Infrarot


Infrarot (Ir), manchmal genannt Infrarotlicht, ist elektromagnetische Strahlung (EMR) mit Wellenlängen länger als die von sichtbares Licht. Es ist daher für das menschliche Auge unsichtbar. Es wird allgemein als IR verstanden, Wellenlängen von etwa 1 zu umfassenMillimeter (300GHz) zum Nominal rot Rand der sichtbares Spektrum, ungefähr 700Nanometer (430Thz).[1][Überprüfung erforderlich] Längere IR-Wellenlängen (30 μm-100 μm) sind manchmal als Teil der Terahertz Strahlung Angebot.[2] Fast alles Schwarzkörperstrahlung von Objekten in der Nähe der Raumtemperatur liegt bei Infrarotwellenlängen. Als eine Form der elektromagnetischen Strahlung propagiert IR Energie und Schwung, mit Eigenschaften, die entsprechen beide die von a Welle und von a Partikel, das Photon.
Es war seit langem bekannt, dass Brände unsichtbare Hitze aussagen; 1681 der wegweisende Experimentator Edme Mariotte zeigten, dass Glas, obwohl sie transparent bis Sonnenlicht ist, die strahlende Hitze verstopfte.[3][4] 1800 der Astronom Sir William Herschel entdeckt, dass Infrarotstrahlung eine Art unsichtbarer Strahlung im Spektrum in Energie ist als rotes Licht, mittels seiner Wirkung auf a Thermometer.[5] Etwas mehr als die Hälfte der Energie von der Sonne wurde schließlich durch Herschels Studien festgestellt Erde in Form von Infrarot. Das Gleichgewicht zwischen absorbiertem und emittiertem Infrarotstrahlung hat einen wichtigen Effekt auf die Erde Klima.
Infrarotstrahlung wird emittiert oder absorbiert von Moleküle beim Wechseln Rotationsvibration Bewegungen. Es erregt Schwingung Modi in einem Molekül durch eine Veränderung in der Dipolmomentund es zu einem nützlichen Frequenzbereich für die Untersuchung dieser Energiezustände für Moleküle der richtigen Symmetrie. Infrarot-Spektroskopie untersucht die Absorption und Übertragung von Photonen im Infrarotbereich.[6]
Infrarotstrahlung wird in industriellen, wissenschaftlichen, militärischen, gewerblichen und medizinischen Anwendungen eingesetzt. Nachtsichtgeräte mit einer aktiven Beleuchtung von Nahinfrarot-Beleuchtung ermöglichen es Menschen oder Tieren, ohne dass der Beobachter erkannt wird. Infrarot -Astronomie Verwendet Sensor-ausgestattet Teleskope Staubregionen des Raums wie z. Molekulare Wolken, um Objekte wie z. Planetenund um hoch zu sehen rotverschoben Objekte aus den frühen Tagen der Universum.[7] Infrarot-Thermomameras werden verwendet, um den Wärmeverlust in isolierten Systemen zu erfassen, die Änderung des Blutflusses in der Haut zu beobachten und die Überhitzung elektrischer Komponenten zu erkennen.[8]
Militärische und zivile Bewerbungen umfassen Zielerreichung, Überwachung, Nachtsicht, Homingund Verfolgung. Menschen bei normaler Körpertemperatur strahlen hauptsächlich bei Wellenlängen um 10 μm (Mikrometer) aus. Nicht-militärische Verwendungen umfassen thermischen Wirkungsgrad Analyse, Umweltüberwachung, Inspektionen der Industrieanlagen, Erkennung von Erkennung von Wachstum, Ferntemperaturerfassung, Kurzstrecken Kabellose Kommunikation, Spektroskopie, und Wettervorhersage.
Definition und Beziehung zum elektromagnetischen Spektrum
Es gibt keine allgemein anerkannte Definition des Bereichs der Infrarotstrahlung. Normalerweise wird es vom Nominal ausgeweitet rot Rand der sichtbares Spektrum bei 700 Nanometer (nm) bis 1 Millimeter (mm). Dieser Wellenlängenbereich entspricht a Frequenz Bereich von ca. 430 ReichweiteThz bis 300GHz. Jenseits des Infrarots ist der Mikrowellenanteil der elektromagnetisches Spektrum. Zunehmend, Terahertz Strahlung wird als Teil des Mikrowellenbandes gezählt, nicht als Infrarot, wodurch die Bandkante des Infrarots auf 0,1 mm (3 THz) bewegt wird.
Name | Wellenlänge | Frequenz (Hz) | Photonenergie (EV) |
---|---|---|---|
Gamma Ray | weniger als 0,01 nm | mehr als 30 EHz | mehr als 124 kev |
Röntgen | 0,01 nm - 10 nm | 30 PHZ - 30 EHZ | 124 kev - 124 eV |
Ultraviolett | 10 nm - 400 nm | 750 THz - 30 PHZ | 124 eV - 3,3 ev |
Sichtbar | 400 nm - 700 nm | 430 THz - 750 THz | 3.3 eV - 1,7 eV |
Infrarot | 700 nm - 1 mm | 300 GHz - 430 THz | 1,7 ev - 1,24 mev |
Mikrowelle | 1 mm - 1 Meter | 300 MHz - 300 GHz | 1,24 MeV - 1,24 μev |
Radio | 1 Meter und mehr | 300 MHz und darunter | 1,24 μev und darunter |
Natural Infrarot
Sonnenlichtbei einer effektiven Temperatur von 5.780Kelvins (5,510 ° C, 9.940 ° F) besteht aus einer nahezu thermischen Spektrumstrahlung, die etwas mehr als die halbe Infrarot ist. In Zenith bietet Sunlight eine Bestrahlung von knapp über 1Kilowatt pro Quadratmeter auf Meereshöhe. Von dieser Energie ist 527 Watt Infrarotstrahlung, 445 Watt ist sichtbares Lichtund 32 Watt ist Ultraviolett Strahlung.[10] Fast die gesamte Infrarotstrahlung im Sonnenlicht liegt in der Nähe von Infrarot, kürzer als 4 Mikrometer.
Auf der Erdoberfläche, bei weitaus niedrigeren Temperaturen als der Sonnenoberfläche, besteht eine gewisse thermische Strahlung aus Infrarot im mittleren Infrarotbereich, viel länger als im Sonnenlicht. Der Schwarzkörper oder die Wärme ist jedoch kontinuierlich: Es gibt die Strahlung bei allen Wellenlängen ab. Von diesen natürlichen thermischen Strahlungsprozessen sind nur Blitz und natürliche Brände heiß genug, um viel sichtbare Energie zu erzeugen, und Brände produzieren weitaus mehr Infrarot als sichtbare Energie.[11]
Regionen innerhalb des Infrarots
Im Allgemeinen emittieren Objekte Infrarotstrahlung über ein Spektrum von Wellenlängen, aber manchmal ist nur eine begrenzte Region des Spektrums von Interesse, da Sensoren normalerweise nur innerhalb einer bestimmten Bandbreite Strahlung sammeln. Die thermische Infrarotstrahlung hat auch eine maximale Emissionswellenlänge, die umgekehrt proportional zur absoluten Temperatur des Objekts entspricht Wiens Verschiebungsgesetz. Das Infrarotband wird häufig in kleinere Abschnitte unterteilt, obwohl das IR -Spektrum dadurch zwischen verschiedenen Bereichen variiert, in denen IR verwendet wird.
Sichtbare Grenze
Es wird allgemein angesehen, dass Infrarotstrahlung mit Wellenlängen länger als vom menschlichen Auge sichtbar ist. Es gibt jedoch keine schwer Wellenlängengrenze auf das, was sichtbar ist, da die Empfindlichkeit des Auges schnell, aber glatt abnimmt, für Wellenlängen von über 700 nm. Daher ist nur länger Wellenlängen zu sehen, wenn sie ausreichend hell sind, obwohl sie nach üblichen Definitionen immer noch als Infrarot eingestuft werden können. Licht aus einem Nah-IR-Laser kann somit dunkel rot erscheinen und eine Gefahr darstellen, da es tatsächlich ziemlich hell sein kann. Und selbst IR bei Wellenlängen von bis zu 1.050 nm von gepulsten Lasern können unter bestimmten Bedingungen von Menschen gesehen werden.[12][13][14][15]
Häufig verwendetes Unterabteilungsschema
Ein häufig verwendetes Unterabteilungsschema ist:[16][17]
Abteilungsname | Abkürzung | Wellenlänge | Frequenz | Photonenergie | Temperatur[ich] | Eigenschaften |
---|---|---|---|---|---|---|
Nah-Infrarot | Nir, Ir-A LÄRM | 0,75–1,4μm | 214–400Thz | 886–1,653mev | 3.864–2.070K (3.591–1.797° C)) | Geht bis zur Wellenlänge des ersten Wasserabsorptionsbandes und üblicherweise in verwendet in Glasfaser Telekommunikation aufgrund niedriger Dämpfungsverluste im SIO2 Glas (Kieselsäure) Mittel. Bildverstärker sind empfindlich gegenüber diesem Bereich des Spektrums; Beispiele beinhalten Nachtsicht Geräte wie Nachtvisionsbrillen. Nahinfrarotspektroskopie ist eine weitere gemeinsame Anwendung. |
Kurzwellenlänge Infrarot | Swir, Ir-B LÄRM | 1,4–3 μm | 100–214 thz | 413–886 mev | 2.070–966K (1.797–693° C)) | Die Wasserabsorption steigt bei 1.450 nm signifikant an. Der Bereich von 1.530 bis 1.560 nm ist die dominierende Spektralregion für Fern Telekommunikation (siehe Glasfaser-optische Kommunikation#Übertragungsfenster). |
Mittelwellenlänge Infrarot | MWIR, IR-C LÄRM; Midir.[19] Auch als Zwischeninfrarot (IIR) bezeichnet | 3–8 μm | 37–100 thz | 155–413 MeV | 966–362K (693–89° C)) | In der geführten Raketentechnologie ist der 3–5 μm Teil dieses Bandes das atmosphärische Fenster, in dem die Homing -Köpfe passiver IR -Wärme -Raketen für die Arbeit ausgelegt sind, um sich auf den Infrarotsignatur des Zielflugzeugs, typischerweise die Auslassfahne des Strahlmotors. Diese Region ist auch als thermisches Infrarot bekannt. |
Langwellenlänge Infrarot | LWIR, IR-C LÄRM | 8–15 μm | 20–37 thz | 83–155 MeV | 362–193K (89 - –80° C)) | Die "thermische Bildgebung" -Region, in der Sensoren ein völlig passives Bild von Objekten erhalten können, die nur geringfügig höher sind als die Raumtemperatur - zum Beispiel den menschlichen Körper - basierend auf thermischen Emissionen und keine Beleuchtung wie Sonne, Mond, oder Infrarot -Illuminator. Diese Region wird auch als "thermisches Infrarot" bezeichnet. |
Weit infrarot | TANNE | 15–1.000 μm | 0,3–20 THz | 1,2–83 mev | 193–3K (–80,15 - –270,15° C)) | (siehe auch weitinfrariener Laser und weit infrarot)) |


Nir und Swir zusammen werden manchmal als "reflektiertes Infrarot" bezeichnet, während MWIR und LWIR manchmal als "thermisches Infrarot" bezeichnet werden.
CIE -Divisionsschema
Das Internationale Kommission für Beleuchtung (CIE) empfahl die Aufteilung der Infrarotstrahlung in die folgenden drei Bänder:[20]
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 Gibt das folgende Schema an:[21]
Bezeichnung | Abkürzung | Wellenlänge |
---|---|---|
Nah-Infrarot | Nir | 0,78–3 μm |
Mid-Infrarot | Mir | 3–50 μm |
Ferninfrarot | TANNE | 50–1.000 μm |
Astronomie -Abteilungsschema
Astronomen teilen das Infrarotspektrum typischerweise wie folgt:[22]
Bezeichnung | Abkürzung | Wellenlänge |
---|---|---|
Nah-Infrarot | Nir | 0,7 bis 2,5 μm |
Mid-Infrarot | Mir | 3 bis 25 μm |
Ferninfrarot | TANNE | über 25 μm. |
Diese Abteilungen sind nicht präzise und können je nach Publikation variieren. Die drei Regionen werden zur Beobachtung verschiedener Temperaturbereiche und damit unterschiedlichen Umgebungen im Raum verwendet.
Das am häufigsten verwendete photometrische System, das in der Astronomie verwendet wird Briefe an verschiedene Spektralregionen nach verwendeten Filtern; Ich, J, H und K bedecken die nahezu Infrarotwellenlängen; L, M, N und Q beziehen sich auf die Region mit mittlerem Infrarot. Diese Buchstaben werden allgemein in Bezug auf den Hinweis auf verstanden Atmosphärische Fenster und erscheinen zum Beispiel in den Titeln vieler Papiere.
Sensor -Reaktionsabteilungsschema

Ein drittes Schema teilt die Bande basierend auf der Reaktion verschiedener Detektoren:[23]
- Nahinfrarot: von 0,7 bis 1,0 μm (vom ungefähren Ende der Reaktion des menschlichen Auges auf das von Silizium).
- Kurzwellen-Infrarot: 1,0 bis 3 μm (vom Grenzwert von Silizium bis zum MWIR-Atmosphärenfenster). Ingaas Deckt auf etwa 1,8 μm; Die weniger empfindlichen Bleisalze bedecken diese Region. Kryogen gekühlt MCT Detektoren können die Region von 1,0–2,5 abdecken μm.
- Mid-Wave Infrarot: 3 bis 5 μm (definiert durch das atmosphärische Fenster und bedeckt von durch Indium -Antimonid, Insb und Quecksilber Cadmium Telluride, Hgcdte und teilweise von Selenid führen, PBSE).
- Langwelleninfrarot: 8 bis 12 oder 7 bis 14 μm (dies ist das atmosphärische Fenster, das von Hgcdte und bedeckt ist und Mikrobolometer).
- Sehr langwelle Infrarot (VLWIR) (12 bis etwa 30 μm, bedeckt mit dotiertem Silizium).
Nahinfrarot ist der in der Wellenlänge am nächsten stehende Bereich der durch das menschlichen Auge nachweisbaren Strahlung. Mitte und Ferninfrarot sind zunehmend weiter von der sichtbares Spektrum. Andere Definitionen folgen unterschiedlichen physikalischen Mechanismen (Emissionspeaks, gegen Banden, Wasserabsorption) und die neuesten technischen Gründe (die gemeinsamen Silizium Detektoren sind empfindlich gegenüber etwa 1.050 nm IngaasDie Empfindlichkeit beginnt bei 950 nm und endet je nach spezifischer Konfiguration zwischen 1.700 und 2.600 nm). Derzeit sind keine internationalen Standards für diese Spezifikationen verfügbar.
Das Einsetzen von Infrarot wird (nach verschiedenen Standards) bei verschiedenen Werten definiert, typischerweise zwischen 700 nm und 800 nm, die Grenze zwischen sichtbarem und Infrarotlicht ist jedoch nicht genau definiert. Das menschliche Auge ist deutlich weniger empfindlich gegenüber Licht über 700 nm Wellenlänge, sodass längere Wellenlängen unbedeutende Beiträge zu Szenen leisten, die durch häufige Lichtquellen beleuchtet werden. Besonders besonders intensives nahe IR-Licht (z. B. von IR Laser, IR -LED -Quellen oder aus hellem Tageslicht mit dem von farbigen Gelen entfernten sichtbaren Licht) können bis zu ungefähr 780 nm erkannt werden und werden als rotes Licht wahrgenommen. Intensive Lichtquellen, die Wellenlängen liefern, bis zu 1.050 nm können als stumpfes rotes Glühen angesehen werden, was zu einer gewissen Schwierigkeit bei der Nah-IR-Beleuchtung von Szenen im Dunkeln ist (normalerweise wird dieses praktische Problem durch indirekte Beleuchtung gelöst). Die Blätter sind in der Nähe von IR besonders hell, und wenn alle sichtbaren Lichtlecks von rund um einen IR-Filter blockiert sind und das Auge einen Moment Zeit hat, um sich an das extrem schwache Bild anzupassen ist möglich, die zu sehen Holzeffekt Das besteht aus Ir-verglastem Laub.[24]
Telekommunikationsbänder im Infrarot
Im Optische KommunikationDer Teil des verwendeten Infrarotspektrums ist in sieben Banden unterteilt, basierend auf der Verfügbarkeit von Lichtquellen, Sendern/Absorbungsmaterialien (Fasern) und Detektoren:[25]
Band | Deskriptor | Wellenlängenbereich |
---|---|---|
O Band | Original | 1,260–1,360 nm |
E Band | Erweitert | 1,360–1,460 nm |
S Band | Kurze Wellenlänge | 1.460–1.530 nm |
C Bande | Konventionell | 1,530–1,565 nm |
L Band | Lange Wellenlänge | 1,565–1,625 nm |
U Band | Ultralong -Wellenlänge | 1,625–1,675 nm |
Der C-Band ist das dominierende Band für Fernstrecken Telekommunikation Netzwerke. Die S- und L -Bänder basieren auf weniger gut etablierten Technologien und sind nicht so weit verbreitet.
Hitze

Infrarotstrahlung ist im Volksmund als "Wärmestrahlung" bekannt.[26] Aber Licht- und elektromagnetische Wellen jeder Frequenz heizen Oberflächen, die sie absorbieren. Infrarotlicht aus der Sonne macht 49% aus[27] des Erhitzens der Erde, wobei der Rest durch sichtbares Licht verursacht wird, das absorbiert wird und dann bei längeren Wellenlängen neu abgehalten wird. Sichtbares Licht oder Ultraviolett-emittieren Laser Kann Papier und Inkandescent heiße Objekte sichtbare Strahlung emittieren. Objekte im Raum Temperatur Wille emittieren Strahlung konzentriert sich hauptsächlich im 8 bis 25 μm Bande, dies unterscheidet sich jedoch nicht von der Emission von sichtbarem Licht durch Glühlampen und Ultraviolett durch noch heißere Objekte (siehe Schwarzer Körper und Wiens Verschiebungsgesetz).[28]
Hitze ist Energie im Transport, die aufgrund eines Temperaturdifferenz fließt. Im Gegensatz zu Wärme übertragen von durch Wärmeleitung oder Wärmekonvektion, thermische Strahlung kann sich durch a ausbreiten Vakuum. Die thermische Strahlung ist durch ein bestimmtes Spektrum vieler Wellenlängen gekennzeichnet, die aufgrund der Schwingung seiner Moleküle bei einer bestimmten Temperatur mit einer Emission von einem Objekt verbunden sind. Wärmestrahlung kann aus Objekten bei jeder Wellenlänge emittiert werden, und bei sehr hohen Temperaturen ist eine solche Strahlung mit Spektren weit über dem Infrarot verbunden, die sich in sichtbare, ultraviolette und sogar Röntgenregionen erstrecken (z. B. die Solar Corona). Daher ist die populäre Assoziation von Infrarotstrahlung mit thermischer Strahlung nur ein Zufall, der auf typischen (vergleichsweise niedrigen) Temperaturen basiert, die häufig in der Nähe der Oberfläche der Planeten Erde gefunden werden.
Das Konzept von Emissionsvermögen ist wichtig für das Verständnis der Infrarotemissionen von Objekten. Dies ist eine Eigenschaft einer Oberfläche, die beschreibt, wie seine thermischen Emissionen von der Idee von a abweichen Schwarzer Körper. Um weiter zu erklären, zeigen zwei Objekte mit derselben physikalischen Temperatur möglicherweise nicht dasselbe Infrarotbild, wenn sie unterschiedliche Emissionen aufweisen. Beispielsweise erscheinen für jeden voreingestellten Emissionswertwert, Objekte mit höherem Emissionsgrad, und diejenigen mit einem niedrigeren Emissionsgrad erscheinen kühler (vorausgesetzt, wie häufig ist die Umgebung kühler als die Objekte, die angezeigt werden). Wenn ein Objekt weniger als ein perfektes Emissionsvermögen hat, erhält es Eigenschaften von Reflexionsvermögen und/oder Transparenz, und so wird die Temperatur der Umgebung teilweise durch das Objekt reflektiert und/oder übertragen. Wenn sich das Objekt in einer heißeren Umgebung befand, scheint ein niedrigeres Emissionsvermögen Objekt bei der gleichen Temperatur wahrscheinlich heißer zu sein als ein emittierteres. Aus diesem Grund liefert die falsche Auswahl des Emissionsgrads und die Nichtbeachtung der Umwelttemperaturen bei der Verwendung von Infrarotkameras und Pyrometern ungenaue Ergebnisse.
Anwendungen
Nachtsicht

Infrarot wird in Nachtsichtausrüstung verwendet, wenn es nicht ausreicht sichtbares Licht um zu sehen.[29] Nachtsichtgeräte Arbeiten Sie durch einen Prozess, der die Umwandlung von Umgebungslichtphotonen in Elektronen umfasst, die dann durch einen chemischen und elektrischen Prozess verstärkt und dann wieder in sichtbares Licht umgewandelt werden.[29] Infrarot-Lichtquellen können verwendet werden, um das verfügbare Umgebungslicht für die Konvertierung durch Nachtsichtgeräte zu erweitern und die Sichtbarkeit in den Dunkeln zu erhöhen, ohne tatsächlich eine sichtbare Lichtquelle zu verwenden.[29]
Die Verwendung von Infrarot -Licht- und Nachtsichtgeräten sollte nicht verwechselt werden Wärmebildgebung, was Bilder erzeugt, die auf Unterschieden in der Oberflächentemperatur basieren, indem Infrarotstrahlung erfasst (Wärme) das aus Objekten und ihrer Umgebung ausgeht.[30]
Thermografie

Infrarotstrahlung kann verwendet werden, um die Temperatur von Objekten aus der Ferne zu bestimmen (falls das Emissionsvermögen bekannt ist). Dies wird als Thermografie bezeichnet, oder im Fall von sehr heißen Objekten im NIR oder sichtbar wird sie bezeichnet Pyrometrie. Die Thermografie (Wärmebildgebung) 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 Nachweis der Strahlung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums (ungefähr 9.000–14.000 Nanometer oder 9–14 μm) und erzeugen Bilder dieser Strahlung. Da alle Objekte nach ihren Temperaturen nach dem Schwarzkörperstrahlungsgesetz von Infrarotstrahlung emittiert werden, ermöglicht es die Thermografie, die eigene Umgebung mit oder ohne sichtbare Beleuchtung zu "sehen". Die durch ein Objekt emittierte Strahlung nimmt mit der Temperatur zu, daher ermöglicht die Thermografie die Temperaturschwankungen (daher der Name).
Hyperspektrale Bildgebung


Ein hyperspektrales Bild ist ein "Bild", das kontinuierlich enthält Spektrum durch einen breiten Spektralbereich an jedem Pixel. Die hyperspektrale Bildgebung gewinnt auf dem Gebiet der angewendeten Spektroskopie, insbesondere mit NIR-, SWIR-, MWIR- und LWIR -Spektralregionen, an Bedeutung. Typische Anwendungen umfassen biologische, mineralogische, verteidigungs- und industrielle Messungen.
Die hyperspektrale Bildgebung von thermischem Infrarot kann in ähnlicher Weise mit a durchgeführt werden Thermografische Kameramit dem grundlegenden Unterschied, dass jedes Pixel ein volles LWIR -Spektrum enthält. Folglich kann die chemische Identifizierung des Objekts ohne Bedarf an einer externen Lichtquelle wie der Sonne oder des Mondes durchgeführt werden. Solche Kameras werden in der Regel für geologische Messungen, die Überwachung im Freien und für die Überwachung im Freien angewendet Uav Anwendungen.[32]
Andere Bildgebung
Im Infrarotfotografie, Infrarotfilter werden verwendet, um das Nahinfrarot-Spektrum zu erfassen. Digitalkameras Verwenden Sie oft Infrarot Blocker. Billigere Digitalkameras und Kamera -Telefone Haben Sie weniger wirksame Filter und können intensives nahezu Infrarot "sehen", das als hellviolettweiße Farbe erscheint. Dies ist besonders ausgeprägt, wenn Bilder von Themen in der Nähe von IR-Bright-Bereichen (z. B. in der Nähe einer Lampe) fotografiert werden, wo die resultierende Infrarotstörung das Bild ausspülen kann. Es gibt auch eine Technik namens 'Tablett'Bildgebung, die Bildgebung verwendet Ferninfrarot oder Terahertz Strahlung. Mangel an hellen Quellen können die Terahertz -Fotografie schwieriger machen als die meisten anderen Infrarot -Bildgebungstechniken. In jüngster Zeit war die T-Ray-Bildgebung aufgrund einer Reihe neuer Entwicklungen wie z. Terahertz-Zeit-Domänen-Spektroskopie.

Verfolgung
Infrarotverfolgung, auch als Infrarot -Homing bekannt, bezieht sich auf a Passives Raketen -Leitsystem, was das verwendet Emission von einem Ziel von elektromagnetische Strahlung im Infrarotteil der Spektrum um es zu verfolgen. Raketen, die Infrarotsuche verwenden, werden oft als "Wärme-Suchende" bezeichnet, da Infrarot (IR) die Frequenz knapp unter dem sichtbaren Lichtspektrum befindet und von heißen Körpern stark ausgestrahlt wird. Viele Objekte wie Menschen, Fahrzeugmotoren und Flugzeuge erzeugen und halten Wärme und als solche sind in den Infrarotwellenlängen des Lichts im Vergleich zu Objekten im Hintergrund besonders sichtbar.[33]
Heizung

Infrarotstrahlung kann als absichtliche Heizquelle verwendet werden. Zum Beispiel wird es in verwendet Infrarot -Saunen die Insassen heizen. Es kann auch in anderen Heizanwendungen verwendet werden, z.[34] Infrarotstrahlung wird beim Kochen verwendet, das als Braten bekannt ist oder bekannt ist Grillen. Ein Energievorteil ist, dass die IR -Energie nur undurchsichtige Gegenstände wie Lebensmittel und nicht die Luft um sie herum erhitzt.
Die Infrarotheizung wird auch in industriellen Herstellungsprozessen immer beliebter, z. Aushärten von Beschichtungen, Formen von Kunststoffen, Glühen, Plastikschweißen und Drucktrocknung. In diesen Anwendungen ersetzen Infrarotheizungen Konvektionsöfen und Kontaktheizung.
Kühlung
Eine Vielzahl von Technologien oder vorgeschlagenen Technologien nutzen die Infrarotemissionen zu kühlen Gebäuden oder anderen Systemen. Die Region LWIR (8–15 μm) ist besonders nützlich, da einige Strahlung bei diesen Wellenlängen durch die Atmosphäre in den Weltraum entkommen kann.
Kommunikation
Die IR-Datenübertragung wird auch in der kurzfristigen Kommunikation zwischen Computerperipheriegeräten und verwendet persönliche digitale Assistenten. Diese Geräte entsprechen normalerweise den Standards, die von veröffentlicht wurden von Irda, der Infrarot Data Association. Fernbedienungen und IRDA -Geräte verwenden Infrarot Leuchtdioden (LEDs), um Infrarotstrahlung zu emittieren, die durch a konzentriert werden können Linse in einen Strahl, den der Benutzer auf den Detektor zielt. Der Strahl ist moduliert, d.h. ein- und ausgeschaltet, gemäß einem Code, den der Empfänger interpretiert. Normalerweise wird aus praktischen Gründen sehr nahe (unter 800 nm) verwendet. Diese Wellenlänge wird effizient durch kostengünstige Erkennung Silizium Fotodioden, was der Empfänger verwendet, um die erkannte Strahlung in eine umzuwandeln elektrischer Strom. Dieses elektrische Signal wird durch a geleitet Hochpassfilter Dies behält die schnellen Pulsationen aufgrund des IR -Senders bei, filtert jedoch langsam die Infrarotstrahlung aus Umgebungslicht. Infrarotkommunikation ist nützlich für den Einsatz von Innenräumen in Gebieten mit hoher Bevölkerungsdichte. IR dringt nicht in die Wände ein und stört daher nicht andere Geräte in angrenzenden Räumen. Infrarot ist der häufigste Weg für Fernbedienungen Befehlsgeräte. Infrarot -Fernbedienungsprotokolle wie RC-5, SIRC, werden verwendet, um mit Infrarot zu kommunizieren.
Optische Kommunikation freier Raum Verwenden von Infrarot Laser Kann eine relativ kostengünstige Möglichkeit sein, eine Kommunikationsverbindung in einem städtischen Gebiet mit bis zu 4 Gigabit/s zu installieren, verglichen mit den Kosten für das Graben des Glasfaserkabels, mit Ausnahme der Strahlungsschäden. "Da das Auge IR nicht erkennen kann, blinzelt oder schließt es die Augen, um zu verhindern oder Schäden zu verringern."[35]
Infrarot -Laser werden verwendet, um das Licht für die Bereitstellung Glasfaser Kommunikationssysteme. Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von rund 1.330 nm (am wenigsten Dispersion) oder 1.550 nm (bestes Getriebe) sind die besten Auswahlmöglichkeiten für Standard Kieselsäure Fasern.
IR -Datenübertragung von codierten Audioversionen von gedruckten Zeichen wird als Hilfe für sehbehinderte Personen durch die untersucht Rias (Ferninfrarot -Audible -Beschilderung) Projekt. Die Übertragung von IR -Daten von einem Gerät auf ein anderes wird manchmal als bezeichnet als strahlend.
Spektroskopie
Infrarotschwingungsspektroskopie (siehe auch Nahinfrarotspektroskopie) ist eine Technik, die verwendet werden kann, um Moleküle durch Analyse ihrer konstituierenden Bindungen zu identifizieren. Jede chemische Bindung in einem Molekül vibriert in einer Frequenz, die für diese Bindung charakteristisch ist. Eine Gruppe von Atomen in einem Molekül (z. B. CH2) können mehrere Schwingungsmodi aufweisen, die durch die Dehnungs- und Biegebewegungen der Gruppe als Ganzes verursacht werden. Wenn eine Schwingung zu einer Änderung in der Veränderung führt Dipol Im Molekül absorbiert es a Photon Das hat die gleiche Frequenz. Die Schwingungsfrequenzen der meisten Moleküle entsprechen den Frequenzen von Infrarotlicht. Typischerweise wird die Technik zum Lernen verwendet organische Verbindungen Verwendung von Lichtstrahlung vom mittleren Infrarot 4.000–400 cm–1. Ein Spektrum aller Absorptionsfrequenzen in einer Probe wird aufgezeichnet. Dies kann verwendet werden, um Informationen über die Probenzusammensetzung in Bezug auf die vorhandenen chemischen Gruppen und ihre Reinheit zu erhalten (z. B. wird eine nasse Probe eine breite O-H-Absorption um 3200 cm zeigen–1). Die Einheit zum Ausdrücken von Strahlung in dieser Anwendung, CM–1, ist das spektroskopisch Wellenzahl. Es ist die Frequenz geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
Dünnfilmmetrologie
In der Halbleiterindustrie kann Infrarotlicht verwendet werden, um Materialien wie Dünnfilme und periodische Grabenstrukturen zu charakterisieren. Durch Messung des Lichtreflexionsvermögens von der Oberfläche eines Halbleiterwafers kann der Brechungsindex (n) und der Aussterbenkoeffizient (k) über die bestimmt werden Forouhi -Bloomer -Dispersionsgleichungen. Das Reflexionsvermögen des Infrarotlichts kann auch verwendet werden, um die kritische Dimension, Tiefe und den Seitenwandwinkel der Grabenstrukturen mit hohem Aspektverhältnis zu bestimmen.
Meteorologie

Wettersatelliten Ausgestattet mit Scan -Radiometern erzeugen thermische oder Infrarotbilder, mit denen ein trainierter Analytiker die Wolkenhöhen und -typen bestimmen, Land- und Oberflächenwassertemperaturen berechnen und die Oberflächenmerkmale der Meeres lokalisieren können. Das Scannen liegt typischerweise im Bereich von 10,3–12,5 μm (IR4- und IR5 -Kanäle).
Wolken mit hohen und kalten Tops, wie z. Zyklone oder Cumulonimbus -Wolken, werden oft als rot oder schwarze, niedrigere wärmere Wolken angezeigt, wie z. Stratus oder Stratocumulus werden als blau oder grau angezeigt, mit mittleren Wolken entsprechend. Heiße Landflächen werden als dunkelgrau oder schwarz dargestellt. Ein Nachteil der Infrarotbilder ist die niedrige Wolke wie Stratus oder Nebel Kann eine ähnliche Temperatur wie das umgebende Land oder die Meeresoberfläche haben und zeigt sich nicht. Unter Verwendung der Helligkeit der Helligkeit des IR4-Kanals (10,3–11,5 μm) und des Nahinfrarotkanals (1,58–1,64 μm) kann jedoch eine niedrige Wolke unterschieden werden, wodurch a produziert werden können. Nebel Satellitenbild. Der Hauptvorteil von Infrarot besteht darin, dass nachts Bilder produziert werden können, sodass eine kontinuierliche Abfolge von Wetter untersucht werden kann.
Diese Infrarotbilder können Ozeanwirbel oder Wirbel und Kartströme wie den Golfstrom darstellen, die für die Schifffahrtsbranche wertvoll sind. Fischer und Landwirte sind daran interessiert, Land- und Wassertemperaturen zu kennen, um ihre Ernten vor Frost zu schützen oder ihren Fang vom Meer zu erhöhen. Eben El Niño Phänomene können entdeckt werden. Mit farbig-digitalisierten Techniken können die grau-schattierten thermischen Bilder in Farbe umgewandelt werden, um die gewünschten Informationen zu identifizieren.
Der Hauptwasserdampfkanal bei 6,40 bis 7,08 μm kann von einigen Wettersatelliten abgebildet werden und zeigt die Feuchtigkeitsmenge in der Atmosphäre.
Klimatologie

Im Bereich der Klimatologie wird die atmosphärische Infrarotstrahlung überwacht, um Trends im Energieaustausch zwischen der Erde und der Atmosphäre zu erkennen. Diese Trends liefern Informationen zu langfristigen Veränderungen im Erdklima. Es ist einer der primären Parameter, die in der Forschung untersucht wurden Erderwärmung, zusammen mit Sonnenstrahlung.
A Pyrgeometer wird in diesem Bereich der Forschung verwendet, um kontinuierliche Outdoor -Messungen durchzuführen. Dies ist ein Breitband -Infrarot -Radiometer mit Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung zwischen ungefähr 4,5 μm und 50 μm.
Astronomie

Astronomen beobachten Objekte im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums unter Verwendung optischer Komponenten, einschließlich Spiegel, Linsen und digitalen Festkörperdetektoren. Aus diesem Grund wird es als Teil von klassifiziert Optische Astronomie. Um ein Bild zu bilden, müssen die Komponenten eines Infrarot -Teleskops sorgfältig vor Wärmequellen abgeschirmt werden, und die Detektoren werden mit Flüssigkeit gekühlt Helium.
Die Empfindlichkeit von Erde auf Infrarot-Teleskopen ist durch Wasserdampf in der Atmosphäre signifikant begrenzt, wodurch ein Teil der Infrarotstrahlung absorbiert Atmosphärische Fenster. Diese Einschränkung kann teilweise gelindert werden, indem das Teleskop -Observatorium in großer Höhe oder durch Tragen des Teleskops mit einem Ballon oder einem Flugzeug hoch gelegt wird. Weltraumteleskope leiden nicht unter diesem Handicap, und so wird der Weltraum als idealer Ort für die Infrarot -Astronomie angesehen.
Der Infrarotanteil des Spektrums hat mehrere nützliche Vorteile für Astronomen. Kalt, dunkel Molekulare Wolken Von Gas und Staub in unserer Galaxie leuchten sie mit abgerundeter Hitze, da sie durch eingebettete Sterne bestrahlt werden. Infrarot kann auch zum Nachweis verwendet werden Protostars Bevor sie anfangen, sichtbares Licht zu emittieren. Sterne emittieren einen kleineren Teil ihrer Energie im Infrarotspektrum, so dass in der Nähe coole Objekte wie Planeten kann leichter erkannt werden. (Im sichtbaren Lichtspektrum übertönt der Blick des Sterns das reflektierte Licht von einem Planeten.)
Infrarotlicht ist auch nützlich, um die Kerne von zu beobachten Aktive Galaxien, die oft in Gas und Staub gehüllt sind. Entfernte Galaxien mit einem hohen Rotverschiebung wird den Spitzenteil ihres Spektrums in Richtung längerer Wellenlängen verschieben, sodass sie im Infrarot leichter beobachtet werden.[7]
Infrarotreinigung
Infrarotreinigung ist eine Technik, die von einigen verwendet wird Kinofilmscanner, Filmscanner und Flachbettscanner die Wirkung von Staub und Kratzern auf die Fertiger zu reduzieren oder zu entfernen Scan. Es erfolgt, indem es einen zusätzlichen Infrarotkanal aus dem Scan an derselben Position und Auflösung wie die drei sichtbaren Farbkanäle (rot, grün und blau) sammelt. Der Infrarotkanal in Kombination mit den anderen Kanälen wird verwendet, um die Position von Kratzern und Staub zu erkennen. Sobald diese Defekte gefunden wurden, können diese Defekte durch Skalierung korrigiert oder durch ersetzt werden Inpainting.[36]
Erhaltung und Analyse der Kunst


Infrarot -Reflexionografie[37] kann auf Gemälde angewendet werden, um die zugrunde liegenden Schichten auf nicht zerstörerische Weise zu enthüllen, insbesondere des Künstlers unterziehen oder umrissen als Leitfaden. Kunstkonservatoren verwenden die Technik, um untersuchen pentimenti wenn der ursprüngliche Künstler gemacht wird). Dies ist sehr nützliche Informationen bei der Entscheidung, ob ein Gemälde das ist Prime -Version vom ursprünglichen Künstler oder einer Kopie, und ob es durch überbegeisterte Restaurierungsarbeiten geändert wurde. Je mehr Pentiment, desto wahrscheinlicher ist es, dass ein Gemälde die Hauptversion ist. Es gibt auch nützliche Einblicke in die Arbeitspraktiken.[38] Reflexionografie zeigt oft die Verwendung des Künstlers von durch den Künstler Kohlenschwarz, was in Reflexionogrammen gut auftaucht, solange es nicht auch in dem Boden verwendet wurde, der dem gesamten Gemälde zugrunde liegt.
Die jüngsten Fortschritte bei der Gestaltung von infrarotempfindlichen Kameras ermöglichen es, nicht nur Unterlager und Pentimenti zu entdecken und darzustellen, sondern auch ganze Gemälde, die später vom Künstler überpackt wurden.[39] Bemerkenswerte Beispiele sind Picasso's Frau bügeln und Blaues Zimmer, wo in beiden Fällen ein Porträt eines Mannes unter dem Gemälde sichtbar gemacht wurde, wie es heute bekannt ist.
Ähnliche Verwendungen von Infrarot werden von Konservatoren und Wissenschaftlern in verschiedenen Arten von Objekten hergestellt, insbesondere von sehr alten schriftlichen Dokumenten wie dem Totmeer -Schriftrollen, die römischen Arbeiten in der Villa der Papyriund die Seidenstraßentexte in der Dunhuang -Höhlen.[40] In Tinte verwendetes Carbonschwarz kann sehr gut angezeigt werden.
Biologische Systeme

Das Pit Viper Hat ein Paar sensorische Infrarotgruben auf dem Kopf. Es besteht Unsicherheit in Bezug auf die genaue thermische Empfindlichkeit dieses biologischen Infrarot -Nachweissystems.[41][42]
Andere Organismen mit thermorezeptiven Organen sind Pythons (Familie Pythonidae), einige Boas (Familie Boidae), das Gemeinsamer Vampirfledermaus (Desmodus rotundus), eine Vielzahl von Juwelenkäfer (Melanophila acuminata),[43] dunkel pigmentierte Schmetterlinge (Pachliopta Aristolochiae und Troides rhadamantus platteni) und möglicherweise blutsaugende Käfer (Triatom infestans).[44]
Einige Pilze mögen Venturia inaequalis Erfordern Sie ein nahezu Infrarotlicht zum Auslösen.[45]
Obwohl die Sehvermögen des nahezu Infrarots (780–1.000 nm) aufgrund von Rauschen in visuellen Pigmenten seit langem als unmöglich angesehen wird,[46] Das Gefühl von Nahinfrarotlicht wurde in den gemeinsamen Karpfen und bei drei Cichlid-Arten berichtet.[46][47][48][49][50] Fische verwenden NIR, um Beute zu erfassen[46] und für die phototaktische Schwimmorientierung.[50] NIR -Sensation bei Fischen kann unter schlechten Beleuchtungsbedingungen während der Dämmerung relevant sein[46] und in trüben Oberflächengewässern.[50]
Photobiomodulation
Leinwandleuchten oder Photobiomodulation, wird zur Behandlung von Chemotherapie-induzierten oralen Ulzerationen sowie Wundheilung verwendet. Es gibt einige Arbeiten in Bezug auf die Behandlung von Anti-Herpes-Viren.[51] Forschungsprojekte umfassen Arbeiten zur Heilungseffekte des Zentralnervensystems über Cytochrom -C -Oxidase -Hochregulation und andere mögliche Mechanismen.[52]
Gesundheitsrisiken
Eine starke Infrarotstrahlung in bestimmten Branchen-Einstellungen mit hoher Heizung kann den Augen gefährlich sein, was zu Schäden oder Blindheit für den Benutzer führt. Da die Strahlung unsichtbar ist, müssen an solchen Orten eine spezielle ir-bewährte Schutzbrille getragen werden.[53]
Geschichte der Infrarotwissenschaft
Die Entdeckung der Infrarotstrahlung wird auf William Herschel, das Astronomim frühen 19. Jahrhundert. Herschel veröffentlichte seine Ergebnisse im Jahr 1800 vor dem Royal Society of London. Herschel benutzte a Prisma zu brechen Licht aus dem Sonne und entdeckte das Infrarot, jenseits der rot Teil des Spektrums durch eine Erhöhung der auf a aufgezeichneten Temperatur Thermometer. Er war überrascht über das Ergebnis und nannte sie "Kalorienstrahlen".[54][55] Der Begriff "Infrarot" erschien erst Ende des 19. Jahrhunderts.[56]
Weitere wichtige Daten sind:[23]

- 1830: Leopoldo Nobili machte den ersten Thermopile IR -Detektor.[57]
- 1840: John Herschel erzeugt das erste thermische Bild, genannt a Thermogramm.[58]
- 1860: Gustav Kirchhoff formulierte die Blackbody Theorem .[59]
- 1873: Willoughby Smith entdeckte die Photokonduktivität von Selen.[60]
- 1878: Samuel Pierpont Langley erfindet den ersten Bolometer, ein Gerät, das kleine Temperaturschwankungen messen kann, und damit die Leistung von Ferninfrarotquellen.[61]
- 1879: Stefan -Boltzmann Law empirisch formuliert, dass die durch einen Schwarzen ausgestrahlte Leistung proportional zu ist T4.[62]
- 1880er und 1890er Jahre: Lord Rayleigh und Wilhelm Wien Löste einen Teil der Blackbody -Gleichung, aber beide Lösungen divergierten in Teilen des elektromagnetischen Spektrums. Dieses Problem wurde als "das" genannt "Ultraviolette Katastrophe und Infrarotkatastrophe ".[63]
- 1892: Willem Henri Julius veröffentlichte Infrarotspektren von 20 organischen Verbindungen, gemessen mit einem Bolometer in Einheiten mit Winkelverschiebung.[64]
- 1901: Max Planck veröffentlichte die Schwarzkörpergleichung und Theorem. Er löste das Problem, indem er die zulässigen Energieübergänge quantisierte.[65]
- 1905: Albert Einstein entwickelte die Theorie der photoelektrischer Effekt.[66]
- 1905–1908: William Coblentz veröffentlichte Infrarotspektren in Wellenlängeneinheiten (Mikrometer) für mehrere chemische Verbindungen in Untersuchungen von Infrarotspektren.[67][68][69]
- 1917: Theodore -Fall entwickelte die THALOUSSULFID Detektor; Der britische Wissenschaftler baute den ersten auf Infrarotsuche und Track (Erst) Gerät in der Lage, Flugzeuge in einer Reichweite von 1,6 km (1,6 km) zu erfassen.
- 1935: Blei Salz - Frühe Raketenanleitung in Zweiter Weltkrieg.
- 1938: Yeou Ta sagte voraus, dass der pyroelektrische Effekt zum Nachweis von Infrarotstrahlung verwendet werden könnte.[70]
- 1945: die Zielgerät 1229 Das "Vampir" -Frarot -Waffensystem wurde als erstes tragbares Infrarotgerät für militärische Anwendungen eingeführt.
- 1952: Heinrich Welker wurde synthetisch Insb Kristalle.
- 1950er und 1960er Jahre: Nomenklatur und radiometrische Einheiten, definiert von Fred Nicodemenus, G. J. Zissis und R. Clark; Robert Clark Jones definiert D*.
- 1958: W. D. Lawson (Royal Radar Establishment in Malvern) entdeckte IR -Erkennungseigenschaften von Quecksilber Cadmium Telluride (Hgcdte).[71]
- 1958: Falke und Sidewinder Die Raketen wurden unter Verwendung der Infrarot -Technologie entwickelt.
- 1960er Jahre: Paul Kruse und seine Kollegen bei Honeywell Research Center Demonstrieren Sie die Verwendung von HGCDTE als effektive Verbindung zur Erkennung von Infrarot.[71]
- 1962: J. Cooper zeigte den pyroelektrischen Nachweis.[72]
- 1964: W. G. Evans entdeckte Infrarot -Thermorezeptoren in einem pyrophilen Käfer.[43]
- 1965: Erstes IR -Handbuch; Erste kommerzielle Imager (Barnes, Agema (jetzt Teil von FLIR -Systeme Inc.)); Richard Hudsons wegweisendes Text; F4 Straßenbahn Flir von Hughes; Phänomenologische Pionierin von Fred Simmons und A. T. Treppe; Das Nachtvisionslabor der US -Armee bildete sich (jetzt Nachtsicht und elektronische Sensoren Direktion (Nvesd)) und Rachets entwickelt dort Erkennung, Erkennung und Identifizierung.
- 1970: Willard Boyle und George E. Smith Vorgeschlagene CCD bei Bell Labs zum Bildtelefon.
- 1973: Common Modul -Programm gestartet von nvesd.[73]
- 1978: Die Astronomie der Infrarot -Bildgebung wurde altert, Observatorien geplant, Irtf auf Mauna Kea eröffnete; 32 × 32 und 64 × 64 Arrays, die mit INSB, HGCDTE und anderen Materialien erzeugt werden.
- 2013: Am 14. Februar entwickelten Forscher a neuronales Implantat das gibt Ratten Die Fähigkeit, Infrarotlicht zu erkennen, das zum ersten Mal liefert lebende Kreaturen mit neuen Fähigkeiten, anstatt die bestehenden Fähigkeiten einfach zu ersetzen oder zu erweitern.[74]
Siehe auch
Anmerkungen
- ^ Temperaturen von schwarzen Körpern, für die spektrale Peaks auf die angegebenen Wellenlängen fallen, gemäß der Wellenlängenform von Wiens Verschiebungsgesetz[18]
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Externe Links
- Infrarot: Eine historische Perspektive (Omega Engineering)
- Infrarot Data Association, eine Standardorganisation für Infrarotdatenverbindung
- SIRC -Protokoll
- So bauen Sie einen USB -Infrarotempfänger auf, um PCs aus der Ferne zu steuern
- Infrarotwellen: Detaillierte Erklärung des Infrarotlichts. (NASA)
- Herschels Originalpapier aus dem Jahr 1800, in dem die Entdeckung des Infrarotlichts angekündigt wurde
- Die Bibliothek der Thermografie, Sammlung von Thermogramm
- Infrarotreflexionsreflexion bei der Analyse von Gemälden bei Colourlex
- Molly Faries, Techniken und Anwendungen - Analytische Fähigkeiten der Infrarotreflexion: Die Perspektive eines Kunsthistorikers, in der wissenschaftlichen Untersuchung der Kunst: moderne Techniken in der Erhaltung und Analyse, Sackler NAS Colloquium, 2005