Infraroșu - Infrared
Infraroșii ( IR ), numită uneori lumină infraroșie , sunt radiații electromagnetice (EMR) cu lungimi de undă mai mari decât cele ale luminii vizibile . Prin urmare, este invizibil pentru ochiul uman. IR este în general înțeles să cuprindă lungimi de undă de la marginea roșie nominală a spectrului vizibil în jur de 700 nanometri ( frecvență 430 THz ), până la 1 milimetru (300 GHz ) (deși lungimile de undă IR mai lungi sunt deseori desemnate mai degrabă ca radiații terahertz ). Radiația corpului negru de la obiecte aflate în apropierea temperaturii camerei este aproape toată la lungimi de undă în infraroșu. Ca formă de radiație electromagnetică, IR propagă energia și impulsul , cu proprietăți corespunzătoare atât celor ale unei unde, cât și ale unei particule, fotonul .
Radiațiile infraroșii au fost descoperite în 1800 de astronomul Sir William Herschel , care a descoperit un tip de radiație invizibilă în spectrul mai scăzut în energie decât lumina roșie, prin efectul său asupra unui termometru . Puțin mai mult de jumătate din energia din Soare s-a descoperit în cele din urmă, prin studiile lui Herschel, că ajunge pe Pământ sub formă de infraroșu. Echilibrul dintre radiațiile infraroșii absorbite și emise are un efect important asupra climei Pământului .
Radiația infraroșie este emisă sau absorbită de molecule atunci când își schimbă mișcările de rotație-vibrație . El excită modurile vibraționale într-o moleculă printr-o schimbare a momentului dipolar , făcându-l o gamă de frecvență utilă pentru studiul acestor stări de energie pentru moleculele cu simetrie adecvată. Spectroscopia în infraroșu examinează absorbția și transmiterea fotonilor în domeniul infraroșu.
Radiațiile infraroșii sunt utilizate în aplicații industriale, științifice, militare, comerciale și medicale. Dispozitivele de viziune nocturnă care utilizează iluminare activă în infraroșu aproape permit observarea oamenilor sau animalelor fără ca observatorul să fie detectat. Astronomia cu infraroșu folosește telescoape echipate cu senzori pentru a pătrunde în regiunile prăfuite ale spațiului, cum ar fi norii moleculari , pentru a detecta obiecte precum planetele și pentru a vizualiza obiecte cu deplasare roșie din primele zile ale universului . Camerele cu imagini termice cu infraroșu sunt utilizate pentru a detecta pierderile de căldură din sistemele izolate, pentru a observa schimbarea fluxului sanguin în piele și pentru a detecta supraîncălzirea componentelor electrice.
Aplicațiile militare și civile includ achiziționarea țintelor , supravegherea , viziunea nocturnă , aderarea și urmărirea. Oamenii la temperatura normală a corpului radiază în principal la lungimi de undă de aproximativ 10 μm (micrometri). Utilizările non-militare includ analiza eficienței termice , monitorizarea mediului, inspecțiile instalațiilor industriale, detectarea creșterii , detectarea la distanță a temperaturii, comunicația fără fir cu rază scurtă de acțiune , spectroscopia și prognoza meteo .
Definiție și relație cu spectrul electromagnetic
Radiația infraroșie se extinde de la marginea roșie nominală a spectrului vizibil la 700 nanometri (nm) la 1 milimetru (mm). Această gamă de lungimi de undă corespunde unui interval de frecvență de aproximativ 430 THz până la 300 GHz . Dincolo de infraroșu se află porțiunea de microunde a spectrului electromagnetic .
Comparație ușoară | |||||||
Nume | Lungime de undă | Frecventa (Hz) | Energia fotonului (eV) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Raze gamma | mai puțin de 0,01 nm | mai mult de 30 EHz | mai mult de 124 keV | ||||
Raze X | 0,01 nm - 10 nm | 30 PHz - 30 EHz | 124 keV - 124 eV | ||||
Ultraviolet | 10 nm - 400 nm | 750 THz - 30 PHz | 124 eV - 3,3 eV | ||||
Vizibil | 400 nm - 700 nm | 430 THz - 750 THz | 3,3 eV - 1,7 eV | ||||
Infraroşu | 700 nm - 1 mm | 300 GHz - 430 THz | 1,7 eV - 1,24 meV | ||||
Cuptor cu microunde | 1 mm - 1 metru | 300 MHz - 300 GHz | 1,24 meV - 1,24 μeV | ||||
Radio | 1 metru - 10.000 km | 30 Hz - 300 MHz | 1,24 μeV - 124 feV |
Infraroșu natural
Lumina soarelui , la o temperatură efectivă de 5.780 kelvini (5.510 ° C, 9.940 ° F), este compusă din radiații cu spectru aproape termic, care este puțin mai mult de jumătate din infraroșu. La zenit, lumina soarelui oferă o iradiere de puțin peste 1 kilowatt pe metru pătrat la nivelul mării. Din această energie, 527 de wați sunt radiații infraroșii, 445 de wați este lumină vizibilă , iar 32 de wați sunt radiații ultraviolete . Aproape toată radiația infraroșie din lumina soarelui este aproape de infraroșu, mai mică de 4 micrometri.
Pe suprafața Pământului, la temperaturi mult mai scăzute decât suprafața Soarelui, o anumită radiație termică constă din infraroșu în regiunea infraroșu mediu, mult mai lung decât în lumina soarelui. Cu toate acestea, radiația cu corp negru sau termică este continuă: emite radiații la toate lungimile de undă. Dintre aceste procese de radiații termice naturale, numai fulgerele și focurile naturale sunt suficient de fierbinți pentru a produce multă energie vizibilă, iar focurile produc mult mai mult infraroșu decât energia luminii vizibile.
Regiuni din infraroșu
În general, obiectele emit radiații infraroșii pe un spectru de lungimi de undă, dar uneori doar o regiune limitată a spectrului este de interes, deoarece senzorii colectează de obicei radiațiile numai într-o lățime de bandă specifică. Radiația termică cu infraroșu are, de asemenea, o lungime de undă de emisie maximă, care este invers proporțională cu temperatura absolută a obiectului, în conformitate cu legea deplasării Wien . Banda infraroșie este adesea subdivizată în secțiuni mai mici, deși modul în care este împărțit spectrul IR variază între diferite zone în care este utilizat IR.
Limita vizibilă
Infraroșul, așa cum este sugerat de numele său, este, în general, considerat că începe cu lungimi de undă mai lungi decât vizibile de ochiul uman. Cu toate acestea, nu există o limită de lungime de undă tare la ceea ce este vizibil, deoarece sensibilitatea ochiului scade rapid, dar lin, pentru lungimi de undă care depășesc aproximativ 700 nm. Prin urmare, lungimile de undă doar mai lungi decât acestea pot fi văzute dacă sunt suficient de luminoase, deși pot fi încă clasificate ca infraroșu conform definițiilor obișnuite. Lumina de la un laser aproape IR poate apărea astfel roșu slab și poate prezenta un pericol, deoarece poate fi de fapt destul de strălucitoare. Și chiar IR la lungimi de undă de până la 1.050 nm de la laserele pulsate pot fi văzute de oameni în anumite condiții.
Schema de subdiviziune utilizată în mod obișnuit
O schemă de subdiviziune frecvent utilizată este:
Numele diviziei | Abreviere | Lungime de undă | Frecvență | Energia fotonică | Temperatura | Caracteristici |
---|---|---|---|---|---|---|
Aproape de infrarosu | 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 ) |
Definită de absorbție a apei și utilizate în mod obișnuit în fibră optică de telecomunicații din cauza pierderilor reduse de atenuare în SiO 2 sticlă ( silice ) mediu. Intensificatoarele de imagine sunt sensibile la această zonă a spectrului; exemplele includ dispozitive de vedere nocturnă , cum ar fi ochelarii de vedere nocturnă. Spectroscopia cu infraroșu apropiat este o altă aplicație obișnuită. |
Infraroșu cu lungime de undă scurtă | SWIR, IR-B DIN | 1,4–3 μm | 100–214 THz | 413–886 meV | 2.070–966 K (1.797–693 ° C ) |
Absorbția apei crește semnificativ la 1.450 nm. Intervalul de la 1.530 la 1.560 nm este regiunea spectrală dominantă pentru telecomunicațiile la distanță. |
Infrarosu cu lungime de unda medie | MWIR, IR-C DIN ; MidIR. Numit și infraroșu intermediar (IIR) | 3–8 μm | 37–100 THz | 155–413 meV | 966–362 K (693–89 ° C ) |
În tehnologia cu rachete ghidate, porțiunea de 3–5 μm a acestei benzi este fereastra atmosferică în care capetele de reglare ale rachetelor pasive de „căutare a căldurii” IR sunt proiectate să funcționeze, aderând la semnătura cu infraroșu a aeronavei țintă, de obicei motorul cu reacție panou de evacuare. Această regiune este, de asemenea, cunoscută sub numele de infraroșu termic. |
Infraroșu cu lungime de undă lungă | LWIR, IR-C DIN | 8–15 μm | 20–37 THz | 83–155 meV | 362–193 K (89 - −80 ° C ) |
Regiunea „imagistică termică”, în care senzorii pot obține o imagine complet pasivă a obiectelor doar cu o temperatură ușor mai mare decât temperatura camerei - de exemplu, corpul uman - numai pe baza emisiilor termice și care nu necesită iluminare, cum ar fi soarele, luna, sau iluminator cu infraroșu. Această regiune este numită și „infraroșu termic”. |
În infraroșu îndepărtat | BRAD | 15–1000 μm | 0,3–20 THz | 1,2–83 meV | 193–3 K (−80,15 - −270,15 ° C ) |
(vezi și laser cu infraroșu îndepărtat și infraroșu îndepărtat ) |
NIR și SWIR sunt uneori numite „infraroșu reflectat”, în timp ce MWIR și LWIR sunt uneori denumite „infraroșu termic”. Datorită naturii curbelor de radiații ale corpului negru, obiectele tipice „fierbinți”, cum ar fi țevile de eșapament, apar adesea mai luminoase în MW comparativ cu același obiect vizualizat în LW.
Schema diviziunii CIE
Comisia Internațională pentru Iluminat (CIE) a recomandat divizarea radiațiilor infraroșii în următoarele trei benzi:
Abreviere | Lungime de undă | Frecvență |
---|---|---|
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 |
Schema ISO 20473
ISO 20473 specifică următoarea schemă:
Desemnare | Abreviere | Lungime de undă |
---|---|---|
Aproape de infrarosu | NIR | 0,78–3 μm |
Mid-infraroșu | MIR | 3–50 μm |
Far-infraroșu | BRAD | 50-1.000 μm |
Schema diviziunii astronomice
Astronomii împart de obicei spectrul infraroșu după cum urmează:
Desemnare | Abreviere | Lungime de undă |
---|---|---|
Aproape de infrarosu | NIR | 0,7 până la 2,5 μm |
Mid-infraroșu | MIR | 3 până la 25 μm |
Far-infraroșu | BRAD | peste 25 μm. |
Aceste diviziuni nu sunt precise și pot varia în funcție de publicație. Cele trei regiuni sunt utilizate pentru observarea diferitelor intervale de temperatură și, prin urmare, a mediilor diferite în spațiu.
Cel mai comun sistem fotometric utilizat în astronomie alocă majuscule diferitelor regiuni spectrale în funcție de filtrele utilizate; I, J, H și K acoperă lungimile de undă în infraroșu apropiat; L, M, N și Q se referă la regiunea infraroșu mediu. Aceste scrisori sunt înțelese în mod obișnuit cu referire la ferestrele atmosferice și apar, de exemplu, în titlurile multor lucrări .
Schema de divizare a răspunsului senzorilor
O a treia schemă împarte banda pe baza răspunsului diferiților detectoare:
- Aproape în infraroșu: de la 0,7 la 1,0 μm (de la capătul aproximativ al răspunsului ochiului uman la cel al siliciului).
- Infraroșu cu unde scurte: 1,0 până la 3 μm (de la tăierea siliciului la cea a ferestrei atmosferice MWIR). InGaAs acoperă aproximativ 1,8 μm; sărurile de plumb mai puțin sensibile acoperă această regiune.
- Infraroșu cu undă medie: 3 până la 5 μm (definit de fereastra atmosferică și acoperit de antimonidă de indiu [InSb] și telurură de mercur cadmiu [HgCdTe] și parțial de selenură de plumb [PbSe]).
- Infrarosu cu unde lungi: 8-12 sau 7-14 μm (aceasta este fereastra atmosferica acoperita de HgCdTe si microbolometre ).
- Infraroșu cu undă foarte lungă (VLWIR) (12 până la aproximativ 30 μm, acoperit de siliciu dopat).
Aproape de infraroșu este regiunea cea mai apropiată în lungime de undă de radiația detectabilă de ochiul uman. infraroșu mediu și îndepărtat sunt progresiv mai departe de spectrul vizibil . Alte definiții urmează mecanisme fizice diferite (vârfuri de emisie, față de benzi, absorbție de apă) și cele mai noi urmează motive tehnice ( detectoarele comune de siliciu sunt sensibile la aproximativ 1.050 nm, în timp ce sensibilitatea InGaAs începe în jurul valorii de 950 nm și se termină între 1.700 și 2.600 nm, în funcție de configurația specifică). Nu sunt disponibile în prezent standarde internaționale pentru aceste specificații.
Debutul infraroșu este definit (conform diferitelor standarde) la diferite valori de obicei cuprinse între 700 nm și 800 nm, dar granița dintre lumina vizibilă și cea infraroșie nu este definită cu precizie. Ochiul uman este semnificativ mai puțin sensibil la lumina de peste 700 nm lungime de undă, astfel încât lungimile de undă mai lungi aduc contribuții nesemnificative la scenele iluminate de surse de lumină comune. Cu toate acestea, o lumină deosebit de intensă aproape de IR (de exemplu, de la lasere IR , surse de LED-uri IR sau de la lumina puternică a zilei cu lumina vizibilă eliminată de gelurile colorate) poate fi detectată până la aproximativ 780 nm și va fi percepută ca lumină roșie. Sursele de lumină intense care furnizează lungimi de undă până la 1.050 nm pot fi văzute ca o strălucire roșie plictisitoare, provocând unele dificultăți în iluminarea aproape IR a scenelor din întuneric (de obicei această problemă practică este rezolvată prin iluminarea indirectă). Frunzele sunt deosebit de strălucitoare în apropierea IR și, dacă toate scurgerile de lumină vizibilă din jurul unui filtru IR sunt blocate, iar ochiului i se acordă un moment pentru a se adapta la imaginea extrem de slabă care vine printr-un filtru fotografic opac vizual care trece prin IR. este posibil să vedeți efectul Lemn care constă din frunzițe strălucitoare cu IR.
Benzi de telecomunicații în infraroșu
În comunicațiile optice , partea din spectrul infraroșu care este utilizată este împărțită în șapte benzi în funcție de disponibilitatea surselor de lumină care transmit / absorb materiale (fibre) și detectoare:
Grup | Descriptor | Gama lungimii de undă |
---|---|---|
O trupă | Original | 1.260-1.360 nm |
E band | Extins | 1.360-1.460 nm |
S bandă | Lungime de undă scurtă | 1.460-1.530 nm |
C bandă | Convenţional | 1.530-1.565 nm |
L bandă | Lungime de undă lungă | 1.565-1.625 nm |
U band | Lungime de undă ultralungă | 1.625-1.675 nm |
Banda C este banda dominantă pentru rețelele de telecomunicații pe distanțe lungi . Benzile S și L se bazează pe o tehnologie mai puțin bine stabilită și nu sunt la fel de răspândite.
Căldură
Radiațiile infraroșii sunt cunoscute popular ca „radiații termice”, dar undele luminoase și electromagnetice de orice frecvență vor încălzi suprafețele care le absorb. Lumina cu infraroșu de la Soare reprezintă 49% din încălzirea Pământului, restul fiind cauzat de lumina vizibilă care este absorbită apoi re-radiată la lungimi de undă mai mari. Lumină vizibilă sau ultraviolete -emitting lasere poate carboniza hârtie și obiecte incandescently fierbinți emit radiații vizibile. Obiectele la temperatura camerei vor emite radiații concentrate în cea mai mare parte în banda de 8-25 μm, dar aceasta nu este distinctă de emisia de lumină vizibilă de către obiecte incandescente și ultraviolete de obiecte și mai fierbinți (a se vedea corpul negru și legea deplasării Wien ).
Căldura este energie în tranzit care curge din cauza unei diferențe de temperatură. Spre deosebire de căldura transmisă prin conducție termică sau convecție termică, radiația termică se poate propaga printr-un vid . Radiația termică se caracterizează printr-un spectru particular de multe lungimi de undă care sunt asociate cu emisia de la un obiect, datorită vibrației moleculelor sale la o temperatură dată. Radiația termică poate fi emisă de obiecte la orice lungime de undă, iar la temperaturi foarte ridicate, această radiație este asociată cu spectre mult deasupra infraroșului, extinzându-se în regiuni vizibile, ultraviolete și chiar cu raze X (de exemplu, coroana solară ). Astfel, asocierea populară a radiației infraroșii cu radiația termică este doar o coincidență bazată pe temperaturi tipice (relativ scăzute) care se găsesc adesea în apropierea suprafeței planetei Pământ.
Conceptul de emisivitate este important în înțelegerea emisiilor în infraroșu ale obiectelor. Aceasta este o proprietate a unei suprafețe care descrie modul în care emisiile sale termice se abat de la ideea unui corp negru . Pentru a explica mai departe, este posibil ca două obiecte la aceeași temperatură fizică să nu prezinte aceeași imagine în infraroșu dacă au emisivitate diferită. De exemplu, pentru orice valoare de emisivitate prestabilită, obiectele cu emisivitate mai mare vor apărea mai fierbinți, iar cele cu emisivitate mai mică vor apărea mai reci (presupunând, așa cum se întâmplă adesea, că mediul înconjurător este mai rece decât obiectele vizualizate). Atunci când un obiect are o emisivitate mai mică decât perfectă, acesta obține proprietăți de reflectivitate și / sau transparență și astfel temperatura mediului înconjurător este parțial reflectată și / sau transmisă prin obiect. Dacă obiectul ar fi într-un mediu mai fierbinte, atunci un obiect cu emisivitate mai mică la aceeași temperatură ar părea probabil să fie mai fierbinte decât unul mai emisiv. Din acest motiv, selectarea incorectă a emisivității și nerespectarea temperaturilor mediului va da rezultate inexacte atunci când se utilizează camere și pirometre cu infraroșu.
Aplicații
Vedere nocturnă
Infraroșul este utilizat în echipamentele de vizionare nocturnă atunci când nu este suficientă lumină vizibilă pentru a vedea. Dispozitivele de vedere nocturnă funcționează printr-un proces care implică conversia fotonilor de lumină ambientală în electroni care sunt apoi amplificați printr-un proces chimic și electric și apoi convertiți înapoi în lumină vizibilă. Sursele de lumină cu infraroșu pot fi utilizate pentru a spori lumina ambientală disponibilă pentru conversie prin dispozitive de viziune nocturnă, crescând vizibilitatea în întuneric fără a utiliza efectiv o sursă de lumină vizibilă.
Utilizarea luminii în infraroșu și a dispozitivelor de vizionare nocturnă nu trebuie confundată cu imagistica termică , care creează imagini bazate pe diferențele de temperatură a suprafeței prin detectarea radiației infraroșii ( căldură ) care emană din obiecte și din mediul înconjurător.
Termografie
Radiația infraroșie poate fi utilizată pentru a determina de la distanță temperatura obiectelor (dacă este cunoscută emisivitatea). Aceasta se numește termografie sau, în cazul obiectelor foarte fierbinți din NIR sau vizibile, se numește pirometrie . Termografia (imagistica termică) este utilizată în principal în aplicații militare și industriale, dar tehnologia ajunge pe piața publică sub formă de camere cu infraroșu pe mașini datorită costurilor de producție mult reduse.
Camerele termografice detectează radiațiile din domeniul infraroșu al spectrului electromagnetic (aproximativ 9.000-14.000 nanometri sau 9-14 μm) și produc imagini ale acelei radiații. Deoarece radiația infraroșie este emisă de toate obiectele în funcție de temperaturile lor, conform legii radiației corpului negru, termografia face posibilă „vizualizarea” mediului cu sau fără iluminare vizibilă. Cantitatea de radiație emisă de un obiect crește odată cu temperatura, prin urmare termografia permite să se vadă variații de temperatură (de unde și numele).
Imagistica hiperspectrală
O imagine hiperspectrală este o „imagine” care conține spectru continuu printr-o gamă spectrală largă la fiecare pixel. Imagistica hiperspectrală câștigă importanță în domeniul spectroscopiei aplicate, în special cu regiunile spectrale NIR, SWIR, MWIR și LWIR. Aplicațiile tipice includ măsurători biologice, mineralogice, de apărare și industriale.
Imaginea hiperspectrală cu infraroșu termic poate fi realizată în mod similar folosind o cameră termografică , cu diferența fundamentală că fiecare pixel conține un spectru LWIR complet. În consecință, identificarea chimică a obiectului poate fi efectuată fără a fi nevoie de o sursă de lumină externă, cum ar fi Soarele sau Luna. Astfel de camere sunt de obicei aplicate pentru măsurători geologice, supravegherea în aer liber și aplicații UAV .
Alte imagini
În fotografia cu infraroșu , filtrele cu infraroșu sunt utilizate pentru a capta spectrul de infraroșu apropiat. Camerele digitale folosesc adesea blocante cu infraroșu . Camerele digitale mai ieftine și telefoanele cu cameră au filtre mai puțin eficiente și pot „vedea” un infraroșu intens intens, care apare ca o culoare alb-purpuriu strălucitor. Acest lucru este deosebit de pronunțat atunci când faceți fotografii cu subiecți în apropiere de zone cu lumină IR (cum ar fi lângă o lampă), unde interferența infraroșie rezultată poate spăla imaginea. Există, de asemenea, o tehnică numită imagistica cu raze T , care este imagistica utilizând radiații cu infraroșu îndepărtat sau terahertz . Lipsa surselor luminoase poate face fotografia terahertz mai provocatoare decât majoritatea celorlalte tehnici de imagistică cu infraroșu. Recent, imagistica cu raze T a avut un interes considerabil datorită unui număr de noi dezvoltări, cum ar fi spectroscopia în domeniu de timp terahertz .
Urmărire
Urmărirea în infraroșu, cunoscută și sub denumirea de homing în infraroșu, se referă la un sistem de ghidare a rachetelor pasive , care utilizează emisia de la o țintă de radiații electromagnetice din partea infraroșie a spectrului pentru a o urmări. Rachetele care folosesc căutarea în infraroșu sunt adesea denumite „căutători de căldură”, deoarece infraroșul (IR) este chiar sub spectrul vizibil al luminii în frecvență și este radiat puternic de corpurile fierbinți. Multe obiecte, cum ar fi oamenii, motoarele vehiculelor și aeronavele, generează și rețin căldura și, ca atare, sunt vizibile în special în lungimile de undă cu infraroșu ale luminii în comparație cu obiectele din fundal.
Incalzi
Radiația infraroșie poate fi utilizată ca sursă de încălzire deliberată. De exemplu, este utilizat în saunele cu infraroșu pentru a încălzi ocupanții. Poate fi folosit și în alte aplicații de încălzire, cum ar fi pentru a îndepărta gheața de pe aripile aeronavei (dezghețare). Radiația infraroșie este utilizată în gătit, cunoscută sub numele de grătar sau grătar . Un avantaj energetic este că energia IR încălzește doar obiecte opace, cum ar fi alimentele, mai degrabă decât aerul din jurul lor.
Încălzirea cu infraroșu devine, de asemenea, mai populară în procesele de fabricație industriale, de exemplu, întărirea acoperirilor, formarea materialelor plastice, recoacerea, sudarea plasticului și uscarea imprimării. În aceste aplicații, încălzitoarele cu infraroșu înlocuiesc cuptoarele cu convecție și încălzirea prin contact.
Eficiența se obține prin potrivirea lungimii de undă a încălzitorului cu infraroșu la caracteristicile de absorbție ale materialului.
Răcire
O varietate de tehnologii sau tehnologii propuse profită de emisiile în infraroșu pentru a răci clădirile sau alte sisteme. Regiunea LWIR (8-15 μm) este utilă în special, deoarece unele radiații la aceste lungimi de undă pot scăpa în spațiu prin atmosferă.
Comunicări
Transmiterea datelor IR este, de asemenea, utilizată în comunicarea pe distanțe scurte între perifericele computerului și asistenții digitali personali . Aceste dispozitive sunt de obicei conforme cu standardele publicate de IrDA , Infrared Data Association. Telecomandele și dispozitivele IrDA utilizează diode cu emisie de lumină în infraroșu (LED-uri) pentru a emite radiații infraroșii care pot fi concentrate de un obiectiv într-un fascicul pe care utilizatorul îl vizează pe detector. Fasciculul este modulat , adică pornit și oprit, conform unui cod pe care receptorul îl interpretează. De obicei se utilizează IR foarte aproape (sub 800 nm) din motive practice. Această lungime de undă este detectată eficient de fotodiodele de siliciu ieftine , pe care receptorul le folosește pentru a converti radiația detectată într-un curent electric . Acest semnal electric este trecut printr -un filtru trece-sus care reține pulsațiile rapide datorate transmițătorului IR, dar filtrează schimbând lent radiația infraroșie din lumina ambientală. Comunicațiile cu infraroșu sunt utile pentru utilizare în interior în zone cu densitate mare a populației. IR nu pătrunde în pereți și, prin urmare, nu interferează cu alte dispozitive din încăperile alăturate. Infraroșul este cel mai comun mod prin care telecomenzile pot comanda aparatele. Protocoalele de control la distanță cu infraroșu, cum ar fi RC-5 , SIRC , sunt utilizate pentru a comunica cu infraroșu.
Comunicarea optică în spațiu liber folosind lasere cu infraroșu poate fi un mod relativ ieftin de a instala o legătură de comunicații într-o zonă urbană care funcționează cu până la 4 gigabit / s, comparativ cu costul îngropării cablului de fibră optică, cu excepția deteriorării radiațiilor. „Deoarece ochiul nu poate detecta IR, clipirea sau închiderea ochilor pentru a preveni sau reduce daunele s-ar putea să nu se întâmple”.
Lasere cu infraroșu sunt utilizate pentru a furniza lumina pentru sistemele de comunicații cu fibră optică . Lumina infraroșie cu o lungime de undă de aproximativ 1.330 nm (cea mai mică dispersie ) sau 1.550 nm (cea mai bună transmisie) sunt cele mai bune alegeri pentru fibrele de silice standard .
Transmiterea datelor IR a versiunilor audio codificate ale semnelor tipărite este cercetată ca un ajutor pentru persoanele cu deficiențe de vedere prin proiectul RIAS (Remote Infrared Audible Signage) . Transmiterea datelor IR de la un dispozitiv la altul este uneori denumită radiație .
Spectroscopie
Spectroscopia vibrațională în infraroșu (vezi și spectroscopia în infraroșu apropiat ) este o tehnică care poate fi utilizată pentru identificarea moleculelor prin analiza legăturilor lor constitutive. Fiecare legătură chimică dintr-o moleculă vibrează la o frecvență caracteristică legăturii respective. Un grup de atomi într - o moleculă ( de exemplu, CH 2 ) , pot avea mai multe moduri de oscilație cauzate de întindere și îndoire mișcările grupului ca întreg. Dacă o oscilație duce la o modificare a dipolului în moleculă, atunci va absorbi un foton care are aceeași frecvență. Frecvențele vibraționale ale majorității moleculelor corespund frecvențelor luminii infraroșii. De obicei, tehnica este utilizată pentru a studia compușii organici folosind radiația luminii din infraroșu mediu, de 4000-400 cm -1 . Se înregistrează un spectru al tuturor frecvențelor de absorbție dintr-o probă. Aceasta poate fi utilizată pentru a obține informații despre compoziția probei în ceea ce privește grupurile chimice prezente și, de asemenea, puritatea acesteia (de exemplu, o probă umedă va arăta o absorbție largă de OH în jurul a 3200 cm -1 ). Unitatea pentru exprimarea radiației în această aplicație, cm -1 , este numărul de undă spectroscopic . Este frecvența împărțită la viteza luminii în vid.
Metrologie cu film subțire
În industria semiconductoarelor, lumina în infraroșu poate fi utilizată pentru a caracteriza materiale precum pelicule subțiri și structuri periodice de tranșee. Măsurând reflectanța luminii de pe suprafața unei napolitane semiconductoare, indicele de refracție (n) și coeficientul de dispariție (k) pot fi determinate prin intermediul ecuațiilor de dispersie Forouhi-Bloomer . Reflectanța din lumina infraroșie poate fi, de asemenea, utilizată pentru a determina dimensiunea critică, adâncimea și unghiul peretelui lateral al structurilor de tranșee cu un raport de aspect ridicat.
Meteorologie
Sateliții meteo echipați cu radiometre de scanare produc imagini termice sau infraroșii, care pot permite apoi unui analist instruit să determine înălțimile și tipurile norilor, să calculeze temperaturile apei terestre și de suprafață și să localizeze caracteristicile suprafeței oceanului. Scanarea este de obicei cuprinsă între 10,3-12,5 μm (canale IR4 și IR5).
Nori cu vârfuri înalte și reci, cum ar fi cicloni sau cumulonimbus , sunt adesea afișați ca roșu sau negru, nori mai calzi, cum ar fi stratus sau stratocumulus, sunt afișați ca albastru sau gri, cu nori intermediari umbrite în consecință. Suprafețele fierbinți sunt afișate ca gri-închis sau negru. Un dezavantaj al imaginilor în infraroșu este că norul scăzut, cum ar fi stratul sau ceața, poate avea o temperatură similară cu suprafața terestră sau a mării înconjurătoare și nu apare. Cu toate acestea, utilizând diferența de luminozitate a canalului IR4 (10,3-11,5 μm) și a canalului cu infraroșu apropiat (1,58-1,64 μm), se poate distinge norul scăzut, producând o imagine de satelit de ceață . Principalul avantaj al infraroșu este că imaginile pot fi produse noaptea, permițând studierea unei secvențe continue de vreme.
Aceste imagini în infraroșu pot înfățișa vârtejuri oceanice sau vârtejuri și hărți curenți precum Gulf Stream, care sunt valoroși pentru industria navală. Pescarii și fermierii sunt interesați să cunoască temperatura pământului și a apei pentru a-și proteja recoltele împotriva înghețului sau pentru a-și crește captura din mare. Chiar și fenomenele El Niño pot fi observate. Folosind tehnici digitalizate prin culoare, imaginile termice cu nuanțe de gri pot fi convertite în culoare pentru identificarea mai ușoară a informațiilor dorite.
Canalul principal de vapori de apă de la 6,40 la 7,08 μm poate fi imaginat de unii sateliți meteorologici și arată cantitatea de umiditate din atmosferă.
Climatologie
În domeniul climatologiei, radiațiile infraroșii atmosferice sunt monitorizate pentru a detecta tendințele schimbului de energie dintre pământ și atmosferă. Aceste tendințe oferă informații despre schimbările pe termen lung ale climatului Pământului. Este unul dintre parametrii principali studiați în cercetarea încălzirii globale , împreună cu radiația solară .
Un pirgeometru este utilizat în acest domeniu de cercetare pentru a efectua măsurători continue în aer liber. Acesta este un radiometru cu bandă largă cu infraroșu, cu sensibilitate la radiații infraroșii între aproximativ 4,5 μm și 50 μm.
Astronomie
Astronomii observă obiecte din porțiunea infraroșie a spectrului electromagnetic folosind componente optice, inclusiv oglinzi, lentile și detectoare digitale în stare solidă. Din acest motiv, este clasificat ca parte a astronomiei optice . Pentru a forma o imagine, componentele unui telescop cu infraroșu trebuie protejate cu atenție de sursele de căldură, iar detectoarele sunt răcite cu heliu lichid .
Sensibilitatea telescoapelor cu infraroșu bazate pe Pământ este limitată semnificativ de vaporii de apă din atmosferă, care absoarbe o porțiune din radiația infraroșie care ajunge din spațiul din afara ferestrelor atmosferice selectate . Această limitare poate fi parțial atenuată prin plasarea observatorului telescopului la o altitudine mare sau prin transportarea telescopului în sus cu un balon sau cu un avion. Telescoapele spațiale nu suferă de acest handicap, astfel încât spațiul cosmic este considerat locația ideală pentru astronomie în infraroșu.
Porțiunea în infraroșu a spectrului are câteva avantaje utile pentru astronomi. Norii moleculari reci și întunecați de gaz și praf din galaxia noastră vor străluci cu căldură radiată, pe măsură ce sunt iradiați de stele încorporate. Infraroșul poate fi, de asemenea, utilizat pentru a detecta protostele înainte de a începe să emită lumină vizibilă. Stelele emit o porțiune mai mică din energia lor în spectrul infraroșu, astfel încât obiectele reci din apropiere, cum ar fi planetele, pot fi detectate mai ușor. (În spectrul luminii vizibile, strălucirea stelei va îneca lumina reflectată de pe o planetă.)
Lumina cu infraroșu este, de asemenea, utilă pentru observarea nucleelor galaxiilor active , care sunt adesea învelite în gaz și praf. Galaxiilor îndepărtate cu o schimbare ridicată la roșu vor avea porțiunea de vârf a spectrului lor deplasată spre lungimi de undă mai mari, astfel încât acestea să fie observate mai ușor în infraroșu.
Curățarea în infraroșu
Curățarea în infraroșu este o tehnică utilizată de unele scanere de filme pentru film , scanere de film și scanere cu plat pentru a reduce sau elimina efectul prafului și zgârieturilor la scanarea finalizată . Funcționează prin colectarea unui canal suplimentar în infraroșu din scanare în aceeași poziție și rezoluție ca și cele trei canale vizibile de culoare (roșu, verde și albastru). Canalul în infraroșu, în combinație cu celelalte canale, este utilizat pentru a detecta locația zgârieturilor și a prafului. Odată localizate, aceste defecte pot fi corectate prin scalare sau înlocuite cu pictura .
Conservarea și analiza artei
Reflectografia în infraroșu poate fi aplicată picturilor pentru a dezvălui straturile subiacente într-o manieră nedistructivă, în special subdesenarea artistului sau conturul desenat ca ghid. Conservatorii de artă folosesc tehnica pentru a examina modul în care straturile vizibile de vopsea diferă de subdesene sau straturi între ele (astfel de modificări sunt numite pentimenti atunci când sunt făcute de artistul original). Aceasta este o informație foarte utilă pentru a decide dacă o pictură este versiunea principală a artistului original sau o copie și dacă a fost modificată de lucrări de restaurare exagerate. În general, cu cât sunt mai mulți pentimenti, cu atât este mai probabil ca o pictură să fie versiunea principală. De asemenea, oferă informații utile despre practicile de lucru. Reflectografia dezvăluie adesea utilizarea de negru de fum de către artist , care apare bine în reflectograme, atâta timp cât nu a fost folosită și în pământul care stă la baza întregului tablou.
Progresele recente în ceea ce privește proiectarea camerelor sensibile la infraroșu face posibilă descoperirea și descrierea nu numai a picturilor inferioare și pentimenti, ci a picturilor întregi care au fost ulterior pictate în exces de către artist. Exemple notabile sunt Femeia de călcat și Camera albastră a lui Picasso , unde în ambele cazuri un portret al unui bărbat a fost făcut vizibil sub pictură așa cum este cunoscut astăzi.
Utilizări similare ale infraroșilor sunt făcute de conservatori și oameni de știință pe diferite tipuri de obiecte, în special documente scrise foarte vechi, precum sulurile de la Marea Moartă , lucrările romane din Vila Papirilor și textele Drumului Mătăsii găsite în Peșterile Dunhuang . Negrul de fum folosit în cerneală poate apărea extrem de bine.
Sisteme biologice
Vipera groapa are o pereche de gropi senzoriale infraroșu de pe cap. Există incertitudine cu privire la sensibilitatea termică exactă a acestui sistem biologic de detectare în infraroșu.
Alte organisme care au organe termoreceptive sunt pitonii (familia Pythonidae ), unele boas (familia Boidae ), liliacul vampir comun ( Desmodus rotundus ), o varietate de gândaci bijuterii ( Melanophila acuminata ), fluturi cu pigmenți negri ( Pachliopta aristolochiae și Troides rhadamantus plateni ) și, eventual, bug-uri care suge sânge ( Triatoma infestans ).
Unele ciuperci precum Venturia inaequalis necesită lumină aproape în infraroșu pentru ejectare
Deși viziunea în infraroșu apropiat (780-1.000 nm) a fost considerată imposibilă mult timp din cauza zgomotului în pigmenții vizuali, senzația de lumină în infraroșu apropiat a fost raportată la crapul comun și la trei specii de ciclide. Peștii folosesc NIR pentru a captura prada și pentru orientarea fototactică la înot. Senzația NIR la pești poate fi relevantă în condiții de iluminare slabă în amurg și în apele de suprafață tulburi.
Fotobiomodulare
Lumina în infraroșu apropiat sau fotobiomodularea este utilizată pentru tratamentul ulcerațiilor orale induse de chimioterapie, precum și pentru vindecarea rănilor. Există unele lucrări legate de tratamentul împotriva virusului herpes. Proiectele de cercetare includ lucrul asupra efectelor de vindecare a sistemului nervos central prin reglarea ascendentă a citocromului c oxidază și a altor mecanisme posibile.
Pericole pentru sănătate
Radiațiile infraroșii puternice în anumite setări de căldură ridicate din industrie pot fi periculoase pentru ochi, putând duce la deteriorarea sau orbirea utilizatorului. Deoarece radiația este invizibilă, trebuie purtate ochelari de protecție IR speciale în astfel de locuri.
Istoria științei în infraroșu
Descoperirea radiațiilor infraroșii este atribuită lui William Herschel , astronomul , la începutul secolului al XIX-lea. Herschel și-a publicat rezultatele în 1800 în fața Societății Regale din Londra . Herschel a folosit o prismă pentru a refracta lumina de la soare și a detectat infraroșul, dincolo de partea roșie a spectrului, printr-o creștere a temperaturii înregistrate pe un termometru . A fost surprins de rezultat și i-a numit „Raze Calorifice”. Termenul „infraroșu” nu a apărut decât la sfârșitul secolului al XIX-lea.
Alte date importante includ:
- 1737: Émilie du Châtelet a prezis ceea ce este astăzi cunoscut sub numele de radiații infraroșii în Dissertation sur la nature et la propagation du feu .
- 1830: Leopoldo Nobili a realizat primul detector IR termopil .
- 1840: John Herschel produce prima imagine termică, numită termogramă .
- 1860: Gustav Kirchhoff a formulat teorema corpului negru .
- 1873: Willoughby Smith a descoperit fotoconductivitatea seleniului .
- 1878: Samuel Pierpont Langley inventează primul bolometru , un dispozitiv capabil să măsoare mici fluctuații de temperatură și, astfel, puterea surselor cu infraroșu îndepărtat.
- 1879: Legea Stefan – Boltzmann a formulat empiric că puterea radiată de un corp negru este proporțională cu T 4 .
- Anii 1880 și 1890: Lord Rayleigh și Wilhelm Wien au rezolvat o parte din ecuația corpului negru, dar ambele soluții au divergut în părți ale spectrului electromagnetic. Această problemă a fost numită „ catastrofă ultravioletă și catastrofă în infraroșu”.
- 1892: Willem Henri Julius a publicat spectre în infraroșu a 20 de compuși organici măsurați cu un bolometru în unități de deplasare unghiulară.
- 1901: Max Planck a publicat ecuația și teorema corpului negru . El a rezolvat problema cuantificând tranzițiile de energie permise.
- 1905: Albert Einstein a dezvoltat teoria efectului fotoelectric .
- 1905–1908: William Coblentz a publicat spectre infraroșii în unități de lungime de undă (micrometri) pentru mai mulți compuși chimici în Investigațiile spectrelor infraroșii .
- 1917: Theodore Case dezvoltă detectorul de sulfuri taloase ; Oamenii de știință britanici au construit primul dispozitiv de căutare și urmărire în infraroșu (IRST) capabil să detecteze aeronavele la o distanță de 1,6 km.
- 1935: săruri de plumb - îndrumarea timpurie a rachetelor în al doilea război mondial .
- 1938: Yeou Ta a prezis că efectul piroelectric ar putea fi folosit pentru a detecta radiațiile infraroșii.
- 1945: Sistemul de arme cu infraroșu Zielgerät 1229 "Vampir" a fost introdus ca primul dispozitiv portabil cu infraroșu pentru aplicații militare.
- 1952: Heinrich Welker a cultivat cristale sintetice InSb .
- Anii 1950 și 1960: Nomenclatură și unități radiometrice definite de Fred Nicodemenus , G. J. Zissis și R. Clark ; Robert Clark Jones a definit D *.
- 1958: W. D. Lawson ( Royal Radar Establishment in Malvern) a descoperit proprietățile de detecție IR ale telururii de mercur cadmiu (HgCdTe).
- 1958: rachetele Falcon și Sidewinder au fost dezvoltate folosind tehnologia infraroșu.
- Anii 1960: Paul Kruse și colegii săi de la Honeywell Research Center demonstrează utilizarea HgCdTe ca un compus eficient pentru detectarea în infraroșu.
- 1962: J. Cooper a demonstrat detectarea piroelectrică.
- 1964: W. G. Evans a descoperit termoreceptori în infraroșu într-un gândac pirofil.
- 1965: Primul manual IR; primele imagini comerciale ( Barnes, Agema (acum face parte din FLIR Systems Inc.)); Textul reper al lui Richard Hudson ; F4 TRAM FLIR de Hughes ; fenomenologie inițiată de Fred Simmons și A. T. Stair ; S-a format laboratorul de viziune nocturnă al armatei SUA (acum Direcția de viziune nocturnă și senzori electronici (NVESD)), iar Rachets dezvoltă acolo modelarea de detectare, recunoaștere și identificare.
- 1970: Willard Boyle și George E. Smith au propus CCD la Bell Labs pentru telefonul cu imagine .
- 1973: Programul de modul comun a început de NVESD.
- 1978: Astronomia imagistică cu infraroșu a ajuns la vârsta majorității , au fost planificate observatoare, a fost deschis IRTF pe Mauna Kea; Matrice 32 × 32 și 64 × 64 produse folosind InSb, HgCdTe și alte materiale.
- 2013: pe 14 februarie, cercetătorii au dezvoltat un implant neuronal care oferă șobolanilor capacitatea de a simți lumina infraroșie, care oferă pentru prima dată creaturilor vii noi abilități, în loc să înlocuiască sau să mărească abilitățile existente.
Vezi si
Note
Referințe
linkuri externe
- Infraroșu: o perspectivă istorică (Omega Engineering)
- Asociația de date în infraroșu , o organizație de standardizare pentru interconectarea datelor în infraroșu
- Protocol SIRC
- Cum se construiește un receptor cu infraroșu USB pentru a controla computerul de la distanță
- Undele infraroșii : explicație detaliată a luminii infraroșii. (NASA)
- Lucrarea originală a lui Herschel din 1800 care anunța descoperirea luminii în infraroșu
- Biblioteca termografică , colecția de termograme
- Reflectografie în infraroșu în analiza picturilor la ColourLex
- Molly Faries, Techniques and Applications - Analitic Capability of Infrared Reflectography: An Art Historian s Perspective , in Scientific Examination of Art: Modern Techniques in Conservation and Analysis, Sackler NAS Colloquium, 2005