Инфракрасный

Чтобы узнать о других значениях, см. Инфракрасный (значения) .

Изображение двух людей в искусственных цветах , полученное в длинноволновом инфракрасном (тепловом) излучении температуры тела.

Это псевдоцветное изображение инфракрасного космического телескопа имеет синий, зеленый и красный цвета, соответствующие длинам волн 3,4, 4,6 и 12 мкм соответственно.

Инфракрасное излучение ( ИК ; иногда его называют инфракрасным светом ) — это электромагнитное излучение (ЭМИ) с длинами волн длиннее, чем у видимого света, но короче, чем у микроволн . Инфракрасный спектральный диапазон начинается с волн, которые чуть длиннее, чем волны красного света (самые длинные волны в видимом спектре ), поэтому ИК-излучение невидимо для человеческого глаза. Обычно под ИК понимают длины волн от 750 нм (400 ТГц ) до 1 мм (300 ГГц ). ИК обычно разделяют на более длинноволновое тепловое ИК, излучаемое наземными источниками, и более коротковолновое ИК или ближнее ИК, часть солнечного спектра . Более длинные волны ИК-излучения (30–100 мкм) иногда включают в диапазон терагерцового излучения . Почти все излучение черного тела от объектов с температурой около комнатной находится в ИК-диапазоне. Как форма электромагнитного излучения, ИК переносит энергию и импульс , оказывает давление и имеет свойства, соответствующие свойствам волны — и частицы фотона радиационное .

Давно было известно, что пожары излучают невидимое тепло ; в 1681 году экспериментатор-новатор Эдм Мариотт показал, что стекло, хотя и прозрачное для солнечного света, препятствует лучистому теплу. В 1800 году астроном сэр Уильям Гершель обнаружил, что инфракрасное излучение представляет собой разновидность невидимого излучения в спектре с меньшей энергией, чем красный свет путем воздействия на термометр . энергии Исследования Гершеля в конечном итоге показали, что чуть больше половины солнечной поступает на Землю в форме инфракрасного излучения. Баланс между поглощаемым и излучаемым инфракрасным излучением оказывает важное влияние на климат Земли .

Инфракрасное излучение излучается или поглощается молекулами при изменении вращательно-колебательных движений. Он возбуждает колебательные моды в молекуле посредством изменения дипольного момента , что делает его полезным диапазоном частот для изучения этих энергетических состояний молекул правильной симметрии. Инфракрасная спектроскопия исследует поглощение и передачу фотонов в инфракрасном диапазоне.

Инфракрасное излучение используется в промышленных, научных, военных, коммерческих и медицинских целях. Приборы ночного видения, использующие активную ближнюю инфракрасную подсветку, позволяют наблюдать за людьми или животными без обнаружения наблюдателя. Инфракрасная астрономия оснащенные датчиками, использует телескопы, для проникновения в пыльные области космоса, такие как молекулярные облака , для обнаружения таких объектов, как планеты , и для наблюдения за сильно смещенными в красную сторону объектами из первых дней существования Вселенной . Инфракрасные тепловизионные камеры используются для обнаружения потерь тепла в изолированных системах, для наблюдения за изменением кровотока в коже, для оказания помощи при пожаротушении и для обнаружения перегрева электрических компонентов. Военные и гражданские приложения включают обнаружение целей , наблюдение , ночное видение , самонаведение и отслеживание. Люди с нормальной температурой тела излучают в основном волны с длиной волны около 10 мкм. Невоенное использование включает тепловой эффективности анализ , мониторинг окружающей среды, проверки промышленных объектов, обнаружение растений ближнего действия , дистанционное измерение температуры, беспроводную связь , спектроскопию и прогнозирование погоды .

Определение и связь с электромагнитным спектром

Общепринятого определения диапазона инфракрасного излучения не существует. Обычно за него принимают расстояние от номинального красного края видимого спектра при 700 нм до 1 мм. Этот диапазон длин волн соответствует диапазону частот примерно от 430 ТГц до 300 ГГц. За инфракрасным излучением находится микроволновая часть электромагнитного спектра . Терагерцовое излучение все чаще считается частью микроволнового диапазона, а не инфракрасного, в результате чего граница инфракрасного диапазона сдвигается на 0,1 мм (3 ТГц).

Легкое сравнение

Имя	Длина волны	Частота (Гц)	Энергия фотона (эВ)
Гамма-лучи	менее 22:00	более 30 ЭГц	более 124 кэВ
рентген	22:00 – 10 морских миль	30 ФГц – 30 ЭГц	124 кэВ - 124 эВ
Ультрафиолетовый	10 нм – 400 нм	750 ТГц – 30 ФГц	124 эВ – 3,3 эВ
Видимый	400–700 нм	430 ТГц – 750 ТГц	3,3 эВ – 1,7 эВ
Инфракрасный	700 нм – 1 мм	300 ГГц – 430 ТГц	1,7 эВ – 1,24 мэВ
Микроволновая печь	1 мм – 1 метр	300 МГц – 300 ГГц	1,24 мэВ – 1,24 мкэВ
Радио	1 метр и более	300 МГц и ниже	1,24 мкэВ и ниже

Природа

Солнечный свет с эффективной температурой 5780 К (5510 °C, 9940 °F) состоит из излучения ближнего теплового спектра, составляющего чуть более половины инфракрасного спектра. В зените солнечный свет обеспечивает интенсивность излучения чуть более 1 кВт на квадратный метр на уровне моря. Из этой энергии 527 Вт — инфракрасное излучение, 445 Вт — видимый свет и 32 Вт — ультрафиолетовое излучение. Почти все инфракрасное излучение солнечного света близко к инфракрасному, короче 4 мкм.

На поверхности Земли, при гораздо более низких температурах, чем на поверхности Солнца, некоторое тепловое излучение состоит из инфракрасного излучения в средней инфракрасной области, что намного дольше, чем у солнечного света. Чернотельное или тепловое излучение является непрерывным: оно излучает на всех длинах волн. Из этих естественных процессов теплового излучения только молния и естественные пожары достаточно горячие, чтобы производить много видимой энергии, а пожары производят гораздо больше инфракрасной энергии, чем энергии видимого света.

Регионы

В целом объекты излучают инфракрасное излучение в широком спектре длин волн, но иногда интерес представляет только ограниченная область спектра, поскольку датчики обычно собирают излучение только в пределах определенной полосы пропускания. Тепловое инфракрасное излучение также имеет максимальную длину волны излучения, которая обратно пропорциональна абсолютной температуре объекта в соответствии с законом смещения Вина . Инфракрасный диапазон часто подразделяется на более мелкие участки, хотя способ разделения ИК-спектра варьируется в зависимости от различных областей, в которых используется ИК.

Видимый предел

Обычно считается, что инфракрасное излучение начинается с длин волн, превышающих видимую человеческим глазом. Не существует жесткого ограничения длины волны видимого света, поскольку чувствительность глаза быстро, но плавно снижается для длин волн, превышающих примерно 700 нм. Поэтому длины волн чуть более длинные можно увидеть, если они достаточно яркие, хотя согласно обычным определениям их все равно можно классифицировать как инфракрасные. Таким образом, свет лазера ближнего ИК-диапазона может казаться тусклым красным и представлять опасность, поскольку на самом деле он может быть довольно ярким. И даже ИК-излучение на длинах волн до 1050 нм от импульсных лазеров при определенных условиях может быть увидено человеком.

Часто используемая схема подразделения

Обычно используемая схема подразделения:

Название подразделения	Аббревиатура	Длина волны	Частота	Фотонная энергия	Температура	Характеристики
Ближний инфракрасный диапазон	БИК, ИК-А DIN	0,75–1,4 мкм	214–400 ТГц	886–1653 мэВ	3864–2070 К (3591–1797 ° С )	Доходит до длины волны первой полосы поглощения воды и обычно используется в волоконно-оптической телекоммуникации из-за низких потерь затухания в среде SiO 2 стекла ( кремнезема ). Усилители изображения чувствительны к этой области спектра; примеры включают устройства ночного видения, такие как очки ночного видения. спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона Еще одним распространенным применением является .
Коротковолновое инфракрасное излучение	SWIR, IR-B DIN	1,4–3 мкм	100–214 ТГц	413–886 мэВ	2070–966 К (1797–693 ° С )	Водопоглощение значительно увеличивается при длине волны 1450 нм. Диапазон от 1530 до 1560 нм является доминирующей областью спектра для дальней связи (см. « Окна передачи» ).
Средневолновой инфракрасный	MWIR, IR-C DIN ; Это? Также называется промежуточным инфракрасным излучением (IIR).	3–8 мкм	37–100 ТГц	155–413 мэВ	966–362 К (693–89 °С )	В технологии управляемых ракет часть этой полосы шириной 3–5 мкм представляет собой атмосферное окно, в котором предназначены для работы ГСН пассивных ИК-ракет с «тепловым наведением», наводящихся на инфракрасную сигнатуру самолета-мишени, обычно на выхлоп реактивного двигателя. шлейф. Эта область также известна как тепловое инфракрасное излучение.
Длинноволновое инфракрасное излучение	LWIR, IR-C DIN	8–15 мкм	20–37 ТГц	83–155 мэВ	362–193 К (89 – −80 °С )	Область «тепловидения», в которой датчики могут получать полностью пассивное изображение объектов, температура которых лишь немного превышает комнатную температуру (например, человеческого тела), на основе только теплового излучения и не требующих освещения, такого как солнце, луна или инфракрасный осветитель. Эту область еще называют «тепловым инфракрасным».
Дальний инфракрасный	ДЛЯ	15–1000 мкм	0,3–20 ТГц	1,2–83 мэВ	193–3 К (-80,15 – -270,15 °С )	(см. также дальний инфракрасный лазер и дальний инфракрасный диапазон )

Сравнение теплового изображения (вверху) и обычной фотографии (внизу). Пластиковый пакет в основном прозрачен для длинноволнового инфракрасного излучения, но очки мужчины непрозрачны.

NIR и SWIR вместе иногда называют «отраженным инфракрасным излучением», тогда как MWIR и LWIR иногда называют «тепловым инфракрасным излучением».

Схема разделения CIE

Международная комиссия по освещению (CIE) рекомендовала разделить инфракрасное излучение на следующие три диапазона:

Аббревиатура	Длина волны	Частота
СОБИРАЮСЬ	780–1400 нм	215–384 ТГц
ИК-Б	1400–3000 нм	100–215 ТГц
ИК-С	3–1000 мкм	0,3–100 ТГц

Схема ISO 20473

ISO 20473 определяет следующую схему:

Обозначение	Аббревиатура	Длина волны
Ближний инфракрасный диапазон	НИР	0,78–3 мкм
Средний инфракрасный	МНЕ	3–50 мкм
Дальний инфракрасный	ДЛЯ	50–1000 мкм

Схема деления астрономии

Астрономы обычно делят инфракрасный спектр следующим образом:

Обозначение	Аббревиатура	Длина волны
Ближний инфракрасный диапазон	НИР	0,7–2,5 мкм
Средний инфракрасный	МНЕ	3–25 мкм
Дальний инфракрасный	ДЛЯ	выше 25 мкм

Эти подразделения неточны и могут различаться в зависимости от публикации. Три региона используются для наблюдения за различными температурными диапазонами. и, следовательно, разные среды в космосе.

Наиболее распространенная фотометрическая система, используемая в астрономии, распределяет заглавные буквы по разным спектральным областям в соответствии с используемыми фильтрами; I, J, H и K охватывают длины волн ближнего инфракрасного диапазона; L, M, N и Q относятся к средней инфракрасной области. Эти буквы обычно понимаются как обозначения атмосферных окон и появляются, например, в заголовках многих статей .

Схема разделения отклика датчика

График пропускания атмосферы в части инфракрасной области

Третья схема разделяет полосу на основе отклика различных детекторов:

• Ближний инфракрасный диапазон: от 0,7 до 1,0 мкм (от примерного конца реакции человеческого глаза до кремния).
• Коротковолновое инфракрасное излучение: от 1,0 до 3 мкм (от границы кремния до границы атмосферного окна MWIR). InGaAs покрывает примерно 1,8 мкм; менее чувствительные соли свинца покрывают эту область. Криогенно охлаждаемые детекторы КРТ могут охватывать область 1,0–2,5   мкм.
• Средневолновой инфракрасный диапазон: от 3 до 5 мкм (определяется атмосферным окном и покрыт антимонидом индия InSb и теллуридом ртути-кадмия HgCdTe и частично селенидом свинца PbSe).
• Длинноволновое инфракрасное излучение: от 8 до 12 или от 7 до 14 мкм (это атмосферное окно, закрытое HgCdTe и микроболометрами ).
• Очень длинноволновое инфракрасное излучение (VLWIR) (от 12 до примерно 30 мкм, покрыто легированным кремнием).

Ближний инфракрасный диапазон — это область, ближайшая по длине волны к излучению, воспринимаемому человеческим глазом. Средний и дальний инфракрасный диапазон постепенно удаляются от видимого спектра. Другие определения основаны на других физических механизмах (пики излучения, полосы, поглощение воды), а новейшие следуют техническим причинам (обычные кремниевые детекторы чувствительны примерно к 1050 нм, тогда как . чувствительность InGaAs начинается около 950 нм и заканчивается между 1700 и 2600 нм) нм, в зависимости от конкретной конфигурации). В настоящее время международных стандартов для этих спецификаций не существует.

Начало инфракрасного излучения определяется (в соответствии с различными стандартами) при различных значениях, обычно от 700 до 800 нм, но граница между видимым и инфракрасным светом точно не определена. Человеческий глаз заметно менее чувствителен к свету с длиной волны выше 700 нм, поэтому более длинные волны вносят незначительный вклад в сцены, освещенные обычными источниками света. Особо интенсивный свет ближнего ИК-диапазона (например, от лазеров , светодиодов или яркого дневного света с отфильтрованным видимым светом) может обнаруживаться на длине волны примерно до 780 нм и восприниматься как красный свет. Интенсивные источники света с длиной волны до 1050 нм можно рассматривать как тускло-красное свечение, что вызывает некоторые трудности при освещении сцен в темноте ближним ИК-диапазоном (обычно эта практическая проблема решается непрямым освещением). Листья особенно ярки в ближнем ИК-диапазоне, и если все утечки видимого света вокруг ИК-фильтра заблокированы и глазу дается момент, чтобы приспособиться к чрезвычайно тусклому изображению, проходящему через визуально непрозрачный ИК-фотофильтр, он можно увидеть Эффект дерева , состоящий из листвы, светящейся в ИК-диапазоне.

Телекоммуникационные диапазоны

В оптической связи используемая часть инфракрасного спектра делится на семь диапазонов в зависимости от наличия источников света, передающих/поглощающих материалов (волокон) и детекторов:

Группа	Дескриптор	Диапазон длин волн
Банда	Оригинал	1260–1360 нм
Это банда	Расширенный	1360–1460 нм
S-диапазон	Короткая длина волны	1460–1530 нм
Группа C	Общепринятый	1530–1565 нм
L-диапазон	Длинная длина волны	1565–1625 нм
группа U	Сверхдлинная длина волны	1625–1675 нм

C-диапазон является доминирующим диапазоном для сетей дальней связи . Диапазоны S и L основаны на менее устоявшихся технологиях и не так широко распространены.

Нагревать

Основная статья: Тепловое излучение

Материалы с более высокой излучательной способностью выглядят ближе к своей истинной температуре, чем материалы, которые больше отражают окружающую среду с разной температурой. На этом тепловом изображении керамический цилиндр с большей отражающей способностью, отражающий более прохладное окружение, кажется холоднее, чем его кубический контейнер (сделанный из более излучающего карбида кремния), хотя на самом деле они имеют одинаковую температуру.

Инфракрасное излучение широко известно как «тепловое излучение». но световые и электромагнитные волны любой частоты нагревают поверхности, которые их поглощают. Инфракрасный свет Солнца составляет 49% Нагрев Земли, а остальная часть вызвана видимым светом, который поглощается, а затем повторно излучается на более длинных волнах. Лазеры видимого света или ультрафиолетового излучения могут обуглить бумагу, а раскаленные предметы испускают видимое излучение. Объекты при комнатной температуре будут излучать излучение, сконцентрированное в основном в диапазоне от 8 до 25 мкм, но это не отличается от излучения видимого света раскаленными объектами и ультрафиолета еще более горячими объектами (см. Черное тело и закон смещения Вина ).

Тепло — это транзитная энергия, которая течет из-за разницы температур. В отличие от тепла, передаваемого посредством теплопроводности или тепловой конвекции , тепловое излучение может распространяться через вакуум . Тепловое излучение характеризуется особым спектром многих длин волн, которые связаны с излучением объекта вследствие вибрации его молекул при данной температуре. Тепловое излучение может излучаться объектами на любой длине волны, а при очень высоких температурах такое излучение связано со спектрами, намного превышающими инфракрасные, простирающимися в видимую, ультрафиолетовую и даже рентгеновскую области (например, солнечная корона ). Таким образом, популярная ассоциация инфракрасного излучения с тепловым излучением является лишь совпадением, основанным на типичных (сравнительно низких) температурах, часто встречающихся у поверхности планеты Земля.

Концепция излучательной способности важна для понимания инфракрасного излучения объектов. Это свойство поверхности, которое описывает, насколько ее тепловое излучение отклоняется от идеального черного тела . Для дальнейшего объяснения: два объекта с одинаковой физической температурой могут не показывать одинаковое инфракрасное изображение, если они имеют разную излучательную способность. Например, для любого заранее установленного значения излучательной способности объекты с более высокой излучательной способностью будут казаться более горячими, а объекты с более низкой излучательной способностью будут выглядеть более холодными (при условии, как это часто бывает, что окружающая среда холоднее, чем рассматриваемые объекты). Когда объект имеет неидеальную излучательную способность, он приобретает свойства отражательной способности и/или прозрачности, и поэтому температура окружающей среды частично отражается и/или передается через объект. Если бы объект находился в более горячей среде, то объект с более низким коэффициентом излучения при той же температуре, вероятно, оказался бы более горячим, чем объект с более высоким коэффициентом излучения. По этой причине неправильный выбор коэффициента излучения и игнорирование температуры окружающей среды дадут неточные результаты при использовании инфракрасных камер и пирометров.

Приложения

Ночное видение

Основная статья: Ночное видение

Активное инфракрасное ночное видение: камера освещает сцену инфракрасными волнами, невидимыми для человеческого глаза . Несмотря на темную сцену с задней подсветкой, активная инфракрасная система ночного видения обеспечивает идентификацию деталей, как видно на мониторе.

Инфракрасное излучение используется в приборах ночного видения, когда видимого света недостаточно, чтобы видеть. Приборы ночного видения работают посредством процесса, включающего преобразование фотонов окружающего света в электроны, которые затем усиливаются в результате химических и электрических процессов, а затем преобразуются обратно в видимый свет. Источники инфракрасного света можно использовать для увеличения доступного окружающего света для преобразования его устройствами ночного видения, увеличивая видимость в темноте без фактического использования источника видимого света.

Использование приборов инфракрасного света и ночного видения не следует путать с тепловидением , которое создает изображения на основе различий в температуре поверхности путем обнаружения инфракрасного излучения ( тепла ), исходящего от объектов и окружающей их среды.

Термография

Термография помогла определить температурный профиль системы тепловой защиты космического корабля "Шаттл" при входе в атмосферу.

Основная статья: Термография

Инфракрасное излучение можно использовать для дистанционного определения температуры объектов (если известна излучательная способность). Это называется термографией, а в случае очень горячих объектов в ближнем ИК-диапазоне или в видимом диапазоне — пирометрией . Термография (тепловидение) в основном используется в военных и промышленных целях, но благодаря значительному снижению производственных затрат эта технология выходит на общественный рынок в виде инфракрасных камер на автомобилях.

Термографические камеры обнаруживают излучение в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 9 000–14 000 нм или 9–14 мкм) и создают изображения этого излучения. Поскольку инфракрасное излучение излучается всеми объектами в зависимости от их температуры, в соответствии с законом излучения черного тела, термография позволяет «видеть» окружающую среду с видимым освещением или без него. Количество излучения, испускаемого объектом, увеличивается с температурой, поэтому термография позволяет видеть изменения температуры (отсюда и название).

Гиперспектральная визуализация

Основная статья: Гиперспектральная визуализация

Гиперспектральное измерение теплового инфракрасного излучения , сканирование на открытом воздухе в зимних условиях, температура окружающей среды −15 °C, изображение получено с помощью гиперспектрального тепловизора Specim LWIR. Относительные спектры излучения различных целей на изображении показаны стрелками. Инфракрасные спектры различных объектов, таких как застежка часов, имеют четко различимые характеристики. Уровень контрастности указывает на температуру объекта.

Инфракрасный свет светодиода пульта дистанционного управления , записанный цифровой камерой

Гиперспектральное изображение — это «изображение», содержащее непрерывный спектр в широком спектральном диапазоне в каждом пикселе. Гиперспектральная визуализация приобретает все большее значение в области прикладной спектроскопии, особенно в спектральных областях NIR, SWIR, MWIR и LWIR. Типичные области применения включают биологические, минералогические, оборонные и промышленные измерения.

Тепловизионную гиперспектральную визуализацию можно аналогичным образом выполнить с помощью термографической камеры с той фундаментальной разницей, что каждый пиксель содержит полный LWIR-спектр. Следовательно, химическая идентификация объекта может быть выполнена без необходимости использования внешнего источника света, такого как Солнце или Луна. Такие камеры обычно применяются для геологических измерений, наружного наблюдения и применения БПЛА .

Другие изображения

В инфракрасной фотографии инфракрасные фильтры используются для улавливания ближнего инфракрасного спектра. Цифровые камеры часто используют блокираторы инфракрасного излучения . Более дешевые цифровые камеры и телефоны с камерой имеют менее эффективные фильтры и могут видеть интенсивный ближний инфракрасный диапазон, проявляющийся в ярком фиолетово-белом цвете. Это особенно заметно при съемке объектов вблизи областей с ИК-ярким освещением (например, рядом с лампой), где возникающие инфракрасные помехи могут размыть изображение. Существует также метод, называемый « Т-лучевой » визуализацией, при котором визуализация осуществляется с использованием дальнего инфракрасного или терагерцового излучения . Отсутствие ярких источников может сделать терагерцовую фотографию более сложной задачей, чем большинство других методов инфракрасной визуализации. В последнее время Т-лучевая визуализация вызвала значительный интерес в связи с рядом новых разработок, таких как терагерцовая спектроскопия во временной области .

Фотография отраженного света в различных инфракрасных спектрах, иллюстрирующая изменение длины волны света.

Отслеживание

Основная статья: Инфракрасное самонаведение

Инфракрасное слежение, также известное как инфракрасное самонаведение, относится к пассивной системе наведения ракеты , которая использует излучение цели электромагнитного излучения в инфракрасной части спектра для ее отслеживания. Ракеты, использующие инфракрасное наведение, часто называют «тепловыми ГСН», поскольку инфракрасное (ИК) излучение по частоте чуть ниже видимого спектра света и сильно излучается горячими телами. Многие объекты, такие как люди, двигатели транспортных средств и самолеты, генерируют и сохраняют тепло и поэтому особенно заметны в инфракрасных длинах волн света по сравнению с объектами на заднем плане.

Обогрев

Основная статья: Инфракрасное отопление

Инфракрасный фен для парикмахерских , c. 2010-е годы

Инфракрасное излучение можно использовать в качестве целенаправленного источника тепла. Например, он используется в инфракрасных саунах для обогрева находящихся в них людей. Его также можно использовать в других целях обогрева, например, для удаления льда с крыльев самолетов (противообледенение). Инфракрасное излучение используется при приготовлении пищи, известном как жарка или гриль . Одним из энергетических преимуществ является то, что ИК-энергия нагревает только непрозрачные объекты, такие как продукты питания, а не воздух вокруг них.

Инфракрасное отопление также становится все более популярным в промышленных производственных процессах, например, при отверждении покрытий, формовании пластмасс, отжиге, сварке пластмасс и сушке отпечатков. В этих случаях инфракрасные обогреватели заменяют конвекционные печи и контактный нагрев.

Охлаждение

Основная статья: Пассивное дневное радиационное охлаждение

Различные технологии или предлагаемые технологии используют инфракрасное излучение для охлаждения зданий или других систем. атмосферы Область LWIR (8–15 мкм) особенно полезна, поскольку некоторая часть излучения на этих длинах волн может выходить в космос через инфракрасное окно . Именно таким образом поверхности с пассивным дневным радиационным охлаждением (PDRC) способны достигать температуры охлаждения ниже окружающей среды под воздействием прямых солнечных лучей, увеличивая земной поток тепла в космическое пространство с нулевым потреблением энергии или загрязнением . Поверхности PDRC минимизируют коротковолновое солнечное отражение , чтобы уменьшить приток тепла, сохраняя при этом сильную длинноволнового инфракрасного излучения теплопередачу (LWIR) . Если представить его в мировом масштабе, этот метод охлаждения был предложен как способ замедлить и даже обратить вспять глобальное потепление , при этом по некоторым оценкам предполагается, что глобальное покрытие площади поверхности составит 1-2%, чтобы сбалансировать глобальные потоки тепла.

Коммуникации

Дополнительная информация: Потребительский IR

Передача данных в ИК-диапазоне также используется для связи на малом расстоянии между компьютерной периферией и персональными цифровыми помощниками . Эти устройства обычно соответствуют стандартам, опубликованным IrDA , Ассоциацией инфракрасных данных. Пульты дистанционного управления и устройства IrDA используют инфракрасные светодиоды (LED) для излучения инфракрасного излучения, которое может быть сконцентрировано линзой в луч, который пользователь направляет на детектор. Луч модулируется , то есть включается и выключается в соответствии с кодом, который интерпретирует приемник. Обычно по практическим соображениям используется ближний ИК-диапазон (ниже 800 нм). Эта длина волны эффективно детектируется недорогими кремниевыми фотодиодами , которые приемник использует для преобразования обнаруженного излучения в электрический ток . Этот электрический сигнал проходит через фильтр верхних частот , который сохраняет быстрые пульсации, создаваемые ИК-передатчиком, но отфильтровывает медленно меняющееся инфракрасное излучение окружающего света. Инфракрасная связь полезна для использования внутри помещений в районах с высокой плотностью населения. ИК-излучение не проникает через стены и не мешает работе других устройств в соседних комнатах. Инфракрасное излучение является наиболее распространенным способом пульты дистанционного управления для управления бытовой техникой.Протоколы инфракрасного дистанционного управления, такие как RC-5 , SIRC , используются для связи через инфракрасный порт.

Оптическая связь в свободном пространстве с использованием инфракрасных лазеров может быть относительно недорогим способом установки линии связи в городской местности, работающей со скоростью до 4 гигабит/с, по сравнению со стоимостью прокладки оптоволоконного кабеля, за исключением радиационного повреждения. «Поскольку глаз не может обнаружить ИК-излучение, моргание или закрытие глаз для предотвращения или уменьшения ущерба может оказаться невозможным».

Инфракрасные лазеры используются для освещения систем оптоволоконной связи. Инфракрасное излучение с длиной волны около 1330 нм (наименьшая дисперсия ) или 1550 нм (наилучшее пропускание) является лучшим выбором для стандартных кварцевых волокон.

Передача ИК-данных закодированных аудиоверсий печатных знаков исследуется в качестве помощи людям с нарушениями зрения в рамках проекта RIAS (Remote Infrared Audible Signage) .Передачу ИК-данных с одного устройства на другое иногда называют передачей .

Спектроскопия

Инфракрасная колебательная спектроскопия (см. также спектроскопию ближнего инфракрасного диапазона ) — это метод, который можно использовать для идентификации молекул путем анализа составляющих их связей. Каждая химическая связь в молекуле колеблется с частотой, характерной для этой связи. Группа атомов в молекуле (например, CH ₂ ) может иметь несколько режимов колебаний, вызванных растягивающими и изгибающими движениями группы в целом. Если колебание приводит к изменению диполя в молекуле, то она поглотит фотон той же частоты. Частоты колебаний большинства молекул соответствуют частотам инфракрасного света. Обычно этот метод используется для изучения органических соединений с использованием светового излучения среднего инфракрасного диапазона (4000–400 см). ⁻¹ . Регистрируют спектр всех частот поглощения в образце. Это можно использовать для получения информации о составе образца с точки зрения присутствующих химических групп, а также его чистоты (например, влажный образец будет демонстрировать широкое поглощение ОН около 3200 см-1). ⁻¹ ). Единица измерения радиации в данном приложении, см ⁻¹ , – спектроскопическое волновое число . Это частота, деленная на скорость света в вакууме.

Метрология тонких пленок

В полупроводниковой промышленности инфракрасный свет можно использовать для определения характеристик таких материалов, как тонкие пленки и периодические бороздчатые структуры. Измеряя коэффициент отражения света от поверхности полупроводниковой пластины, показатель преломления (n) и коэффициент затухания (k) можно определить с помощью дисперсионных уравнений Форуи – Блумера . Коэффициент отражения инфракрасного света также можно использовать для определения критического размера, глубины и угла боковой стенки траншейных конструкций с большим удлинением.

Метеорология

ИК-спутниковый снимок кучево-дождевых облаков над Великими равнинами США.

Метеорологические спутники, оснащенные сканирующими радиометрами, создают тепловые или инфракрасные изображения, которые затем позволяют обученному аналитику определять высоту и типы облаков, рассчитывать температуру суши и поверхностных вод, а также определять местонахождение особенностей поверхности океана. Сканирование обычно осуществляется в диапазоне 10,3–12,5 мкм (каналы IR4 и IR5).

Облака с высокими и холодными вершинами, такие как циклоны или кучево-дождевые облака , часто отображаются красным или черным цветом, более низкие, более теплые облака, такие как слоистые или слоисто-кучевые облака , отображаются синим или серым, а промежуточные облака затемняются соответствующим образом. Горячие поверхности земли показаны темно-серым или черным цветом. Одним из недостатков инфракрасных изображений является то, что низкие облака, такие как слоистые слои или туман, могут иметь температуру, аналогичную температуре окружающей суши или морской поверхности, и не видны. Однако по разнице яркости канала IR4 (10,3–11,5 мкм) и ближнего инфракрасного канала (1,58–1,64 мкм) можно выделить низкую облачность, создавая туманную спутниковую картинку. Основное преимущество инфракрасного излучения заключается в том, что изображения можно создавать ночью, что позволяет изучать непрерывную последовательность погодных условий.

Эти инфракрасные изображения могут отображать океанские водовороты и вихри, а также отображать течения, такие как Гольфстрим, которые важны для судоходной отрасли. Рыбаки и фермеры заинтересованы в знании температуры земли и воды, чтобы защитить свои посевы от заморозков или увеличить улов с моря. даже явление Эль-Ниньо Можно обнаружить . Используя методы цветной оцифровки, тепловые изображения с оттенками серого можно преобразовать в цветные для облегчения идентификации необходимой информации.

Основной канал водяного пара на расстоянии от 6,40 до 7,08 мкм может быть получен с помощью некоторых метеорологических спутников и показывает количество влаги в атмосфере.

Климатология

Парниковый эффект : молекулы метана, воды и углекислого газа повторно излучают солнечное тепло.

В области климатологии инфракрасное излучение атмосферы контролируется с целью выявления тенденций в энергетическом обмене между Землей и атмосферой. Эти тенденции предоставляют информацию о долгосрочных изменениях климата Земли. Это один из основных параметров, изучаемых в исследованиях глобального потепления , наряду с солнечной радиацией .

. В этой области исследований используется пиргеометр для проведения непрерывных измерений на открытом воздухе Это широкополосный инфракрасный радиометр с чувствительностью к инфракрасному излучению примерно от 4,5 мкм до 50 мкм.

Астрономия

Основные статьи: Инфракрасная астрономия и дальняя инфракрасная астрономия

Бета Живопись и ее планета Бета Живопись b, голубая точка, расположенная вне центра, в инфракрасном свете. Он объединяет два изображения, внутренний диск имеет размер 3,6 мкм.

Астрономы наблюдают объекты в инфракрасной части электромагнитного спектра с помощью оптических компонентов, включая зеркала, линзы и твердотельные цифровые детекторы. По этой причине она классифицируется как часть оптической астрономии . Для формирования изображения компоненты инфракрасного телескопа необходимо тщательно экранировать от источников тепла, а детекторы охлаждать с помощью жидкого гелия .

Чувствительность наземных инфракрасных телескопов существенно ограничивается водяным паром в атмосфере, который поглощает часть инфракрасного излучения, поступающего из космоса за пределы избранных атмосферных окон . Это ограничение можно частично устранить, разместив телескоп-обсерваторию на большой высоте или подняв телескоп на воздушном шаре или самолете. Космические телескопы не страдают от этого недостатка, поэтому космическое пространство считается идеальным местом для инфракрасной астрономии.

Инфракрасная часть спектра имеет несколько полезных преимуществ для астрономов. Холодные темные молекулярные облака газа и пыли в нашей галактике будут светиться излучаемым теплом, поскольку их облучают находящиеся внутри звезды. Инфракрасное излучение также можно использовать для обнаружения протозвезд до того, как они начнут излучать видимый свет. Звезды излучают меньшую часть своей энергии в инфракрасном спектре, поэтому близлежащие холодные объекты, такие как планеты, можно легче обнаружить. (В видимом спектре света яркий свет звезды заглушит отраженный свет планеты.)

Инфракрасный свет также полезен для наблюдения за ядрами активных галактик , которые часто покрыты газом и пылью. У далеких галактик с высоким красным смещением пиковая часть спектра будет сдвинута в сторону более длинных волн, поэтому их легче наблюдать в инфракрасном диапазоне.

Очистка

Инфракрасная очистка – это метод, используемый некоторыми киносканерами , пленочными сканерами и планшетными сканерами для уменьшения или удаления пыли и царапин на готовом отсканированном документе . Он работает путем сбора дополнительного инфракрасного канала от сканирования в том же положении и разрешении, что и три видимых цветовых канала (красный, зеленый и синий). Инфракрасный канал в сочетании с другими каналами используется для обнаружения царапин и пыли. После обнаружения эти дефекты можно исправить путем масштабирования или заменить закрашиванием .

Консервация и анализ произведений искусства

Инфракрасная рефлектограмма Моны Лизы работы Леонардо да Винчи.

Инфракрасная рефлектография может применяться к картинам, чтобы неразрушающим образом выявить нижележащие слои, в частности рисунок художника или контур, нарисованный в качестве ориентира. Реставраторы используют эту технику, чтобы изучить, чем видимые слои краски отличаются от рисунка или промежуточных слоев (такие изменения называются пентименти , если они сделаны оригинальным художником). Это очень полезная информация для принятия решения о том, является ли картина основной версией оригинального художника или копией, и была ли она изменена в результате чрезмерно энергичных реставрационных работ. В общем, чем больше пентиментов, тем больше вероятность того, что картина станет основной версией. Это также дает полезную информацию о методах работы. Рефлектография часто обнаруживает использование художником технического углерода , который хорошо проявляется на рефлектограммах, если только он не использовался в грунте, лежащем в основе всей картины.

Последние достижения в создании инфракрасных камер позволяют обнаруживать и изображать не только подмалевки и пентименты, но и целые картины, позднее закрашенные художником. Яркими примерами являются Пикассо и «Гладильная женщина» « Синяя комната» , где в обоих случаях под картиной виден портрет мужчины, известный сегодня.

Подобное использование инфракрасного излучения используется реставраторами и учеными на различных типах объектов, особенно на очень старых письменных документах, таких как свитки Мертвого моря , римские произведения на Вилле папирусов и тексты Шелкового пути, найденные в пещерах Дуньхуан . Углеродная сажа, используемая в чернилах, может проявляться очень хорошо.

Биологические системы

Дополнительная информация: Инфракрасное зондирование у змей.

Термографическое изображение змеи, поедающей мышь

есть На голове у гадюки пара инфракрасных сенсорных ямок. Существует неопределенность относительно точной тепловой чувствительности этой системы биологического инфракрасного обнаружения.

Другими организмами, имеющими терморецептивные органы, являются питоны (семейство Pythonidae ), некоторые удавы (семейство Boidae ), летучая мышь-вампир ( Desmodus rotundus ), разнообразные жуки-драгоценные жуки ( Melanophila acuminata ), темнопигментированные бабочки ( Pachliopta aristolochiae и Troides radamantus Plateni ) и, возможно, кровососущие клопы ( Triatoma infestans ). Обнаружив тепло, которое излучает их добыча, змеи -кроталины и боиды идентифицируют и захватывают свою жертву, используя свои ямочные органы, чувствительные к ИК-излучению . Для сравнения: чувствительные к ИК-излучению ямки у летучей мыши-вампира ( Desmodus rotundus ) помогают идентифицировать богатые кровью участки на теплокровной жертве. Жук-драгоценный жук Melanophila acuminata определяет местонахождение лесных пожаров с помощью инфракрасных ямочных органов, куда они откладывают яйца на недавно сгоревших деревьях. Терморецепторы на крыльях и усиках бабочек с темной пигментацией, таких как Pachliopta aristolochiae и Troides radamantusplateni , защищают их от теплового повреждения, когда они загорают на солнце. Кроме того, предполагается, что терморецепторы позволяют кровососущим насекомым ( Triatoma infestans ) определять местонахождение своих теплокровных жертв, ощущая тепло их тела.

Некоторым грибам, таким как Venturia inaequalis, для выброса требуется ближний инфракрасный свет.

Хотя зрение в ближнем инфракрасном диапазоне (780–1000 нм) долгое время считалось невозможным из-за шума в зрительных пигментах, ощущение ближнего инфракрасного света было зарегистрировано у карпа и трех видов цихлид. Рыбы используют NIR для поимки добычи и для фототаксического плавательного ориентирования. Ощущение БИК у рыб может быть актуальным в условиях плохого освещения в сумерках. и в мутных поверхностных водах.

Фотобиомодуляция

Ближний инфракрасный свет, или фотобиомодуляция , используется для лечения язв в полости рта, вызванных химиотерапией, а также для заживления ран. Ведутся некоторые работы по лечению вируса герпеса. Исследовательские проекты включают работу по изучению эффектов исцеления центральной нервной системы посредством активации цитохром-с-оксидазы и других возможных механизмов.

Опасности для здоровья

Сильное инфракрасное излучение в некоторых промышленных условиях с высокой температурой может быть опасным для глаз и привести к повреждению глаз или слепоте пользователя. Поскольку излучение невидимо, в таких местах необходимо носить специальные ИК-защитные очки.

Научная история

Открытие инфракрасного излучения приписывается Гершелю астроному Уильяму в начале 19 века. Гершель опубликовал свои результаты в 1800 году перед Лондонским королевским обществом . Гершель использовал призму для преломления света солнечного и обнаружил инфракрасное излучение за пределами красной части спектра посредством увеличения температуры, зафиксированной термометром . Он был удивлен результатом и назвал их «Таплотворными лучами». Термин «инфракрасный» появился только в конце 19 века. Более ранний эксперимент в 1790 году, проведенный Марка-Огюста Пикте, продемонстрировал отражение и фокусировку лучистого тепла через зеркала в отсутствие видимого света.

Другие важные даты включают в себя:

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году Уильямом Гершелем.

• 1830: Леопольдо Нобили изготовил первый ИК-детектор на термобатарее .
• 1840: Джон Гершель создает первое тепловое изображение, называемое термограммой .
• 1860: Густав Кирхгоф сформулировал теорему о черном теле. $E=J(T,n)$.
• 1873: Уиллоби Смит открыл фотопроводимость селена .
• 1878: Сэмюэл Пирпонт Лэнгли изобретает первый болометр — устройство, способное измерять небольшие колебания температуры и, следовательно, мощность источников дальнего инфракрасного диапазона.
• 1879: Эмпирически сформулирован закон Стефана – Больцмана , согласно которому мощность, излучаемая черным телом, пропорциональна T. ⁴ .
• 1880-е и 1890-е годы: лорд Рэлей и Вильгельм Вин решили часть уравнения черного тела, но оба решения расходились в частях электромагнитного спектра. Эту проблему назвали « ультрафиолетовой катастрофой и инфракрасной катастрофой».
• 1892: Виллем Анри Юлиус опубликовал инфракрасные спектры 20 органических соединений, измеренные с помощью болометра в единицах углового смещения.
• 1901: Макс Планк опубликовал уравнение и теорему абсолютно черного тела . Он решил проблему, квантовав допустимые энергетические переходы.
• 1905: Альберт Эйнштейн разработал теорию фотоэлектрического эффекта .
• 1905–1908: Уильям Кобленц опубликовал инфракрасные спектры в единицах длины волны (микрометрах) для нескольких химических соединений в книге «Исследования инфракрасных спектров» .
• 1917: Теодор Кейс разработал детектор сульфида таллом , который помог создать первое инфракрасное устройство поиска и слежения, способное обнаруживать самолеты на расстоянии одной мили (1,6 км).
• 1935: Соли свинца – раннее наведение ракет во Второй мировой войне .
• 1938: Йеу Та предсказал, что пироэлектрический эффект можно использовать для обнаружения инфракрасного излучения.
• 1945: Zielgerät 1229 «Вампир» как первое портативное инфракрасное устройство для военного применения. Представлена ​​инфракрасная система вооружения
• 1952: Генрих Велькер вырастил синтетические кристаллы InSb .
• 1950-е и 1960-е годы: номенклатура и радиометрические единицы, определенные Фредом Никодеменусом , Г. Дж. Зиссисом и Р. Кларком ; Роберт Кларк Джонс дал определение D *.
• 1958: У. Д. Лоусон ( Королевское радиолокационное учреждение в Малверне) обнаружил свойства ИК-детектирования теллурида ртути, кадмия (HgCdTe).
• 1958: Ракеты Falcon и Sidewinder были разработаны с использованием инфракрасной технологии.
• 1960-е годы: Пол Круз и его коллеги из Исследовательского центра Honeywell демонстрируют использование HgCdTe в качестве эффективного соединения для инфракрасного обнаружения.
• 1962: Дж. Купер продемонстрировал пироэлектрическое обнаружение.
• 1964: У. Г. Эванс обнаружил инфракрасные терморецепторы у жука-пирофила.
• 1965: Первый справочник по IR; первые коммерческие имиджеры ( Barnes, Agema (ныне часть FLIR Systems Inc.)); Ричарда Хадсона знаковый текст ; F4 TRAM FLIR от Хьюза ; феноменология, впервые разработанная Фредом Симмонсом и А. Т. Стейром ; Создана лаборатория ночного видения армии США (ныне Управление ночного видения и электронных датчиков (NVESD)), и Рэчетс разрабатывает там моделирование обнаружения, распознавания и идентификации.
• 1970: Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит предложили в Bell Labs ПЗС-матрицу для телефона с картинкой .
• 1973: Программа общего модуля запущена NVESD.
• 1978: Астрономия инфракрасных изображений достигла зрелости, запланированы обсерватории, открыт IRTF на Мауна-Кеа; Массивы 32×32 и 64×64 изготовлены с использованием InSb, HgCdTe и других материалов.
• 2013: 14 февраля исследователи разработали нейронный имплант , который дает крысам способность чувствовать инфракрасный свет, что впервые дает живым существам новые способности, а не просто заменяет или усиливает существующие способности.

См. также

• Излучение черного тела
• Инфракрасный неразрушающий контроль материалов
• Инфракрасные солнечные элементы
• Инфракрасный термометр
• Счетчик людей
• Указатель инфракрасных статей

Внешние ссылки

• Инфракрасный свет: историческая перспектива. Архивировано 7 августа 2007 г. в Wayback Machine (Omega Engineering).
• Ассоциация инфракрасных данных. Архивировано 22 мая 2008 г. в Wayback Machine , организации по стандартизации инфракрасного соединения данных.
• Протокол SIRC. Архивировано 13 октября 2011 г. на Wayback Machine.
• Как создать инфракрасный приемник USB для удаленного управления ПК. Архивировано 19 июля 2011 г. на Wayback Machine.
• Инфракрасные волны : подробное объяснение инфракрасного света. (НАСА)
• Оригинальная статья Гершеля 1800 года, в которой объявляется об открытии инфракрасного света.
• Библиотека термограмм. Архивировано 11 июня 2013 г. в Wayback Machine , коллекция термограмм.
• Инфракрасная рефлектография в анализе картин. Архивировано 22 декабря 2015 г. в Wayback Machine в ColourLex.
• Молли Фэрис, Методы и приложения - Аналитические возможности инфракрасной рефлектографии: взгляд историка искусства. Архивировано 22 декабря 2015 г. в Wayback Machine , в журнале "Научное исследование искусства: современные методы консервации и анализа", коллоквиум Саклера NAS, 2005 г.