Infrarot - Infrared

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Ein Pseudofarbbild von zwei Personen, aufgenommen in langwelligem Infrarotlicht (thermisches Körpertemperaturlicht).
Dieses Infrarot-Weltraumteleskopbild weist (Falschfarben) Blau, Grün und Rot auf, die Wellenlängen von 3,4, 4,6 bzw. 12 &  mgr ; m entsprechen.

Infrarot ( IR ), manchmal auch Infrarotlicht genannt , ist elektromagnetische Strahlung (EMR) mit Wellenlängen, die länger sind als die des sichtbaren Lichts . Es ist daher für das menschliche Auge unsichtbar. Unter IR werden allgemein Wellenlängen vom nominalen roten Rand des sichtbaren Spektrums um 700  Nanometer ( Frequenz 430  THz ) bis 1  Millimeter (300  GHz ) verstanden (obwohl die längeren IR-Wellenlängen häufig eher als Terahertz-Strahlung bezeichnet werden ). Schwarzkörperstrahlung von Objekten in der Nähe von Raumtemperatur ist fast alles bei Infrarotwellenlängen. Als eine Form elektromagnetischer Strahlung breitet IR Energie und Impuls aus , wobei die Eigenschaften sowohl denen einer Welle als auch eines Teilchens, des Photons, entsprechen .

Infrarotstrahlung wurde 1800 vom Astronomen Sir William Herschel entdeckt, der durch seine Wirkung auf ein Thermometer eine Art unsichtbare Strahlung im Spektrum entdeckte, deren Energie niedriger ist als die von rotem Licht . Etwas mehr als die Hälfte der Gesamtenergie der Sonne kam schließlich in Form von Infrarot auf die Erde . Das Gleichgewicht zwischen absorbierter und emittierter Infrarotstrahlung wirkt sich entscheidend auf das Erdklima aus .

Infrarotstrahlung wird von Molekülen emittiert oder absorbiert , wenn sie ihre Rotations-Vibrations- Bewegungen ändern . Es regt Schwingungsmoden in einem Molekül durch eine Änderung des Dipolmoments an und macht es zu einem nützlichen Frequenzbereich für die Untersuchung dieser Energiezustände für Moleküle mit der richtigen Symmetrie. Infrarotspektroskopie untersucht die Absorption und Transmission von Photonen im Infrarotbereich.

Infrarotstrahlung wird in industriellen, wissenschaftlichen, militärischen, kommerziellen und medizinischen Anwendungen eingesetzt. Nachtsichtgeräte mit aktiver Nahinfrarotbeleuchtung ermöglichen die Beobachtung von Menschen oder Tieren, ohne dass der Beobachter erkannt wird. Die Infrarotastronomie verwendet mit Sensoren ausgestattete Teleskope , um staubige Regionen des Weltraums wie Molekülwolken zu durchdringen , Objekte wie Planeten zu erkennen und stark rotverschobene Objekte aus den frühen Tagen des Universums zu betrachten . Infrarot-Wärmebildkameras werden verwendet, um Wärmeverluste in isolierten Systemen zu erfassen, sich ändernde Durchblutungen in der Haut zu beobachten und eine Überhitzung elektrischer Geräte zu erkennen.

Umfangreiche Anwendungen für militärische und zivile Anwendungen umfassen Zielerfassung , Überwachung , Nachtsicht , Zielsuche und Verfolgung. Menschen mit normaler Körpertemperatur strahlen hauptsächlich bei Wellenlängen um 10 μm (Mikrometer). Zu den nichtmilitärischen Anwendungen gehören die Analyse des thermischen Wirkungsgrads , die Überwachung der Umwelt, die Inspektion von Industrieanlagen, die Erkennung von Anbauten , die Fernerkundung der Temperatur, die drahtlose Kommunikation über kurze Entfernungen , die Spektroskopie und die Wettervorhersage .

Definition und Beziehung zum elektromagnetischen Spektrum

Infrarotstrahlung erstreckt sich vom nominalen roten Rand des sichtbaren Spektrums bei 700 Nanometern (nm) bis 1 Millimeter (mm). Dieser Wellenlängenbereich entspricht einem Frequenzbereich von ca. 430  THz bis 300  GHz . Unterhalb des Infrarotbereichs befindet sich der Mikrowellenanteil des elektromagnetischen Spektrums .

Infrarot in Bezug auf das elektromagnetische Spektrum
Lichtvergleich
Name Wellenlänge Frequenz (Hz) Photonenenergie (eV)
Gammastrahl weniger als 0,01 nm mehr als 30 EHz mehr als 124 keV
Röntgen 0,01 nm - 10 nm 30 EHz - 30 PHz 124 keV - 124 eV
Ultraviolett 10 nm - 400 nm 30 PHz - 790 THz 124 eV - 3,3 eV
Sichtbar 400 nm - 700 nm 790 THz - 430 THz 3,3 eV - 1,7 eV
Infrarot 700 nm - 1 mm 430 THz - 300 GHz 1,7 eV - 1,24 meV
Mikrowelle 1 mm - 1 Meter 300 GHz - 300 MHz 1,24 meV - 1,24 μeV
Radio 1 mm - 10.000 km 300 MHz - 30 Hz 1,24 μeV - 124 feV

Natürliches Infrarot

Sonnenlicht besteht bei einer effektiven Temperatur von 5.780  Kelvin (5.510 ° C, 9.940 ° F) aus Strahlung mit nahezu thermischem Spektrum, die etwas mehr als die Hälfte des Infrarot beträgt. Im Zenit liefert Sonnenlicht eine Bestrahlungsstärke von etwas mehr als 1  Kilowatt pro Quadratmeter auf Meereshöhe. Von dieser Energie sind 527 Watt Infrarotstrahlung, 445 Watt sichtbares Licht und 32 Watt ultraviolette Strahlung. Fast die gesamte Infrarotstrahlung im Sonnenlicht ist nahes Infrarot und kürzer als 4 Mikrometer.

Auf der Erdoberfläche besteht bei weitaus niedrigeren Temperaturen als auf der Sonnenoberfläche ein Teil der Wärmestrahlung aus Infrarot im mittleren Infrarotbereich, viel länger als im Sonnenlicht. Schwarzkörper- oder Wärmestrahlung ist jedoch kontinuierlich: Sie gibt Strahlung bei allen Wellenlängen ab. Von diesen natürlichen Wärmestrahlungsprozessen sind nur Blitze und natürliche Brände heiß genug, um viel sichtbare Energie zu erzeugen, und Brände erzeugen weitaus mehr Infrarot als sichtbare Lichtenergie.

Regionen im Infrarot

Im Allgemeinen emittieren Objekte Infrarotstrahlung über ein Spektrum von Wellenlängen, aber manchmal ist nur ein begrenzter Bereich des Spektrums von Interesse, da Sensoren Strahlung normalerweise nur innerhalb einer bestimmten Bandbreite sammeln. Thermische Infrarotstrahlung hat auch eine maximale Emissionswellenlänge, die gemäß dem Wiener Verschiebungsgesetz umgekehrt proportional zur absoluten Temperatur des Objekts ist . Das Infrarotband wird häufig in kleinere Abschnitte unterteilt, obwohl die Aufteilung des IR-Spektrums dadurch zwischen verschiedenen Bereichen variiert, in denen IR verwendet wird.

Sichtbare Grenze

Infrarot, wie der Name andeutet, beginnt im Allgemeinen mit Wellenlängen, die länger sind als für das menschliche Auge sichtbar. Es gibt jedoch keine harte Wellenlängenbeschränkung für das Sichtbare, da die Empfindlichkeit des Auges bei Wellenlängen über etwa 700 nm schnell, aber gleichmäßig abnimmt. Daher können Wellenlängen gesehen werden, die nur länger sind, wenn sie ausreichend hell sind, obwohl sie gemäß den üblichen Definitionen immer noch als Infrarot klassifiziert werden können. Licht von einem Nah-IR-Laser kann daher dunkelrot erscheinen und eine Gefahr darstellen, da es tatsächlich ziemlich hell sein kann. Und selbst IR bei Wellenlängen bis zu 1.050 nm von gepulsten Lasern kann unter bestimmten Bedingungen vom Menschen gesehen werden.

Häufig verwendetes Unterteilungsschema

Ein häufig verwendetes Unterteilungsschema ist:

Abteilungsname Abkürzung Wellenlänge Frequenz Photonenenergie Temperatur Eigenschaften
Nah-Infrarot NIR, IR-A DIN 0,75–1,4  μm 214–400  THz 886–1.653  meV 3,864–2,070  K
(3,591–1,797  ° C )
Definiert durch Wasserabsorption und üblicherweise in der Glasfasertelekommunikation aufgrund geringer Dämpfungsverluste im SiO 2 -Glas ( Silica ) -Medium verwendet. Bildverstärker sind für diesen Bereich des Spektrums empfindlich; Beispiele hierfür sind Nachtsichtgeräte wie Nachtsichtbrillen. Nahinfrarotspektroskopie ist eine weitere häufige Anwendung.
Kurzwelliges Infrarot SWIR, IR-B DIN 1,4–3 μm 100–214 THz 413–886 meV 2.070–966  K
(1.797–693  ° C )
Die Wasseraufnahme steigt bei 1.450 nm signifikant an. Der Bereich von 1.530 bis 1.560 nm ist der dominierende Spektralbereich für die Ferntelekommunikation.
Infrarot mittlerer Wellenlänge MWIR, IR-C DIN ; MidIR. Wird auch als Zwischeninfrarot (IIR) bezeichnet. 3–8 μm 37–100 THz 155–413 meV 966–362  K
(693–89  ° C )
In der Lenkwaffentechnologie ist der 3–5 μm-Teil dieses Bandes das atmosphärische Fenster, in dem die Zielsuchköpfe von passiven IR-Wärmesuchraketen für die Arbeit ausgelegt sind und auf die Infrarotsignatur des Zielflugzeugs, typischerweise des Strahltriebwerks, abzielen Abgasfahne. Dieser Bereich wird auch als thermisches Infrarot bezeichnet.
Langwelliges Infrarot LWIR, IR-C DIN 8–15 μm 20–37 THz 83–155 meV 362–193  K
(89 - –80  ° C )
Der Bereich "Wärmebild", in dem Sensoren ein vollständig passives Bild von Objekten erhalten können, deren Temperatur nur geringfügig höher ist als die von Raumtemperatur - beispielsweise des menschlichen Körpers - und das nur auf thermischen Emissionen basiert und keine Beleuchtung erfordert, wie Sonne, Mond, oder Infrarotstrahler. Diese Region wird auch als "thermisches Infrarot" bezeichnet.
Fernes Infrarot TANNE 15–1.000 μm 0,3–20 THz 1,2–83 meV 193–3  K
(–80,15 - –270,15  ° C )
(siehe auch Ferninfrarotlaser und Ferninfrarot )
Ein Vergleich eines Wärmebildes (oben) und eines normalen Fotos (unten). Die Plastiktüte ist größtenteils transparent für langwelliges Infrarot, aber die Brille des Mannes ist undurchsichtig.

NIR und SWIR werden manchmal als "reflektiertes Infrarot" bezeichnet, während MWIR und LWIR manchmal als "thermisches Infrarot" bezeichnet werden. Aufgrund der Art der Schwarzkörper-Strahlungskurven erscheinen typische "heiße" Objekte wie Auspuffrohre im MW häufig heller als im LW.

CIE-Teilungsschema

Die Internationale Beleuchtungskommission (CIE) empfahl die Aufteilung der Infrarotstrahlung in die folgenden drei Bänder:

Abkürzung Wellenlänge Frequenz
IR-A 700 nm - 1.400 nm
(0,7 μm - 1,4 μm)
215 THz - 430 THz
IR-B 1.400 nm - 3.000 nm
(1,4 μm - 3 μm)
100 THz - 215 THz
IR-C 3.000 nm - 1 mm
(3 μm - 1.000 μm)
300 GHz - 100 THz

ISO 20473-Schema

ISO 20473 legt das folgende Schema fest:

Bezeichnung Abkürzung Wellenlänge
Nah-Infrarot NIR 0,78–3 μm
Mittelinfrarot MIR 3–50 μm
Ferninfrarot TANNE 50–1.000 μm

Astronomie-Teilungsschema

Astronomen teilen das Infrarotspektrum typischerweise wie folgt auf:

Bezeichnung Abkürzung Wellenlänge
Nah-Infrarot NIR 0,7 bis 2,5 μm
Mittelinfrarot MIR 3 bis 25 μm
Ferninfrarot TANNE über 25 μm.

Diese Unterteilungen sind nicht präzise und können je nach Veröffentlichung variieren. Die drei Regionen werden zur Beobachtung unterschiedlicher Temperaturbereiche und damit unterschiedlicher Umgebungen im Weltraum verwendet.

Das in der Astronomie am häufigsten verwendete photometrische System ordnet Großbuchstaben gemäß den verwendeten Filtern Großbuchstaben zu . I, J, H und K decken die Wellenlängen im nahen Infrarot ab; L, M, N und Q beziehen sich auf den mittleren Infrarotbereich. Diese Buchstaben werden allgemein in Bezug auf atmosphärische Fenster verstanden und erscheinen beispielsweise in den Titeln vieler Papiere .

Sensorantwort-Teilungsschema

Auftragung der atmosphärischen Durchlässigkeit in einem Teil des Infrarotbereichs

Ein drittes Schema teilt das Band basierend auf der Reaktion verschiedener Detektoren auf:

  • Nahes Infrarot: von 0,7 bis 1,0 μm (vom ungefähren Ende der Reaktion des menschlichen Auges auf die von Silizium).
  • Kurzwelliges Infrarot: 1,0 bis 3 μm (vom Grenzwert für Silizium bis zum MWIR-Atmosphärenfenster). InGaAs deckt bis ca. 1,8 μm ab; Die weniger empfindlichen Bleisalze bedecken diese Region.
  • Mittelwelliges Infrarot: 3 bis 5 μm (definiert durch das atmosphärische Fenster und bedeckt von Indiumantimonid [InSb] und Quecksilbercadmiumtellurid [HgCdTe] und teilweise von Bleiselenid [PbSe]).
  • Langwelliges Infrarot: 8 bis 12 oder 7 bis 14 μm (dies ist das atmosphärische Fenster, das von HgCdTe und Mikrobolometern abgedeckt wird ).
  • Sehr langwelliges Infrarot (VLWIR) (12 bis ca. 30 μm, bedeckt mit dotiertem Silizium).

Das nahe Infrarot ist der Bereich, dessen Wellenlänge der vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Strahlung am nächsten kommt. mittleres und fernes Infrarot sind zunehmend weiter vom sichtbaren Spektrum entfernt . Andere Definitionen folgen unterschiedlichen physikalischen Mechanismen (Emissionspeaks vs. Banden, Wasserabsorption) und die neuesten folgen technischen Gründen (die üblichen Siliziumdetektoren sind empfindlich gegenüber etwa 1.050 nm, während die Empfindlichkeit von InGaAs bei etwa 950 nm beginnt und zwischen 1.700 und 2.600 endet nm, abhängig von der spezifischen Konfiguration). Derzeit sind keine internationalen Standards für diese Spezifikationen verfügbar.

Der Beginn des Infrarot wird (nach verschiedenen Standards) bei verschiedenen Werten definiert, die typischerweise zwischen 700 nm und 800 nm liegen, aber die Grenze zwischen sichtbarem und infrarotem Licht ist nicht genau definiert. Das menschliche Auge ist deutlich weniger empfindlich gegenüber Licht über einer Wellenlänge von 700 nm, so dass längere Wellenlängen nur unwesentliche Beiträge zu Szenen leisten, die von herkömmlichen Lichtquellen beleuchtet werden. Besonders intensives Licht im nahen IR (z. B. von IR- Lasern , IR-LED-Quellen oder hellem Tageslicht, wobei das sichtbare Licht durch farbige Gele entfernt wird) kann jedoch bis zu ungefähr 780 nm erfasst werden und wird als rotes Licht wahrgenommen. Intensive Lichtquellen mit Wellenlängen von bis zu 1.050 nm können als mattes rotes Leuchten angesehen werden, was zu Schwierigkeiten bei der Beleuchtung von Szenen im Dunkeln im nahen IR führt (normalerweise wird dieses praktische Problem durch indirekte Beleuchtung gelöst). Die Blätter sind im nahen IR besonders hell, und wenn alle sichtbaren Lichtlecks um einen IR-Filter herum blockiert sind und das Auge einen Moment Zeit hat, sich an das extrem schwache Bild anzupassen, das durch einen visuell undurchsichtigen IR-Passing-Fotofilter kommt Es ist möglich, den Holzeffekt zu sehen, der aus IR-leuchtendem Laub besteht.

Telekommunikationsbänder im Infrarot

Bei der optischen Kommunikation wird der verwendete Teil des Infrarotspektrums je nach Verfügbarkeit von Lichtquellen, die Materialien (Fasern) und Detektoren übertragen / absorbieren, in sieben Bänder unterteilt:

Band Deskriptor Wellenlängenbereich
O Band Original 1.260–1.360 nm
E Band Verlängert 1.360–1.460 nm
S Band Kurze Wellenlänge 1.460–1.530 nm
C-Band Konventionell 1.530–1.565 nm
L Band Lange Wellenlänge 1,565–1,625 nm
U Band Ultralange Wellenlänge 1,625–1,675 nm

Das C-Band ist das dominierende Band für Fernkommunikationsnetze . Die S- und L-Bänder basieren auf weniger gut etablierter Technologie und sind nicht so weit verbreitet.

Hitze

Materialien mit höherem Emissionsvermögen scheinen heißer zu sein. In diesem Wärmebild scheint der Keramikzylinder kälter zu sein als sein kubischer Behälter (aus Siliziumkarbid), während sie tatsächlich die gleiche Temperatur haben.

Infrarotstrahlung ist im Volksmund als "Wärmestrahlung" bekannt, aber Licht und elektromagnetische Wellen jeder Frequenz erwärmen Oberflächen, die sie absorbieren. Infrarotlicht von der Sonne macht 49% der Erwärmung der Erde aus, der Rest wird durch sichtbares Licht verursacht, das absorbiert und dann bei längeren Wellenlängen wieder abgestrahlt wird. Laser mit sichtbarem Licht oder ultraviolettemittierendem Licht können Papier aufladen und glühend heiße Objekte emittieren sichtbare Strahlung. Gegenstände bei Raumtemperatur wird emittieren Strahlung konzentriert meist in der 8 bis 25 & mgr; m - Band, aber dies ist nicht unterscheidbar von der Emission von sichtbarem Licht von Glühlampen Objekten und ultravioletten durch noch heiße Gegenstände (siehe schwarzen Körper und Wiensche Verschiebungsgesetz ).

Wärme ist Energie während des Transports, die aufgrund eines Temperaturunterschieds fließt. Im Gegensatz zu Wärme, die durch Wärmeleitung oder Wärmekonvektion übertragen wird , kann sich Wärmestrahlung durch ein Vakuum ausbreiten . Wärmestrahlung ist durch ein bestimmtes Spektrum vieler Wellenlängen gekennzeichnet, die aufgrund der Schwingung seiner Moleküle bei einer bestimmten Temperatur mit der Emission eines Objekts verbunden sind. Wärmestrahlung kann von Objekten mit jeder Wellenlänge emittiert werden, und bei sehr hohen Temperaturen ist diese Strahlung mit Spektren weit über dem Infrarot verbunden, die sich in sichtbare, ultraviolette und sogar Röntgenbereiche (z. B. die Sonnenkorona ) erstrecken. Daher ist die beliebte Assoziation von Infrarotstrahlung mit Wärmestrahlung nur ein Zufall, der auf typischen (vergleichsweise niedrigen) Temperaturen beruht, die häufig in der Nähe der Erdoberfläche auftreten.

Das Konzept des Emissionsvermögens ist wichtig für das Verständnis der Infrarotemissionen von Objekten. Dies ist eine Eigenschaft einer Oberfläche, die beschreibt, wie ihre thermischen Emissionen von der Idee eines schwarzen Körpers abweichen . Zur weiteren Erklärung zeigen zwei Objekte bei derselben physikalischen Temperatur möglicherweise nicht dasselbe Infrarotbild, wenn sie ein unterschiedliches Emissionsvermögen aufweisen. Beispielsweise erscheinen für jeden voreingestellten Emissionsgrad Objekte mit höherem Emissionsgrad heißer und Objekte mit niedrigerem Emissionsgrad kühler (vorausgesetzt, wie dies häufig der Fall ist, dass die Umgebung kühler ist als die betrachteten Objekte). Wenn ein Objekt ein nicht perfektes Emissionsvermögen aufweist, erhält es Eigenschaften des Reflexionsvermögens und / oder der Transparenz, und daher wird die Temperatur der Umgebung teilweise vom Objekt reflektiert und / oder durch dieses übertragen. Wenn sich das Objekt in einer heißeren Umgebung befindet, scheint ein Objekt mit niedrigerem Emissionsgrad bei derselben Temperatur wahrscheinlich heißer zu sein als ein emittierenderes. Aus diesem Grund führt eine falsche Auswahl des Emissionsvermögens und die Nichtberücksichtigung von Umgebungstemperaturen zu ungenauen Ergebnissen bei Verwendung von Infrarotkameras und Pyrometern.


Anwendungen

Nachtsicht

Aktiv-Infrarot-Nachtsicht: Die Kamera beleuchtet die Szene mit Infrarotwellenlängen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind . Trotz einer dunklen Szene mit Hintergrundbeleuchtung liefert die Nachtsicht mit aktivem Infrarot identifizierende Details, wie sie auf dem Bildschirm angezeigt werden.

Infrarot wird in Nachtsichtgeräten verwendet, wenn nicht genügend sichtbares Licht vorhanden ist . Nachtsichtgeräte arbeiten durch einen Prozess, bei dem Umgebungslichtphotonen in Elektronen umgewandelt werden, die dann durch einen chemischen und elektrischen Prozess verstärkt und dann wieder in sichtbares Licht umgewandelt werden. Infrarotlichtquellen können verwendet werden, um das verfügbare Umgebungslicht für die Umwandlung durch Nachtsichtgeräte zu erhöhen und die Sichtbarkeit im Dunkeln zu erhöhen, ohne tatsächlich eine sichtbare Lichtquelle zu verwenden.

Die Verwendung von Infrarotlicht- und Nachtsichtgeräten sollte nicht mit Wärmebildern verwechselt werden , bei denen Bilder basierend auf Unterschieden in der Oberflächentemperatur erzeugt werden, indem Infrarotstrahlung ( Wärme ) erfasst wird, die von Objekten und ihrer Umgebung ausgeht.

Thermografie

Die Thermografie half dabei, das Temperaturprofil des Wärmeschutzsystems des
Space Shuttles während des Wiedereintritts zu bestimmen .

Infrarotstrahlung kann verwendet werden, um die Temperatur von Objekten aus der Ferne zu bestimmen (wenn der Emissionsgrad bekannt ist). Dies wird als Thermografie oder bei sehr heißen oder sichtbaren Objekten im NIR als Pyrometrie bezeichnet . Thermografie (Wärmebild) wird hauptsächlich in militärischen und industriellen Anwendungen eingesetzt, aber die Technologie erreicht den öffentlichen Markt in Form von Infrarotkameras für Autos aufgrund stark reduzierter Produktionskosten.

Thermografische Kameras erfassen Strahlung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums (ca. 900–14.000 Nanometer oder 0,9–14 μm) und erzeugen Bilder dieser Strahlung. Da Infrarotstrahlung von allen Objekten aufgrund ihrer Temperatur gemäß dem Schwarzkörperstrahlungsgesetz emittiert wird, ermöglicht die Thermografie, die eigene Umgebung mit oder ohne sichtbare Beleuchtung zu "sehen". Die von einem Objekt emittierte Strahlungsmenge nimmt mit der Temperatur zu, daher kann man durch Thermografie Temperaturschwankungen erkennen (daher der Name).

Hyperspektrale Bildgebung

Hyperspektraler thermische Infrarotemissionsmessung, ein Außen Scan unter Winterbedingungen, Umgebungstemperatur -15 ° C, mit einer Bild erzeugten Specim LWIR hyperspektralen Abbildungsvorrichtung. Relative Strahlungsspektren von verschiedenen Zielen im Bild sind mit Pfeilen dargestellt. Die Infrarotspektren der verschiedenen Objekte wie der Uhrenverschluss weisen eindeutig unterscheidende Eigenschaften auf. Die Kontraststufe gibt die Temperatur des Objekts an.
Infrarotlicht von der LED einer Fernbedienung, aufgenommen von einer Digitalkamera

Ein Hyperspektralbild ist ein "Bild", das ein kontinuierliches Spektrum über einen weiten Spektralbereich an jedem Pixel enthält. Die hyperspektrale Bildgebung gewinnt im Bereich der angewandten Spektroskopie insbesondere mit NIR-, SWIR-, MWIR- und LWIR-Spektralbereichen zunehmend an Bedeutung. Typische Anwendungen sind biologische, mineralogische, Verteidigungs- und Industriemessungen.

Die hyperspektrale thermische Infrarotbildgebung kann auf ähnliche Weise unter Verwendung einer Thermografiekamera durchgeführt werden , mit dem grundlegenden Unterschied, dass jedes Pixel ein vollständiges LWIR-Spektrum enthält. Folglich kann die chemische Identifizierung des Objekts durchgeführt werden, ohne dass eine externe Lichtquelle wie die Sonne oder der Mond erforderlich ist. Solche Kameras werden typischerweise für geologische Messungen, Außenüberwachung und UAV- Anwendungen eingesetzt.

Andere Bildgebung

In der Infrarotfotografie werden Infrarotfilter verwendet, um das Nahinfrarotspektrum zu erfassen. Digitalkameras verwenden oft Infrarot - Blocker . Billigere Digitalkameras und Kamerahandys verfügen über weniger effektive Filter und können intensives nahes Infrarot "sehen", das als hellviolett-weiße Farbe erscheint. Dies ist besonders ausgeprägt, wenn Sie Bilder von Motiven in der Nähe von IR-hellen Bereichen (z. B. in der Nähe einer Lampe) aufnehmen, bei denen die resultierende Infrarotstörung das Bild auswaschen kann. Es gibt auch eine Technik namens " T-Ray " -Bildgebung, bei der Ferninfrarot- oder Terahertz-Strahlung verwendet wird . Das Fehlen heller Quellen kann die Terahertz-Fotografie schwieriger machen als die meisten anderen Infrarot-Bildgebungstechniken. In letzter Zeit war die Röntgenbildgebung aufgrund einer Reihe neuer Entwicklungen wie der Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie von erheblichem Interesse .

Reflexlichtfotografie in verschiedenen Infrarotspektren zur Veranschaulichung des Erscheinungsbilds bei Änderungen der Lichtwellenlänge.

Verfolgung

Infrarot-Tracking, auch als Infrarot-Homing bezeichnet, bezieht sich auf ein passives Raketenleitsystem , das die Emission elektromagnetischer Strahlung von einem Ziel im infraroten Teil des Spektrums verwendet , um es zu verfolgen. Raketen, die Infrarotsuche verwenden, werden oft als "Wärmesucher" bezeichnet, da Infrarot (IR) knapp unter dem sichtbaren Frequenzspektrum des Lichts liegt und von heißen Körpern stark abgestrahlt wird. Viele Objekte wie Personen, Fahrzeugmotoren und Flugzeuge erzeugen und speichern Wärme und sind daher im Vergleich zu Objekten im Hintergrund besonders in den Infrarotwellenlängen des Lichts sichtbar.

Heizung

Infrarotstrahlung kann als absichtliche Heizquelle verwendet werden. Zum Beispiel wird es in Infrarotsaunen verwendet , um die Insassen zu heizen. Es kann auch in anderen Heizanwendungen verwendet werden, z. B. um Eis von den Tragflächen von Flugzeugen zu entfernen (Enteisung). Beim Kochen wird Infrarotstrahlung verwendet, die als Grillen oder Grillen bezeichnet wird . Ein Energievorteil besteht darin, dass die IR-Energie nur undurchsichtige Objekte wie Lebensmittel und nicht die Luft um sie herum erwärmt.

Infraroterwärmung wird auch in industriellen Herstellungsprozessen immer beliebter, z. B. Aushärten von Beschichtungen, Formen von Kunststoffen, Glühen, Kunststoffschweißen und Drucktrocknen. In diesen Anwendungen ersetzen Infrarotstrahler Konvektionsöfen und Kontaktheizungen.

Die Effizienz wird erreicht, indem die Wellenlänge des Infrarotstrahlers an die Absorptionseigenschaften des Materials angepasst wird.

Kühlung

Eine Vielzahl von Technologien oder vorgeschlagenen Technologien nutzen Infrarotemissionen, um Gebäude oder andere Systeme zu kühlen. Der LWIR-Bereich (8–15 μm) ist besonders nützlich, da etwas Strahlung bei diesen Wellenlängen durch die Atmosphäre in den Weltraum entweichen kann.

Kommunikation

Die IR-Datenübertragung wird auch bei der Nahkommunikation zwischen Computerperipheriegeräten und persönlichen digitalen Assistenten eingesetzt . Diese Geräte entsprechen normalerweise den von IrDA , der Infrared Data Association, veröffentlichten Standards . Fernbedienungen und IrDA-Geräte verwenden Infrarot -Leuchtdioden (LEDs), um Infrarotstrahlung, die von einer Linse konzentriert werden kann, in einen Strahl zu emittieren , den der Benutzer auf den Detektor richtet. Der Strahl wird gemäß einem vom Empfänger interpretierten Code moduliert , dh ein- und ausgeschaltet. Normalerweise wird aus praktischen Gründen sehr nahes IR (unter 800 nm) verwendet. Diese Wellenlänge wird effizient von kostengünstigen Silizium- Fotodioden erfasst , mit denen der Empfänger die erfasste Strahlung in elektrischen Strom umwandelt . Dieses elektrische Signal wird durch ein Hochpassfilter geleitet, das die schnellen Pulsationen aufgrund des IR-Senders beibehält, aber langsam wechselnde Infrarotstrahlung aus dem Umgebungslicht herausfiltert. Infrarotkommunikation ist nützlich für den Innenbereich in Gebieten mit hoher Bevölkerungsdichte. IR dringt nicht in Wände ein und stört daher andere Geräte in angrenzenden Räumen nicht. Infrarot ist die häufigste Methode für Fernbedienungen , um Appliances zu steuern . Infrarot-Fernsteuerungsprotokolle wie RC-5 , SIRC , werden zur Kommunikation mit Infrarot verwendet.

Optischer Richtfunk über Infrarot - Laser kann eine relativ kostengünstige Möglichkeit, eine Kommunikationsverbindung in einem städtischen Gebiet Betrieb mit bis zu 4 Gigabit zu installieren / s, im Vergleich zu den Kosten der Glasfaserkabel vergraben, mit Ausnahme der Strahlenschäden. "Da das Auge keine IR erkennen kann, kann es nicht vorkommen, dass die Augen blinken oder schließen, um Schäden zu verhindern oder zu verringern."

Infrarotlaser werden verwendet, um das Licht für Glasfaserkommunikationssysteme bereitzustellen. Infrarotlicht mit einer Wellenlänge um 1.330 nm (geringste Dispersion ) oder 1.550 nm (beste Transmission) ist die beste Wahl für Standard- Silica- Fasern.

Die IR-Datenübertragung von codierten Audioversionen gedruckter Schilder wird im Rahmen des RIAS- Projekts (Remote Infrared Audible Signage) als Hilfe für sehbehinderte Menschen untersucht . Das Übertragen von IR-Daten von einem Gerät zu einem anderen wird manchmal als Strahlen bezeichnet .

Spektroskopie

Die Infrarot-Schwingungsspektroskopie (siehe auch Nahinfrarot-Spektroskopie ) ist eine Technik, mit der Moleküle durch Analyse ihrer Bestandteile identifiziert werden können. Jede chemische Bindung in einem Molekül schwingt mit einer Frequenz, die für diese Bindung charakteristisch ist. Eine Gruppe von Atomen in einem Molekül (z. B. CH 2 ) kann mehrere Schwingungsmodi aufweisen, die durch die Streck- und Biegebewegungen der gesamten Gruppe verursacht werden. Wenn eine Schwingung zu einer Änderung des Dipols im Molekül führt, absorbiert sie ein Photon mit derselben Frequenz. Die Schwingungsfrequenzen der meisten Moleküle entsprechen den Frequenzen des Infrarotlichts. Typischerweise wird die Technik verwendet, um organische Verbindungen unter Verwendung von Lichtstrahlung aus dem mittleren Infrarot von 4.000–400 cm –1 zu untersuchen . Ein Spektrum aller Absorptionsfrequenzen in einer Probe wird aufgezeichnet. Dies kann verwendet werden, um Informationen über die Probenzusammensetzung hinsichtlich der vorhandenen chemischen Gruppen und auch ihrer Reinheit zu erhalten (zum Beispiel zeigt eine feuchte Probe eine breite OH-Absorption um 3200 cm –1 ). Die Einheit zum Ausdrücken von Strahlung in dieser Anwendung, cm −1 , ist die spektroskopische Wellenzahl . Dies ist die Frequenz geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Dünnschichtmetrologie

In der Halbleiterindustrie kann Infrarotlicht verwendet werden, um Materialien wie dünne Filme und periodische Grabenstrukturen zu charakterisieren. Durch Messen des Reflexionsvermögens von Licht von der Oberfläche eines Halbleiterwafers können der Brechungsindex (n) und der Extinktionskoeffizient (k) über die Forouhi-Bloomer-Dispersionsgleichungen bestimmt werden . Das Reflexionsvermögen des Infrarotlichts kann auch verwendet werden, um die kritische Abmessung, Tiefe und den Seitenwandwinkel von Grabenstrukturen mit hohem Aspektverhältnis zu bestimmen.

Meteorologie

IR-Satellitenbild von Cumulonimbus-Wolken über den Great Plains der Vereinigten Staaten.

Mit Abtastradiometern ausgestattete Wettersatelliten erzeugen Wärme- oder Infrarotbilder, mit denen ein ausgebildeter Analytiker Wolkenhöhen und -typen bestimmen, Land- und Oberflächenwassertemperaturen berechnen und Merkmale der Meeresoberfläche lokalisieren kann. Das Scannen liegt typischerweise im Bereich von 10,3–12,5 μm (IR4- und IR5-Kanäle).

Wolken mit hohen und kalten Spitzen wie Zyklonen oder Cumulonimbuswolken erscheinen rot oder schwarz, niedrigere wärmere Wolken wie Stratus oder Stratocumulus erscheinen blau oder grau, wobei die Zwischenwolken entsprechend schattiert sind. Heiße Landoberflächen werden dunkelgrau oder schwarz angezeigt. Ein Nachteil von Infrarotbildern besteht darin, dass niedrige Wolken wie Stratus oder Nebel eine ähnliche Temperatur wie die umgebende Land- oder Meeresoberfläche haben können und nicht angezeigt werden. Jedoch ist der Unterschied in der Helligkeit des IR4 Kanal (10,3-11,5 um) und dem nahen Infrarotkanal (1,58 bis 1,64 & mgr; m) verwendet wird , können niedrige Trübungs unterscheiden, ein Herstellungs fog Satellitenbild. Der Hauptvorteil von Infrarot besteht darin, dass Bilder nachts erzeugt werden können, so dass eine kontinuierliche Abfolge von Wetterbedingungen untersucht werden kann.

Diese Infrarotbilder können Wirbel oder Wirbel des Ozeans darstellen und Strömungen wie den Golfstrom abbilden, die für die Schifffahrtsindustrie wertvoll sind. Fischer und Landwirte sind daran interessiert, die Land- und Wassertemperaturen zu kennen, um ihre Pflanzen vor Frost zu schützen oder ihren Fang aus dem Meer zu erhöhen. Sogar El Niño- Phänomene können entdeckt werden. Unter Verwendung von farbdigitalisierten Techniken können die grau schattierten Wärmebilder zur leichteren Identifizierung der gewünschten Informationen in Farbe umgewandelt werden.

Der Hauptwasserdampfkanal bei 6,40 bis 7,08 μm kann von einigen Wettersatelliten abgebildet werden und zeigt die Feuchtigkeitsmenge in der Atmosphäre.

Klimatologie

Der Treibhauseffekt mit Molekülen aus Methan, Wasser und Kohlenstoffdiode, die Sonnenwärme zurückstrahlen

Auf dem Gebiet der Klimatologie wird die atmosphärische Infrarotstrahlung überwacht, um Trends im Energieaustausch zwischen Erde und Atmosphäre zu erkennen. Diese Trends liefern Informationen über langfristige Veränderungen des Erdklimas. Es ist neben der Sonnenstrahlung einer der wichtigsten Parameter, die bei der Erforschung der globalen Erwärmung untersucht wurden .

In diesem Forschungsbereich wird ein Pyrgeometer verwendet, um kontinuierliche Messungen im Freien durchzuführen. Dies ist ein Breitband-Infrarotradiometer mit einer Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung zwischen ungefähr 4,5 μm und 50 μm.

Astronomie

Beta Pictoris mit seinem Planeten Beta Pictoris b, dem hellblauen Punkt außerhalb der Mitte, gesehen im Infrarot. Es kombiniert zwei Bilder, die innere Scheibe liegt bei 3,6 μm.

Astronomen beobachten Objekte im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums mit optischen Komponenten wie Spiegeln, Linsen und digitalen Festkörperdetektoren. Aus diesem Grund wird es als Teil der optischen Astronomie klassifiziert . Um ein Bild zu erzeugen, müssen die Komponenten eines Infrarot-Teleskops sorgfältig vor Wärmequellen geschützt werden, und die Detektoren werden mit flüssigem Helium gekühlt .

Die Empfindlichkeit erdbasierter Infrarot-Teleskope wird erheblich durch Wasserdampf in der Atmosphäre begrenzt, der einen Teil der Infrarotstrahlung absorbiert, die aus dem Weltraum außerhalb ausgewählter atmosphärischer Fenster kommt . Diese Einschränkung kann teilweise gelindert werden, indem das Teleskopobservatorium in großer Höhe aufgestellt wird oder indem das Teleskop mit einem Ballon oder einem Flugzeug in die Höhe getragen wird. Weltraumteleskope leiden nicht unter diesem Handicap, weshalb der Weltraum als idealer Ort für die Infrarotastronomie angesehen wird.

Der Infrarotanteil des Spektrums hat für Astronomen mehrere nützliche Vorteile. Kalte, dunkle Molekülwolken aus Gas und Staub in unserer Galaxie leuchten mit abgestrahlter Wärme, wenn sie von eingebetteten Sternen bestrahlt werden. Infrarot kann auch verwendet werden, um Protosterne zu erkennen, bevor sie sichtbares Licht emittieren. Sterne emittieren einen kleineren Teil ihrer Energie im Infrarotspektrum, sodass nahegelegene kühle Objekte wie Planeten leichter erkannt werden können. (Im sichtbaren Lichtspektrum übertönt die Blendung des Sterns das reflektierte Licht eines Planeten.)

Infrarotlicht ist auch nützlich, um die Kerne aktiver Galaxien zu beobachten , die häufig in Gas und Staub gehüllt sind. Bei entfernten Galaxien mit einer hohen Rotverschiebung wird der Spitzenanteil ihres Spektrums in Richtung längerer Wellenlängen verschoben, sodass sie im Infrarotbereich leichter beobachtet werden können.

Infrarotreinigung

Die Infrarotreinigung ist eine Technik, die von einigen Film- , Film- und Flachbettscannern verwendet wird , um die Auswirkung von Staub und Kratzern auf den fertigen Scan zu verringern oder zu entfernen . Dabei wird ein zusätzlicher Infrarotkanal aus dem Scan an derselben Position und Auflösung wie die drei sichtbaren Farbkanäle (Rot, Grün und Blau) erfasst. Der Infrarotkanal wird in Kombination mit den anderen Kanälen verwendet, um die Position von Kratzern und Staub zu erkennen. Einmal lokalisiert, können diese Fehler durch Skalieren korrigiert oder durch Inpainting ersetzt werden .

Kunstkonservierung und -analyse

Ein Infrarot-Reflektogramm von Mona Lisa von Leonardo da Vinci
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Infrarotreflektografie kann auf Gemälde angewendet werden, um darunter liegende Schichten zerstörungsfrei aufzudecken, insbesondere die Unterzeichnung oder den Umriss des Künstlers als Leitfaden. Kunstkonservatoren verwenden die Technik, um zu untersuchen, wie sich die sichtbaren Farbschichten von der Unterzeichnung oder den dazwischen liegenden Schichten unterscheiden (solche Änderungen werden als Pentimenti bezeichnet, wenn sie vom ursprünglichen Künstler vorgenommen werden). Dies ist eine sehr nützliche Information, um zu entscheiden, ob ein Gemälde die Hauptversion des ursprünglichen Künstlers oder eine Kopie ist und ob es durch überbegeisterte Restaurierungsarbeiten verändert wurde. Je mehr Pentimente vorhanden sind, desto wahrscheinlicher ist es im Allgemeinen, dass ein Gemälde die Hauptversion ist. Es gibt auch nützliche Einblicke in die Arbeitspraktiken. Die Reflektographie zeigt oft die Verwendung von Ruß durch den Künstler , die sich gut in Reflektogrammen zeigt, solange sie nicht auch im Boden des gesamten Gemäldes verwendet wurde.

Die jüngsten Fortschritte bei der Entwicklung infrarotempfindlicher Kameras ermöglichen es, nicht nur Untermalungen und Pentimente zu entdecken und darzustellen, sondern auch ganze Gemälde, die später vom Künstler übermalt wurden. Bemerkenswerte Beispiele sind Picasso ‚s Frau Bügel und Blue Room , wo in beiden Fällen ein Porträt eines Mannes hat sichtbar unter der Malerei gemacht worden , wie es heute bekannt ist.

In ähnlicher Weise wird Infrarot von Konservatoren und Wissenschaftlern für verschiedene Arten von Objekten verwendet, insbesondere für sehr alte schriftliche Dokumente wie die Schriftrollen vom Toten Meer , die römischen Werke in der Villa der Papyri und die Seidenstraßentexte in den Dunhuang-Höhlen . In Tinte verwendeter Ruß kann sehr gut auftreten.

Biologische Systeme

Thermografisches Bild einer Schlange, die eine Maus isst

Die Grube Viper hat ein Paar von Infrarot - sensorischen Gruben auf dem Kopf. Es besteht Unsicherheit hinsichtlich der genauen thermischen Empfindlichkeit dieses biologischen Infrarot-Detektionssystems.

Andere Organismen mit thermorezeptiven Organen sind Pythons (Familie Pythonidae ), einige Boas (Familie Boidae ), die Vampirfledermaus ( Desmodus rotundus ), eine Vielzahl von Juwelenkäfern ( Melanophila acuminata ), dunkel pigmentierte Schmetterlinge ( Pachliopta aristolochiae und Troides rhadamantus plateni ). und möglicherweise blutsaugende Insekten ( Triatoma infestans ).

Einige Pilze wie Venturia inaequalis benötigen zum Auswerfen nahes Infrarotlicht

Obwohl das Sehen im nahen Infrarot (780–1.000 nm) aufgrund von Rauschen in visuellen Pigmenten lange Zeit als unmöglich angesehen wurde, wurde bei Karpfen und drei Buntbarschen über die Wahrnehmung von Licht im nahen Infrarot berichtet. Fische verwenden NIR zum Fangen von Beute und zur phototaktischen Schwimmorientierung. Das NIR-Gefühl bei Fischen kann bei schlechten Lichtverhältnissen in der Dämmerung und in trüben Oberflächengewässern relevant sein.

Photobiomodulation

Nahinfrarotlicht oder Photobiomodulation wird zur Behandlung von durch Chemotherapie induzierten oralen Ulzerationen sowie zur Wundheilung verwendet. Es gibt einige Arbeiten im Zusammenhang mit der Behandlung von Herpesviren. Forschungsprojekte umfassen Arbeiten zu Heilungswirkungen des Zentralnervensystems über die Hochregulation der Cytochrom-C-Oxidase und andere mögliche Mechanismen.

Gesundheitsrisiken

Starke Infrarotstrahlung in bestimmten Branchen mit hoher Hitze kann für die Augen gefährlich sein und zu Schäden oder Blindheit für den Benutzer führen. Da die Strahlung unsichtbar ist, muss an solchen Stellen eine spezielle IR-Schutzbrille getragen werden.

Geschichte der Infrarotwissenschaft

Die Entdeckung der Infrarotstrahlung wird zugeschrieben William Herschel , der Astronomen , im frühen 19. Jahrhundert. Herschel veröffentlichte seine Ergebnisse 1800 vor der Royal Society of London . Herschel benutzte ein Prisma , um das Sonnenlicht zu brechen, und detektierte das Infrarot jenseits des roten Teils des Spektrums durch einen Anstieg der auf einem Thermometer aufgezeichneten Temperatur . Er war überrascht über das Ergebnis und nannte sie "Calorific Rays". Der Begriff "Infrarot" tauchte erst Ende des 19. Jahrhunderts auf.

Weitere wichtige Daten sind:

Infrarotstrahlung wurde 1800 von William Herschel entdeckt.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Externe Links