományok

Általánosságban elmondható, hogy az objektumok infravörös sugárzást bocsátanak ki a hullámhossz-spektrumban, de néha a spektrumnak csak egy korlátozott területe érdekes, mert az érzékelők általában csak egy meghatározott sávszélességen belül gyűjtik be a sugárzást. A termikus infravörös sugárzásnak van egy maximális emissziós hullámhossza is, amely fordítottan arányos az objektum abszolút hőmérsékletével, a Wien elmozdulási törvényének megfelelően . Az infravörös sávot gyakran kisebb részekre bontják, bár az IR-spektrum felosztása ettől eltérően változik az IR különböző területei között.

Látható határ

Az infravörös, amint azt neve is jelzi, általában úgy tekinthető, hogy az emberi szemnél láthatónál hosszabb hullámhosszal kezdődik. A láthatónak azonban nincs szigorú hullámhossz-határa, mivel a szem érzékenysége gyorsan, de simán csökken a körülbelül 700 nm-t meghaladó hullámhosszakon. Ezért ennél valamivel hosszabb hullámhosszak akkor láthatók, ha kellően fényesek, bár a szokásos meghatározások szerint mégis infravörös kategóriába sorolhatók. A közeli infravörös lézer fénye így halványvörösnek tűnhet, és veszélyt jelenthet, mivel valójában meglehetősen erős lehet. És az impulzusos lézerektől 1050 nm-ig terjedő hullámhosszon mért infravörös infúziót is láthatják az emberek bizonyos körülmények között.

Általánosan használt felosztási séma

Általánosan használt felosztási séma:

Osztály neve Rövidítés Hullámhossz Frekvencia Fotonenergia Hőfok Jellemzők
Közeli infravörös NIR, IR-A DIN 0,75–1,4  μm 214–400  THz 886-1,653  meV 3864–2 070  K
(3591–1 797  ° C )
Vízabszorpcióval definiálva, és általában a száloptikai telekommunikációban használják, mivel a SiO 2 üveg ( szilícium-dioxid ) közegben alacsony a csillapítási veszteség . A képerősítők érzékenyek a spektrum ezen területére; példák közé tartoznak az éjjellátó eszközök, például az éjjellátó szemüvegek. A közeli infravörös spektroszkópia egy másik gyakori alkalmazás.
Rövid hullámhosszú infravörös SWIR, IR-B DIN 1,4–3 μm 100–214 THz 413–886 meV 2070–966  K
(1797–693  ° C )
A víz abszorpciója 1450 nm-en jelentősen megnő. Az 1 530–1 560 nm tartomány a domináns spektrális régió a nagy távolságú távközlés számára.
Közepes hullámhosszú infravörös MWIR, IR-C DIN ; MidIR. Közepes infravörösnek (IIR) is nevezik 3–8 μm 37–100 THz 155–413 meV 966–362  K
(693–89  ° C )
Vezérelt rakétatechnikában ennek a sávnak a 3–5 μm-es része az a légköri ablak, amelyben a passzív IR „hőkereső” rakéták fejét működtetésre tervezték, a célrepülőgép, jellemzően a sugárhajtómű, infravörös aláírásával . kipufogógáz. Ez a régió termikus infravörös néven is ismert.
Hosszú hullámhosszú infravörös LWIR, IR-C DIN 8–15 μm 20–37 THz 83–155 meV 362–193  K
(89 - −80  ° C )
A "termikus képalkotás" régió, ahol az érzékelők csak a szobahőmérsékletnél valamivel magasabb hőmérsékletű tárgyakról - például az emberi testről - tudnak teljesen passzív képet készíteni, csak termikus emissziók alapján, és nem igényelnek olyan megvilágítást, mint a nap, a hold, vagy infravörös megvilágító. Ezt a régiót "termikus infravörösnek" is nevezik.
Távol infravörös FENYŐ 15–1 000 μm 0,3–20 THz 1,2–83 meV 193–3  K
(−80,15 - −270,15  ° C )
(lásd még távoli-infravörös lézer és távoli infravörös )
Hőkép (felül) és egy közönséges fénykép (alul) összehasonlítása. A műanyag zacskó többnyire átlátszó a hosszú hullámhosszú infravörösig, de a férfi szemüvege átlátszatlan.

A NIR-t és a SWIR-t néha "visszavert infravörös" -nek, míg az MWIR-t és az LWIR-t néha "hő-infravörösnek" nevezik. A fekete test sugárzási görbéinek jellege miatt a tipikus "forró" tárgyak, például a kipufogócsövek, gyakran világosabbnak tűnnek a MW-ban, mint az azonos, az LW-ben megtekintett tárgyak.

CIE felosztási rendszer

A Nemzetközi Megvilágítási Bizottság (CIE) az infravörös sugárzás felosztását javasolta a következő három sávra:

Rövidítés Hullámhossz Frekvencia
IR-A 700 nm - 1400 nm
(0,7 μm - 1,4 μm)
215 THz - 430 THz
IR-B 1 400–3 000 nm
(1,4–3 μm)
100 THz - 215 THz
IR-C 3000 nm - 1 mm
(3 μm - 1000 μm)
300 GHz - 100 THz

ISO 20473 séma

Az ISO 20473 az alábbi sémát határozza meg:

Kijelölés Rövidítés Hullámhossz
Infravörös közeli NIR 0,78–3 μm
Infravörös közepe MIR 3–50 μm
Távol-infravörös FENYŐ 50–1 000 μm

Csillagászati ​​felosztási séma

A csillagászok általában az alábbiak szerint osztják fel az infravörös spektrumot:

Kijelölés Rövidítés Hullámhossz
Infravörös közeli NIR 0,7–2,5 μm
Infravörös közepe MIR 3–25 μm
Távol-infravörös FENYŐ 25 μm felett.

Ezek a felosztások nem pontosak, és a kiadványtól függően változhatnak. A három régiót különböző hőmérsékleti tartományok, és így az űrben lévő különböző környezetek megfigyelésére használják.

A csillagászatban alkalmazott leggyakoribb fotometriai rendszer a felhasznált szűrők szerint nagybetűket oszt ki a különböző spektrális területekre ; I, J, H és K lefedik a közeli infravörös hullámhosszakat; L, M, N és Q a közép-infravörös régióra utal. Ezeket a betűket általában a légköri ablakokra hivatkozva értik, és például számos cikk címében szerepelnek .

Az érzékelő válasz-megosztási sémája

A légköri áteresztőképesség ábrája az infravörös régió egy részén

Egy harmadik séma felosztja a sávot a különféle detektorok reakciója alapján:

  • Közeli infravörös: 0,7 és 1,0 μm között (az emberi szem és a szilícium válaszának hozzávetőleges végétől).
  • Rövid hullámú infravörös: 1,0–3 μm (a szilícium leválasztásától a MWIR légköri ablakéig). Az InGaAs körülbelül 1,8 μm-re terjed ki; a kevésbé érzékeny ólomsók borítják ezt a régiót.
  • Közepes hullámú infravörös: 3–5 μm (a légköri ablak határozza meg, és indium antimonid [InSb] és higany kadmium-tellurid [HgCdTe], részben ólom-szelenid [PbSe] fedi).
  • Hosszú hullámú infravörös: 8–12 vagy 7–14 μm (ez a légköri ablak, amelyet HgCdTe és mikrobolométerek fednek ).
  • Nagyon hosszú hullámú infravörös (VLWIR) (12-30 μm, adalékolt szilícium borítja).

A közeli infravörös az a hullámhosszon legközelebb eső régió, amely az emberi szem által detektálható sugárzásnak felel meg. a közép- és a távoli infravörös fokozatosan távolabb kerül a látható spektrumtól . Más meghatározások különböző fizikai mechanizmusokat követnek (emissziós csúcsok, sávok, vízfelvétel), és a legújabbak technikai okokat követnek (a közös szilícium detektorok körülbelül 1050 nm-re érzékenyek, míg az InGaAs érzékenysége 950 nm körül kezdődik és 1700 és 2600 között ér véget. nm, az adott konfigurációtól függően). Jelenleg nem állnak rendelkezésre nemzetközi előírások ezekre a specifikációkra.

Az infravörös megjelenését (különböző szabványok szerint) különféle értékeken határozzák meg, jellemzően 700 nm és 800 nm között, de a látható és az infravörös fény határát nem határozzák meg pontosan. Az emberi szem kifejezetten kevésbé érzékeny a 700 nm hullámhossz feletti fényre, ezért a hosszabb hullámhossz jelentéktelen mértékben járul hozzá a közös fényforrások által megvilágított jelenetekhez. Különösen intenzív, közel infravörös fényt (például infravörös lézerekből , IR LED-forrásokból vagy világos napfényből, színes zselékkel eltávolított látható fényből) kb. 780 nm-ig lehet érzékelni, és vörös fényként fogják érzékelni. Az intenzív fényforrások, amelyek hullámhosszát 1050 nm-ig biztosítják, tompa vörös fényként tekintenek, ami némi nehézséget okoz a sötét jelenetek IR-közeli megvilágításában (általában ezt a gyakorlati problémát közvetett megvilágítás oldja meg). A levelek különösen fényesek a közeli infravörös infravörös tartományban, és ha az infravörös szűrő körüli összes látható szivárgás blokkolva van, és a szem kap egy pillanatot arra, hogy alkalmazkodjon a rendkívül halvány képhez, amely egy vizuálisan átlátszatlan infravörös sugárzású fotoszűrőn keresztül érkezik, akkor látható az IR-ragyogó lombozatból álló Wood-effektus .

Távközlési sávok az infravörös tartományban

Az optikai kommunikációban az infravörös spektrum felhasznált részét hét sávra osztják, az anyagokat (szálakat) továbbító / elnyelő fényforrások és detektorok rendelkezésre állása alapján:

Zenekar Leíró Hullámhossz-tartomány
O zenekar Eredeti 1260–1 360 nm
E sáv Kiterjedt 1.360–1.460 nm
S zenekar Rövid hullámhossz 1 460–1 530 nm
C sáv Hagyományos 1 530–1 565 nm
L sáv Hosszú hullámhossz 1 565–1 625 nm
U zenekar Ultrahosszú hullámhossz 1 625–1 675 nm

A C-sáv a nagy távolságú távközlési hálózatok domináns sávja . Az S és L sávok kevésbé jól bevált technológián alapulnak, és nincsenek annyira elterjedve.

A nagyobb emissziós képességű anyagok közelebb jelennek meg valódi hőmérsékletükhöz, mint azok, amelyek jobban tükrözik a különböző hőmérsékletű környezetüket. Ebben a hőképben a hűvösebb környezetet tükröző, fényvisszaverőbb kerámia henger hidegebbnek tűnik, mint a köbös tartálya (kibocsátóbb szilícium-karbidból készült), miközben valójában ugyanaz a hőmérséklet.

Az infravörös sugárzást közismert nevén "hősugárzásnak" nevezik, de bármilyen frekvenciájú fény- és elektromágneses hullámok felmelegítik azokat a felületeket. A Nap infravörös fénye a Föld fűtésének 49% -át adja, a többit a látható fény okozza, amely abszorbeálódik, majd hosszabb hullámhosszakon újból kisugárzik. A látható fény vagy az ultraibolyát sugárzó lézerek képesek elszenesíteni a papírt, és az izzólámban forró tárgyak látható sugárzást bocsátanak ki. Tárgyak szobahőmérsékleten hőmérsékleten fog kibocsátani sugárzást koncentrálódik főként a 8 és 25 um sávban, de ez nem különbözik a kibocsátott látható fény izzó tárgyak és ultraibolya által még melegebb tárgyak (lásd fekete test és a Wien-féle eltolódási törvény ).

A hő egy átmenő energia, amely a hőmérséklet-különbség miatt áramlik. A hővezetéssel vagy hőkonvekcióval átvitt hőtől eltérően a hősugárzás vákuumon keresztül terjedhet . A hősugárzást egy bizonyos hullámhosszú spektrum jellemzi, amelyek egy tárgyból származó emisszióval társulnak, molekuláinak adott hőmérsékleten történő rezgése miatt. Hősugárzás bármilyen hullámhosszon kibocsátható tárgyakból, és nagyon magas hőmérsékleten az ilyen sugárzás az infravörös fölött jóval magasabb spektrummal társul, amely látható, ultraibolya, sőt röntgensugárzási területekre is kiterjed (pl . A napkorona ). Az infravörös sugárzás népi asszociációja a hősugárzással csak egybeesés a tipikus (viszonylag alacsony) hőmérsékleteken alapul, amelyek gyakran megtalálhatók a Föld bolygó felszínén.

Az emisszió fogalma fontos a tárgyak infravörös kibocsátásának megértésében. Ez egy olyan tulajdonság, amely leírja, hogy a hőemissziója hogyan tér el a fekete test elképzelésétől . További magyarázatként elmondhatjuk, hogy ugyanazon fizikai hőmérsékleten két tárgy nem feltétlenül mutatja ugyanazt az infravörös képet, ha különböző emissziós képességük van. Például bármely előre beállított emissziós értéknél a magasabb emissziós képességű objektumok melegebbnek tűnnek, az alacsonyabb emissziós képességűek pedig hűvösebbnek tűnnek (feltételezve, hogy a környező környezet hűvösebb, mint a megtekintett objektumok). Ha egy objektum emissziós képessége nem egészen tökéletes, a fényvisszaverő képesség és / vagy az átlátszóság tulajdonságait megszerzi, és így a tárgy környezeti hőmérsékletét részben visszatükrözi és / vagy továbbítja az objektum. Ha az objektum melegebb környezetben lenne, akkor az alacsonyabb emissziós képességű tárgy ugyanabban a hőmérsékleten valószínűleg melegebbnek tűnik, mint egy emissziósabb objektum. Emiatt az emisszivitás helytelen kiválasztása és a környezeti hőmérséklet nem figyelembe vétele pontatlan eredményeket ad infravörös kamerák és pirométerek használatakor.

Alkalmazások

Éjszakai látás

Aktív-infravörös éjszakai látás: a kamera az emberi szem számára láthatatlan infravörös hullámhosszakon világítja meg a jelenetet . A sötét, megvilágított jelenet ellenére az aktív infravörös éjszakai látás azonosító részleteket szolgáltat, amint az a kijelző monitorján látható.

Az infravörös fényt éjjellátó berendezésben használják, ha a látáshoz nincs elegendő látható fény . Az éjjellátó eszközök olyan folyamaton keresztül működnek, amely magában foglalja a környezeti fény fotonjainak elektronokká történő átalakítását, amelyeket aztán kémiai és elektromos folyamat felerősít, majd visszaalakítanak látható fénnyel. Az infravörös fényforrások felhasználásával növelhető a rendelkezésre álló környezeti fény az éjjellátó eszközök általi átalakításhoz, növelve a sötétben való láthatóságot anélkül, hogy valóban látható fényforrást használnának.

Az infravörös fény és az éjjellátó készülékek használata nem tévesztendő össze a hőképalkotással , amely a felületi hőmérséklet különbségei alapján képeket hoz létre a tárgyakból és a környező környezetből származó infravörös sugárzás ( ) detektálásával .

Termográfia

A termográfia segített meghatározni az űrsikló hővédő rendszerének hőmérsékleti profilját az újbóli belépés során.

Az infravörös sugárzás felhasználható az objektumok hőmérsékletének távoli meghatározására (ha ismert az emissziós képesség). Ezt nevezzük termográfiának, vagy a NIR-ben található nagyon forró vagy látható tárgyak esetében pirometriának . A termográfiát (termikus képalkotást) elsősorban katonai és ipari alkalmazásokban használják, de a technológia a nagymértékben csökkentett gyártási költségek miatt az autók infravörös kamerái formájában jut el a nyilvános piacra.

A termográfiai kamerák az elektromágneses spektrum infravörös tartományában észlelik a sugárzást (nagyjából 9000–14 000 nanométer vagy 9–14 μm), és képeket készítenek erről a sugárzásról. Mivel az infravörös sugárzást minden objektum a hőmérséklete alapján bocsátja ki, a fekete test sugárzási törvénye szerint a termográfia lehetővé teszi környezetének "meglátását" látható megvilágítással vagy anélkül. Az objektum által kibocsátott sugárzás mennyisége a hőmérséklet hatására növekszik, ezért a termográfia lehetővé teszi az ember számára, hogy a hőmérséklet változásait lássa (innen a név).

Hiperspektrális képalkotás

Hiperspektrális termikus infravörös emisszió mérés, kültéri beolvasás téli körülmények között, környezeti hőmérséklet –15 ° C, Specim LWIR hiperspektrális képalkotóval készített kép . A kép különböző célpontjainak relatív sugárzási spektruma nyilakkal jelenik meg. A különböző tárgyak, például az óracsat infravörös spektrumának egyértelműen megkülönböztető jellemzői vannak. A kontrasztszint jelzi az objektum hőmérsékletét.
Az infravörös fény a LED egy távirányító felvéve egy digitális fényképezőgép

A hiperspektrális kép egy "kép", amely minden pixelnél széles spektrumtartományon keresztül folyamatos spektrumot tartalmaz . A hiperspektrális képalkotás egyre nagyobb jelentőséggel bír az alkalmazott spektroszkópia területén, különösen NIR, SWIR, MWIR és LWIR spektrális régiókkal. Jellemző alkalmazások a biológiai, ásványtani, védelmi és ipari mérések.

A termikus infravörös hiperspektrális képalkotás hasonló módon végezhető el egy termográfiai kamera segítségével , azzal az alapvető különbséggel, hogy minden pixel teljes LWIR spektrumot tartalmaz. Következésképpen a tárgy kémiai azonosítása elvégezhető anélkül, hogy külső fényforrásra lenne szükség, például a Napra vagy a Holdra. Az ilyen kamerákat általában geológiai mérésekhez, kültéri megfigyeléshez és UAV alkalmazásokhoz alkalmazzák.

Egyéb képalkotás

Az infravörös fényképezés során az infravörös szűrőket használják a közeli infravörös spektrum megragadására. A digitális fényképezőgépek gyakran használnak infravörös blokkolókat . Az olcsóbb digitális fényképezőgépek és kamerás telefonok kevésbé hatékony szűrőkkel rendelkeznek, és "láthatják" az intenzív közeli infravörös színt, amely élénk lila-fehér színűnek tűnik. Ez különösen hangsúlyos, ha olyan témákat fényképeznek, amelyek infravörös fényű területek közelében vannak (például lámpa közelében), ahol az ebből eredő infravörös interferencia kimossa a képet. Van egy „ T-ray ” képalkotásnak nevezett technika is , amely távoli infravörös vagy terahertzes sugárzást használ . A fényes források hiánya a terahertzes fotózást kihívást jelentheti, mint a legtöbb más infravörös képalkotó technika. A közelmúltban a T-ray képalkotás számos új fejlesztés, például a terahertz időtartományú spektroszkópia miatt jelentős érdeklődésre tart számot .

Reflektált fényfotó különféle infravörös spektrumokban, hogy szemléltesse a megjelenést, ahogy a fény hullámhossza változik.

Követés

Az infravörös nyomkövetés, más néven infravörös homing, egy passzív rakétavezérlő rendszerre utal , amely a spektrum infravörös részén található elektromágneses sugárzás célpontjának kibocsátását használja fel annak nyomon követésére. Az infravörös keresést használó rakétákat gyakran "hőkeresőknek" nevezik, mivel az infravörös (IR) frekvenciája éppen a fény látható spektruma alatt van, és forró testek erősen sugározzák. Sok olyan tárgy, mint az emberek, a jármű motorjai és a repülőgépek termelik és tartják vissza a hőt, és mint ilyenek, különösen a fény infravörös hullámhosszain látszanak, szemben a háttérben lévő tárgyakkal.

Fűtés

Az infravörös sugárzás szándékos fűtési forrásként használható. Például infraszaunákban használják az utasok fűtésére. Használható más fűtési alkalmazásokban is, például jég eltávolítására a repülőgép szárnyairól (jégtelenítés). Az infravörös sugárzást a főzés során használják, amelyet roston sütésnek vagy grillezésnek hívnak . Az egyik energia előnye, hogy az IR energia csak átlátszatlan tárgyakat, például ételt melegít fel, nem pedig a körülöttük lévő levegőt.

Az infravörös fűtés egyre népszerűbb az ipari gyártási folyamatokban is, például a bevonatok kikeményítésében, a műanyagok kialakításában, az izzításban, a műanyag hegesztésben és a nyomtatás szárításában. Ezekben az alkalmazásokban az infravörös melegítők helyettesítik a konvekciós kemencéket és az érintkező fűtést.

A hatékonyságot úgy érik el, hogy az infravörös melegítő hullámhosszát hozzáigazítják az anyag abszorpciós jellemzőihez.

Hűtés

Számos technológia vagy javasolt technológia használja ki az infravörös sugárzás előnyeit az épületek vagy más rendszerek hűtésére. Az LWIR (8–15 μm) régió különösen hasznos, mivel ezen hullámhosszakon némi sugárzás az atmoszférán keresztül kijuthat az űrbe.

Kommunikáció

Az infravörös adatátvitelt a számítógépes perifériák és a személyi digitális asszisztensek közötti rövid hatótávolságú kommunikációban is használják . Ezek az eszközök általában megfelelnek az IrDA , az Infravörös Adatszövetség által közzétett szabványoknak . A távirányítók és az IrDA készülékek infravörös fénykibocsátó diódákat (LED) használnak olyan infravörös sugárzás kibocsátására, amelyet egy lencse koncentrálhat egy sugárba, amelyet a felhasználó az érzékelőre irányít. A fénysugarat modulálják , azaz be- és kikapcsolják, a vevő által értelmezett kódnak megfelelően. Gyakorlati okokból általában nagyon közeli (800 nm alatti) IR-t alkalmaznak. Ezt a hullámhosszat hatékonyan detektálják olcsó szilícium fotodiódák , amelyek segítségével a vevő átalakítja a detektált sugárzást elektromos árammá . Ezt az elektromos jelet áteresztik egy felüláteresztő szűrőn, amely megtartja az IR-adó miatti gyors pulzációt, de kiszűri a környezeti fény lassan változó infravörös sugárzását. Az infravörös kommunikáció beltéri használatra hasznos nagy népsűrűségű területeken. Az IR nem hatol be a falakba, ezért nem zavarja a szomszédos helyiségekben található más eszközöket. Az infravörös a távvezérlők leggyakoribb módja a készülékek parancsolására. Az infravörös távvezérlő protokollokat, például az RC-5 , SIRC , használják az infravörös kommunikációhoz.

Az infravörös lézerekkel történő szabad térbeli optikai kommunikáció viszonylag olcsó módja lehet a kommunikációs kapcsolat telepítésének akár 4 gigabit / s sebességgel működő városi területen, összehasonlítva a száloptikai kábel eltemetésének költségeivel, kivéve a sugárzási károkat. "Mivel a szem nem képes észlelni az IR-t, előfordulhat, hogy a szemek pislogása vagy becsukása a károsodás megelőzése vagy csökkentése érdekében nem fordul elő."

Infravörös lézereket használnak az optikai szálas kommunikációs rendszerek megvilágításához . Az infravörös fény, amelynek hullámhossza körülbelül 1330 nm (legkevesebb diszperzió ) vagy 1550 nm (a legjobb átbocsátás), a legjobb választás a szilícium-dioxid- szálakhoz.

A nyomtatott táblák kódolt audio verzióinak infravörös adatátvitelét a RIAS (Remote Infrared Audible Signage) projekt keretében látássérült emberek számára segítik . Az infravörös adatok egyik készülékről a másikra történő továbbítását néha sugárzásnak nevezik .

Spektroszkópia

Az infravörös rezgésspektroszkópia (lásd még a közeli infravörös spektroszkópiát ) olyan technika, amely felhasználható a molekulák azonosítására az alkotó kötéseik elemzésével. A molekulákban minden egyes kémiai kötés a kötésre jellemző frekvencián rezeg. A csoport az atomok olyan molekula (pl, CH 2 ) lehet több üzemmódot oszcilláció okozta nyújtás és hajlító mozgások a csoport egészének. Ha egy oszcilláció a dipól változásához vezet a molekulában, akkor elnyeli az azonos frekvenciájú fotont . A legtöbb molekula rezgési frekvenciája megfelel az infravörös fény frekvenciájának. A technikát általában a szerves vegyületek tanulmányozására használják a közepes infravörös sugárzás, 4000–400 cm −1 fénysugárzás felhasználásával . A mintában az összes abszorpciós frekvencia spektrumát rögzítjük. Ez felhasználható információk beszerzésére a minta összetételéről a jelenlévő kémiai csoportok és annak tisztasága tekintetében (például egy nedves minta széles OH-abszorpciót mutat majd 3200 cm- 1 körül ). A sugárzás kifejezésére szolgáló egység ebben az alkalmazásban, cm -1 , a spektroszkópiai hullámszám . Ez a frekvencia osztva a fény sebességével a vákuumban.

Vékony filmmetrológia

A félvezetőiparban az infravörös fény felhasználható olyan anyagok jellemzésére, mint a vékony filmek és az időszakos árokszerkezetek. A félvezető ostya felszínéről érkező fény visszaverődésének mérésével a törésmutató (n) és az extinkciós együttható (k) meghatározható a Forouhi-Bloomer diszperziós egyenletek segítségével . Az infravörös fény visszaverő képessége felhasználható a nagy képarányú árokszerkezetek kritikus méretének, mélységének és oldalfalának szögének meghatározására is.

Meteorológia

IR műholdas felvételen zivatarfelhő felhők felett az Alföldön az Egyesült Államokban.

A pásztázó radiométerekkel felszerelt időjárási műholdak hő- vagy infravörös képeket készítenek, amelyek képzett elemző számára lehetővé tehetik a felhő magasságának és típusainak meghatározását, a szárazföldi és a felszíni víz hőmérsékletének kiszámítását, valamint az óceán felszínének jellemzőinek felkutatását. A letapogatás jellemzően a 10,3–12,5 μm tartományba esik (IR4 és IR5 csatornák).

A magas és hideg tetejű felhők, mint például a ciklonok vagy a gomolyfelhők , vörösnek vagy feketének tűnnek, az alacsonyabb melegebb felhők, például a rétegek vagy a stratocumulusok kékként vagy szürkén jelennek meg, a köztes felhők ennek megfelelően árnyékolva vannak. A forró földfelületek sötétszürke vagy fekete színűek lesznek. Az infravörös képek egyik hátránya, hogy az alacsony felhő, például réteg vagy köd hőmérséklete hasonló lehet a környező szárazföld vagy tenger felszínéhez, és nem jelenik meg. Azonban, használata a különbség a fényerő a IR4 csatorna (10,3-11,5 um), és a közeli infravörös csatorna (1,58-1,64 um), alacsony zavarosodási lehet megkülönböztetni, előállítására köd műholdas képet. Az infravörös fő előnye, hogy éjszaka képeket lehet készíteni, lehetővé téve az időjárás folyamatos sorozatának tanulmányozását.

Ezek az infravörös képek képesek ábrázolni az óceán örvényeit vagy örvényeit, és feltérképezni az olyan áramlatokat, mint a Golf-áramlat, amelyek értékesek a hajózási ipar számára. A halászok és a gazdálkodók érdeklődnek a talaj és a víz hőmérsékletének megismerése iránt, hogy megvédjék növényeiket a fagytól vagy növeljék a tengerből származó fogásaikat. Még El Niño jelenségek is észlelhetők. Színes digitalizált technikák alkalmazásával a szürke árnyalatú hőképek színesekké alakíthatók a kívánt információ könnyebb azonosítása érdekében.

A 6,40–7,08 μm közötti vízgőz fő csatornát egyes időjárási műholdak képesek ábrázolni, és megmutatják a légkör nedvességének mennyiségét.

Klimatológia

Az üvegházhatás a metán, a víz és a szén-dioxid molekuláival, amelyek újra sugározzák a naphőt

A klimatológia területén a légköri infravörös sugárzást figyelik a föld és a légkör közötti energiacsere tendenciáinak felderítésére. Ezek a tendenciák információt nyújtanak a Föld éghajlatának hosszú távú változásairól. Ez az egyik elsődleges paraméter, amelyet a globális felmelegedés , a napsugárzás mellett kutattak .

A pyrgeometer hasznosul ez a kutatási terület elvégzésére folyamatos kültéri mérések. Ez egy szélessávú infravörös radiométer, amelynek érzékenysége az infravörös sugárzásra körülbelül 4,5 μm és 50 μm között van.

Csillagászat

Beta Pictoris és a Beta Pictoris b bolygója, a világoskék pont, középen kívül, az infravörös képen látható módon. Két képet ötvöz, a belső lemez 3,6 μm-nél van.

A csillagászok optikai alkatrészek, többek között tükrök, lencsék és szilárdtest digitális detektorok segítségével figyelik meg az elektromágneses spektrum infravörös részén található tárgyakat. Ezért az optikai csillagászat részének minősül . A kép kialakításához az infravörös teleszkóp alkatrészeit gondosan le kell védeni a hőforrásoktól, és a detektorokat folyékony héliummal hűtjük .

A földi infravörös teleszkópok érzékenységét jelentősen korlátozza a légköri vízgőz, amely elnyeli az űrből érkező infravörös sugárzás egy részét a kiválasztott légköri ablakokon kívül . Ezt a korlátozást részben enyhíteni lehet, ha a teleszkóp obszervatóriumát nagy magasságba helyezzük, vagy ha a teleszkópot ballonnal vagy repülőgéppel a magasba viszik. Az űrtávcsövek nem szenvednek ettől a hátránytól, ezért a világűr az infravörös csillagászat ideális helyének számít.

A spektrum infravörös része számos hasznos előnnyel jár a csillagászok számára. Galaktikánk hideg, sötét molekuláris gáz- és porfelhői sugárzó hőtől fognak izzani, amikor beágyazott csillagok sugározzák őket. Az infravörös is használható a protosztárok észlelésére, mielőtt azok látható fényt bocsátanának ki. A csillagok energiájuk kisebb részét bocsátják ki az infravörös spektrumban, így a közeli hűvös tárgyak, például a bolygók könnyebben felismerhetők. (A látható fényspektrumban a csillag tükröződése elnyomja a visszavert fényt egy bolygóról.)

Az infravörös fény hasznos az aktív galaxisok magjainak megfigyelésére is , amelyek gyakran gázba és porba burkolódnak. A nagy vöröseltolódású távoli galaxisok spektrumának csúcsrészét hosszabb hullámhosszak felé tolják el, így könnyebben megfigyelhetők az infravörösben.

Infravörös tisztítás

Az infravörös tisztítás egy olyan technika, amelyet egyes mozgókép-szkennerek , filmszkennerek és síkágyas szkennerek használnak a por és karcolások hatásának csökkentésére vagy eltávolítására a kész beolvasás során . Úgy működik, hogy a beolvasásból további infravörös csatornát gyűjt össze ugyanabban a helyzetben és felbontásban, mint a három látható színes csatorna (piros, zöld és kék). Az infravörös csatornát a többi csatornával együtt használják a karcolások és a por helyének detektálására. Miután megtalálta ezeket a hibákat méretezéssel kijavíthatja, vagy festés nélkül pótolhatja .

Művészeti konzerválás és elemzés

Egy infravörös reflectogram a Mona Lisa a Leonardo da Vinci
Infravörös reflektográfia-hu.svg

Az infravörös reflektográfia alkalmazható a festményekre, hogy roncsolásmentesen feltárják az alapul szolgáló rétegeket, különös tekintettel a művész alulrajzolására vagy körvonalazásra. A műkonzervátorok a technikával megvizsgálják, hogy a látható festékrétegek hogyan különböznek az alulrajzolástól vagy a köztük levő rétegektől (ezeket a változtatásokat pentimentinek hívják, ha az eredeti művész készíti őket). Ez nagyon hasznos információ annak eldöntésében, hogy a festmény az eredeti művész elsődleges változata vagy másolata, és hogy a túl lelkes restaurálási munkák megváltoztatták-e. Általánosságban elmondható, hogy minél több a pentimenti, annál valószínűbb, hogy egy festmény lesz az elsődleges változat. Hasznos betekintést nyújt a munkamódszerekre is. A reflexográfia gyakran feltárja a művész koromhasználatát , amely jól tükröződik a reflektogramokon, mindaddig, amíg a teljes festmény alapjául szolgáló talajban sem használták.

Az infravörös érzékeny kamerák tervezésében a közelmúltban elért eredmények nemcsak az alulfestések és a pentimenti felfedezését és ábrázolását teszik lehetővé, hanem egész festményeket, amelyeket később a művész túlfestett. Példaként említhető a Picasso „s nő vasalási és Kék terem , ahol mindkét esetben egy portré egy ember látható lett alapján a festmény ma ismert.

Az infravörös infravörös hasonló felhasználást tesznek lehetővé a konzervátorok és a tudósok különféle típusú objektumokon, különösen olyan nagyon régi írásos dokumentumokon, mint a Holt-tengeri tekercsek , a római művek a Papyri-villában és a Dunhuang-barlangokban talált selyemút-szövegek . A tintában használt korom rendkívül jól megjelenhet.

Biológiai rendszerek

Termográfiai kép: egy kígyó eszik egeret

A gödör vipera fején egy pár infravörös szenzoros gödör található. Bizonytalan a biológiai infravörös detektáló rendszer pontos hőérzékenysége.

A termoreceptív szervekkel rendelkező egyéb szervezetek: pitonok ( Pythonidae család ), néhány boa ( Boidae család ), közönséges vámpír denevér ( Desmodus rotundus ), különféle ékszerbogarak ( Melanophila acuminata ), sötéten pigmentált pillangók ( Pachliopta aristolochiae és Troides rhadamantus plateni ) , és esetleg vérszívó hibák ( Triatoma infestans ).

Néhány gomba, például a Venturia inaequalis, közel infravörös fényt igényel a kilökéshez

Noha a közeli infravörös látást (780–1 000 nm) már régóta lehetetlennek tartják a vizuális pigmentekben fellépő zaj miatt, a közönséges infravörös fény érzékeléséről beszámoltak a közönséges pontyokban és három cichlid fajban. A halak a NIR-t használják a zsákmány befogására és a fototaktikus úszástájolásra. A NIR-érzékelés a halakban rossz fényviszonyok esetén releváns lehet szürkületben és zavaros felszíni vizekben.

Fotobiomoduláció

A közeli infravörös fényt vagy a fotobiomodulációt kemoterápia által kiváltott orális fekély kezelésére, valamint sebgyógyulásra használják. Van néhány munka a herpesz elleni vírus kezelésével kapcsolatban. A kutatási projektek magukban foglalják a központi idegrendszer gyógyító hatásait a citokróm c-oxidáz upregulációján és más lehetséges mechanizmusokon keresztül.

Egészségügyi kockázatok

Az erős infravörös sugárzás bizonyos ipari magas hőfokú környezetben veszélyes lehet a szemre, károsodást vagy vakságot okozhat a felhasználó számára. Mivel a sugárzás láthatatlan, az ilyen helyeken speciális IR-védőszemüveget kell viselni.

Az infravörös tudomány története

Az infravörös sugárzás felfedezését William Herschelnek , a csillagásznak tulajdonítják a 19. század elején. Herschel 1800-ban tette közzé eredményeit a londoni Royal Society előtt . Herschel egy prizma segítségével megtörte a napfényt, és a hőmérőn rögzített hőmérséklet emelkedésével észlelte az infravörös spektrumot a spektrum vörös részén túl . Meglepődött az eredményen, és "fűtőszálaknak" nevezte őket. Az "infravörös" kifejezés csak a 19. század végén jelent meg.

További fontos dátumok:

Az infravörös sugárzást 1800-ban fedezte fel William Herschel.

Lásd még

Megjegyzések

Hivatkozások

Külső linkek