Infrarot
NachtsichtBearbeiten
Infrarot wird in Nachtsichtgeräten verwendet, wenn das sichtbare Licht nicht ausreicht, um zu sehen. Nachtsichtgeräte funktionieren durch einen Prozess, bei dem Photonen des Umgebungslichts in Elektronen umgewandelt werden, die dann durch einen chemischen und elektrischen Prozess verstärkt und anschließend wieder in sichtbares Licht umgewandelt werden. Infrarot-Lichtquellen können verwendet werden, um das verfügbare Umgebungslicht für die Umwandlung durch Nachtsichtgeräte zu verstärken und so die Sichtbarkeit im Dunkeln zu erhöhen, ohne eine sichtbare Lichtquelle zu verwenden.
Die Verwendung von Infrarot-Licht und Nachtsichtgeräten sollte nicht mit der Wärmebildtechnik verwechselt werden, die Bilder auf der Grundlage von Unterschieden in der Oberflächentemperatur erzeugt, indem sie Infrarotstrahlung (Wärme) erkennt, die von Objekten und ihrer Umgebung ausgeht.
ThermografieBearbeiten
Hauptartikel: Thermografie
Mit Hilfe von Infrarotstrahlung kann die Temperatur von Objekten aus der Ferne bestimmt werden (wenn der Emissionsgrad bekannt ist). Dies wird als Thermografie oder bei sehr heißen Objekten im NIR oder Sichtbaren als Pyrometrie bezeichnet. Die Thermografie (Wärmebildtechnik) wird hauptsächlich in militärischen und industriellen Anwendungen eingesetzt, aber die Technologie erreicht aufgrund der stark reduzierten Produktionskosten auch den öffentlichen Markt in Form von Infrarotkameras in Autos.
Thermografiekameras erkennen Strahlung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums (etwa 9.000-14.000 Nanometer oder 9-14 μm) und erzeugen Bilder dieser Strahlung. Da Infrarotstrahlung nach dem Gesetz der Schwarzkörperstrahlung von allen Objekten in Abhängigkeit von ihrer Temperatur emittiert wird, ermöglicht die Thermografie das „Sehen“ der Umgebung mit oder ohne sichtbare Beleuchtung. Die Menge der von einem Objekt emittierten Strahlung steigt mit der Temperatur, daher kann man mit der Thermografie Temperaturschwankungen sehen (daher der Name).
Hyperspektrale BildgebungBearbeiten
Ein hyperspektrales Bild ist ein „Bild“, das ein kontinuierliches Spektrum über einen breiten Spektralbereich an jedem Pixel enthält. Die hyperspektrale Bildgebung gewinnt im Bereich der angewandten Spektroskopie zunehmend an Bedeutung, insbesondere in den Spektralbereichen NIR, SWIR, MWIR und LWIR. Typische Anwendungen sind biologische, mineralogische, wehrtechnische und industrielle Messungen.
Die hyperspektrale Bildgebung im thermischen Infrarot kann in ähnlicher Weise mit einer Thermografiekamera durchgeführt werden, mit dem wesentlichen Unterschied, dass jedes Pixel ein vollständiges LWIR-Spektrum enthält. Folglich kann die chemische Identifizierung des Objekts ohne eine externe Lichtquelle wie die Sonne oder den Mond durchgeführt werden. Solche Kameras werden typischerweise für geologische Messungen, Außenüberwachung und UAV-Anwendungen eingesetzt.
Sonstige Bildgebung
In der Infrarotfotografie werden Infrarotfilter verwendet, um das Nahinfrarotspektrum zu erfassen. Digitalkameras verwenden oft Infrarot-Blocker. Billigere Digitalkameras und Kamerahandys haben weniger effektive Filter und können intensives Nahinfrarot „sehen“, das als helle lila-weiße Farbe erscheint. Dies ist besonders ausgeprägt bei Aufnahmen von Motiven in der Nähe von IR-hellen Bereichen (z. B. in der Nähe einer Lampe), wo die resultierende Infrarot-Interferenz das Bild verwaschen kann. Es gibt auch eine Technik, die als „T-Ray“-Bildgebung bezeichnet wird, d. h. eine Bildgebung mit Ferninfrarot- oder Terahertz-Strahlung. Der Mangel an hellen Strahlungsquellen kann die Terahertz-Fotografie schwieriger machen als die meisten anderen Infrarot-Bildgebungsverfahren. In letzter Zeit ist die T-Ray-Imaging-Technik aufgrund einer Reihe neuer Entwicklungen wie der Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie von großem Interesse.
TrackingEdit
Infrarot-Suchlauf, auch Infrarot-Suchlauf genannt, bezeichnet ein passives Raketenleitsystem, das die Emission von elektromagnetischer Strahlung im infraroten Teil des Spektrums von einem Ziel nutzt, um es zu verfolgen. Flugkörper, die die Infrarot-Suche nutzen, werden oft als „Wärme-Sucher“ bezeichnet, da Infrarot (IR) in der Frequenz knapp unterhalb des sichtbaren Lichtspektrums liegt und von heißen Körpern stark abgestrahlt wird. Viele Objekte wie Menschen, Fahrzeugmotoren und Flugzeuge erzeugen und speichern Wärme und sind daher in den infraroten Wellenlängen des Lichts im Vergleich zu Objekten im Hintergrund besonders gut sichtbar.
HeizungBearbeiten
Infrarotstrahlung kann als gezielte Wärmequelle eingesetzt werden. Zum Beispiel wird sie in Infrarotsaunen verwendet, um die Insassen zu erwärmen. Sie kann auch in anderen Wärmeanwendungen eingesetzt werden, z. B. um Eis von den Tragflächen von Flugzeugen zu entfernen (Enteisung). Infrarot-Strahlung wird beim Kochen, dem sogenannten Braten oder Grillen, eingesetzt. Ein energetischer Vorteil ist, dass die IR-Energie nur undurchsichtige Objekte, wie z. B. Lebensmittel, erwärmt und nicht die Luft um sie herum.
Infrarotheizungen werden auch in industriellen Fertigungsprozessen immer beliebter, z. B. beim Aushärten von Beschichtungen, beim Formen von Kunststoffen, beim Glühen, beim Kunststoffschweißen und beim Trocknen von Drucken. In diesen Anwendungen ersetzen Infrarotheizungen Konvektionsöfen und Kontaktheizungen.
Die Effizienz wird durch die Anpassung der Wellenlänge der Infrarotheizung an die Absorptionseigenschaften des Materials erreicht.
Kühlen
Eine Vielzahl von Technologien oder vorgeschlagenen Technologien nutzen die Infrarotstrahlung, um Gebäude oder andere Systeme zu kühlen. Der LWIR-Bereich (8-15 μm) ist besonders nützlich, da ein Teil der Strahlung bei diesen Wellenlängen durch die Atmosphäre in den Weltraum entweichen kann.
KommunikationEdit
Die IR-Datenübertragung wird auch in der Nahbereichskommunikation von Computerperipheriegeräten und persönlichen digitalen Assistenten eingesetzt. Diese Geräte entsprechen in der Regel den von der IrDA, der Infrared Data Association, veröffentlichten Standards. Fernbedienungen und IrDA-Geräte verwenden infrarote Leuchtdioden (LEDs), um Infrarotstrahlung auszusenden, die durch eine Linse zu einem Strahl konzentriert werden kann, den der Benutzer auf den Detektor richtet. Der Strahl wird moduliert, d. h. ein- und ausgeschaltet, gemäß einem Code, den der Empfänger interpretiert. Üblicherweise wird aus praktischen Gründen sehr nahes IR verwendet (unter 800 nm). Diese Wellenlänge wird von preiswerten Silizium-Photodioden effizient detektiert, die der Empfänger nutzt, um die detektierte Strahlung in einen elektrischen Strom umzuwandeln. Dieses elektrische Signal wird durch einen Hochpassfilter geleitet, der die schnellen Pulsationen des IR-Senders beibehält, aber die sich langsam verändernde Infrarotstrahlung des Umgebungslichts herausfiltert. Infrarot-Kommunikation ist nützlich für den Einsatz in Innenräumen in Gebieten mit hoher Bevölkerungsdichte. IR durchdringt keine Wände und stört daher nicht andere Geräte in angrenzenden Räumen. Infrarot ist die gebräuchlichste Methode für Fernbedienungen, um Geräte zu steuern.
Infrarot-Fernbedienungsprotokolle wie RC-5, SIRC, werden verwendet, um mit Infrarot zu kommunizieren.
Die optische Kommunikation im freien Raum unter Verwendung von Infrarotlasern kann eine relativ kostengünstige Möglichkeit sein, eine Kommunikationsverbindung in einem städtischen Gebiet zu installieren, die mit bis zu 4 Gigabit/s arbeitet, verglichen mit den Kosten für das Vergraben von Glasfaserkabeln, abgesehen von den Strahlungsschäden. „Da das Auge IR nicht erkennen kann, kann es passieren, dass man blinzelt oder die Augen schließt, um Schäden zu vermeiden oder zu reduzieren.“
Infrarotlaser werden verwendet, um das Licht für Glasfaserkommunikationssysteme bereitzustellen. Infrarotlicht mit einer Wellenlänge um 1.330 nm (geringste Dispersion) oder 1.550 nm (beste Übertragung) sind die beste Wahl für Standard-Silikatfasern.
Die IR-Datenübertragung von kodierten Audioversionen gedruckter Schilder wird als Hilfsmittel für sehbehinderte Menschen durch das RIAS-Projekt (Remote Infrared Audible Signage) erforscht.Die Übertragung von IR-Daten von einem Gerät zu einem anderen wird manchmal als Beamen bezeichnet.
SpektroskopieEdit
Die Infrarot-Schwingungsspektroskopie (siehe auch Nahinfrarotspektroskopie) ist eine Technik, die zur Identifizierung von Molekülen durch die Analyse der sie bildenden Bindungen verwendet werden kann. Jede chemische Bindung in einem Molekül schwingt mit einer für diese Bindung charakteristischen Frequenz. Eine Gruppe von Atomen in einem Molekül (z. B. CH2) kann mehrere Schwingungsmoden haben, die durch die Streck- und Biegebewegungen der Gruppe als Ganzes verursacht werden. Wenn eine Schwingung zu einer Änderung des Dipols im Molekül führt, wird es ein Photon absorbieren, das die gleiche Frequenz hat. Die Schwingungsfrequenzen der meisten Moleküle entsprechen den Frequenzen des infraroten Lichts. Typischerweise wird die Technik zur Untersuchung organischer Verbindungen mit Lichtstrahlung aus dem mittleren Infrarotbereich, 4.000-400 cm-1, verwendet. Es wird ein Spektrum aller Absorptionsfrequenzen in einer Probe aufgenommen. Daraus lassen sich Informationen über die Zusammensetzung der Probe in Bezug auf die vorhandenen chemischen Gruppen und auch ihre Reinheit gewinnen (eine feuchte Probe zeigt z. B. eine breite O-H-Absorption um 3200 cm-1). Die Einheit für den Ausdruck der Strahlung in dieser Anwendung, cm-1, ist die spektroskopische Wellenzahl. Sie ist die Frequenz geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
Dünnschicht-MesstechnikBearbeiten
In der Halbleiterindustrie kann Infrarotlicht zur Charakterisierung von Materialien wie dünnen Schichten und periodischen Grabenstrukturen verwendet werden. Durch die Messung der Reflexion von Licht an der Oberfläche eines Halbleiterwafers können der Brechungsindex (n) und der Extinktionskoeffizient (k) über die Forouhi-Bloomer-Dispersionsgleichungen bestimmt werden. Die Reflexion des infraroten Lichts kann auch zur Bestimmung der kritischen Dimension, Tiefe und des Seitenwandwinkels von Trench-Strukturen mit hohem Aspektverhältnis verwendet werden.
MeteorologieBearbeiten
Wettersatelliten, die mit scannenden Radiometern ausgestattet sind, erzeugen thermische oder infrarote Bilder, die es einem geschulten Analysten ermöglichen, Wolkenhöhen und -typen zu bestimmen, Land- und Oberflächenwassertemperaturen zu berechnen und Merkmale der Meeresoberfläche zu lokalisieren. Die Abtastung erfolgt typischerweise im Bereich von 10,3-12,5 μm (IR4- und IR5-Kanäle).
Wolken mit hohen und kalten Spitzen, wie Wirbelstürme oder Cumulonimbuswolken, erscheinen rot oder schwarz, niedrigere wärmere Wolken wie Stratus oder Stratocumulus zeigen sich als blau oder grau, wobei Zwischenwolken entsprechend schattiert sind. Heiße Landoberflächen erscheinen dunkelgrau oder schwarz. Ein Nachteil von Infrarotbildern ist, dass niedrige Wolken wie Stratus oder Nebel eine ähnliche Temperatur wie die umgebende Land- oder Meeresoberfläche haben können und nicht angezeigt werden. Durch die Verwendung des Helligkeitsunterschieds zwischen dem IR4-Kanal (10,3-11,5 μm) und dem Nahinfrarot-Kanal (1,58-1,64 μm) können jedoch niedrige Wolken unterschieden werden, wodurch ein Nebelsatellitenbild entsteht. Der Hauptvorteil von Infrarot ist, dass Bilder in der Nacht erzeugt werden können, wodurch eine kontinuierliche Sequenz des Wetters untersucht werden kann.
Diese Infrarotbilder können Ozeanwirbel oder Wirbel darstellen und Strömungen wie den Golfstrom kartieren, die für die Schifffahrtsindustrie wertvoll sind. Fischer und Landwirte sind daran interessiert, die Land- und Wassertemperaturen zu kennen, um ihre Ernten vor Frost zu schützen oder ihren Fang im Meer zu steigern. Sogar El-Niño-Phänomene können erkannt werden. Mit Hilfe von Farbdigitalisierungstechniken können die grau schattierten Wärmebilder in Farbe umgewandelt werden, um die gewünschten Informationen leichter zu erkennen.
Der Hauptwasserdampfkanal bei 6,40 bis 7,08 μm kann von einigen Wettersatelliten abgebildet werden und zeigt die Menge der Feuchtigkeit in der Atmosphäre an.
KlimatologieEdit
In der Klimatologie wird die atmosphärische Infrarotstrahlung beobachtet, um Trends im Energieaustausch zwischen der Erde und der Atmosphäre zu erkennen. Diese Trends liefern Informationen über langfristige Veränderungen des Erdklimas. Sie ist neben der Sonnenstrahlung einer der wichtigsten Parameter bei der Erforschung der globalen Erwärmung.
Für kontinuierliche Messungen im Freien wird in diesem Forschungsbereich ein Pyrgeometer eingesetzt. Dabei handelt es sich um ein Breitband-Infrarotradiometer mit einer Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung zwischen etwa 4,5 μm und 50 μm.
AstronomieEdit
Astronomen beobachten Objekte im infraroten Teil des elektromagnetischen Spektrums mit Hilfe von optischen Komponenten, einschließlich Spiegeln, Linsen und digitalen Festkörperdetektoren. Aus diesem Grund wird sie als Teil der optischen Astronomie klassifiziert. Um ein Bild zu erzeugen, müssen die Komponenten eines Infrarot-Teleskops sorgfältig von Wärmequellen abgeschirmt werden, und die Detektoren werden mit flüssigem Helium gekühlt.
Die Empfindlichkeit erdgebundener Infrarot-Teleskope wird durch den Wasserdampf in der Atmosphäre erheblich eingeschränkt, der einen Teil der Infrarot-Strahlung absorbiert, die aus dem Weltraum außerhalb ausgewählter atmosphärischer Fenster ankommt. Diese Einschränkung kann teilweise dadurch gemildert werden, dass man das Teleskopobservatorium in großer Höhe aufstellt oder das Teleskop mit einem Ballon oder einem Flugzeug in die Luft bringt. Weltraumteleskope leiden nicht unter diesem Handicap, und so gilt der Weltraum als idealer Ort für die Infrarot-Astronomie.
Der infrarote Teil des Spektrums hat mehrere nützliche Vorteile für Astronomen. Kalte, dunkle Molekülwolken aus Gas und Staub in unserer Galaxie leuchten mit der abgestrahlten Wärme, wenn sie von eingebetteten Sternen bestrahlt werden. Infrarot kann auch verwendet werden, um Protosterne aufzuspüren, bevor sie beginnen, sichtbares Licht zu emittieren. Sterne emittieren einen kleineren Teil ihrer Energie im Infrarotspektrum, so dass nahe gelegene kühle Objekte wie Planeten leichter entdeckt werden können. (Im sichtbaren Lichtspektrum übertönt das grelle Licht des Sterns das reflektierte Licht eines Planeten.)
Infrarotlicht ist auch nützlich, um die Kerne aktiver Galaxien zu beobachten, die oft in Gas und Staub gehüllt sind. Bei weit entfernten Galaxien mit hoher Rotverschiebung ist der Spitzenwert ihres Spektrums zu längeren Wellenlängen hin verschoben, so dass sie im Infraroten besser beobachtet werden können.
Infrarot-Reinigung
Die Infrarot-Reinigung ist eine Technik, die von einigen Kinofilm-Scannern, Film-Scannern und Flachbett-Scannern verwendet wird, um die Auswirkungen von Staub und Kratzern auf den fertigen Scan zu reduzieren oder zu entfernen. Sie funktioniert, indem ein zusätzlicher Infrarotkanal vom Scan an derselben Position und mit derselben Auflösung wie die drei sichtbaren Farbkanäle (rot, grün und blau) erfasst wird. Der Infrarotkanal wird in Kombination mit den anderen Kanälen verwendet, um die Position von Kratzern und Staub zu erkennen. Einmal lokalisiert, können diese Defekte durch Skalierung korrigiert oder durch Inpainting ersetzt werden.
Kunstkonservierung und -analyseBearbeiten
Infrarot-Reflektographie kann bei Gemälden angewandt werden, um darunter liegende Schichten auf eine nichtzerstörungsfreien Weise sichtbar zu machen, insbesondere die Unterzeichnungen oder Umrisse des Künstlers, die als Vorlage dienen. Kunstrestauratoren nutzen die Technik, um zu untersuchen, wie sich die sichtbaren Farbschichten von der Unterzeichnung oder den dazwischen liegenden Schichten unterscheiden (solche Veränderungen werden Pentimenti genannt, wenn sie vom ursprünglichen Künstler vorgenommen wurden). Dies ist eine sehr nützliche Information, um zu entscheiden, ob es sich bei einem Gemälde um die Erstfassung des ursprünglichen Künstlers oder um eine Kopie handelt und ob es durch übereifrige Restaurierungsarbeiten verändert wurde. Im Allgemeinen gilt: Je mehr Pentimenti, desto wahrscheinlicher ist es, dass es sich bei einem Gemälde um die Erstfassung handelt. Sie gibt auch nützliche Einblicke in die Arbeitsweise. Die Reflektographie offenbart oft die Verwendung von Ruß durch den Künstler, der sich in Reflektogrammen gut erkennen lässt, sofern er nicht auch im Untergrund des gesamten Gemäldes verwendet wurde.
Die jüngsten Fortschritte in der Konstruktion von infrarotempfindlichen Kameras machen es möglich, nicht nur Untermalungen und Pentimenti, sondern ganze Gemälde zu entdecken und darzustellen, die später vom Künstler übermalt wurden. Bemerkenswerte Beispiele sind Picassos „Bügelnde Frau“ und „Blaues Zimmer“, wo in beiden Fällen das Porträt eines Mannes unter dem Gemälde, wie es heute bekannt ist, sichtbar gemacht wurde.
Ähnliche Anwendungen von Infrarot werden von Restauratoren und Wissenschaftlern bei verschiedenen Arten von Objekten gemacht, insbesondere bei sehr alten schriftlichen Dokumenten wie den Schriftrollen vom Toten Meer, den römischen Werken in der Villa der Papyri und den Texten der Seidenstraße, die in den Höhlen von Dunhuang gefunden wurden. Ruß, der in Tinte verwendet wird, kann sich extrem gut zeigen.
Biologische SystemeBearbeiten
Die Grubenotter hat ein Paar infrarotsensorische Gruben am Kopf. Es besteht Unklarheit über die genaue thermische Empfindlichkeit dieses biologischen Infrarot-Erkennungssystems.
Andere Organismen, die über thermorezeptive Organe verfügen, sind Pythons (Familie Pythonidae), einige Boas (Familie Boidae), die Gemeine Vampirfledermaus (Desmodus rotundus), eine Vielzahl von Juwelenkäfern (Melanophila acuminata), dunkel pigmentierte Schmetterlinge (Pachliopta aristolochiae und Troides rhadamantus plateni) und möglicherweise blutsaugende Wanzen (Triatoma infestans).
Einige Pilze wie Venturia inaequalis benötigen Nah-Infrarot-Licht für den Auswurf
Obwohl das Sehen im Nah-Infrarot-Bereich (780-1.000 nm) aufgrund des Rauschens der Sehpigmente lange Zeit als unmöglich galt, wurde über die Wahrnehmung von Nah-Infrarot-Licht beim gemeinen Karpfen und bei drei Buntbarscharten berichtet. Fische nutzen NIR zum Beutefang und zur phototaktischen Schwimmorientierung. Die NIR-Empfindung bei Fischen könnte bei schlechten Lichtverhältnissen während der Dämmerung und in trüben Oberflächengewässern relevant sein.
PhotobiomodulationBearbeiten
Nahinfrarotlicht oder Photobiomodulation wird zur Behandlung von chemotherapie-induzierten oralen Ulzerationen sowie zur Wundheilung eingesetzt. Es gibt einige Arbeiten im Zusammenhang mit der Behandlung von Anti-Herpes-Viren. Forschungsprojekte beinhalten Arbeiten zu Heilungseffekten auf das zentrale Nervensystem über die Hochregulierung von Cytochrom c-Oxidase und andere mögliche Mechanismen.
Gesundheitsgefahren
Starke Infrarotstrahlung in bestimmten industriellen Hochtemperaturbereichen kann für die Augen gefährlich sein und zu Schäden oder Blindheit beim Anwender führen. Da die Strahlung unsichtbar ist, müssen an solchen Orten spezielle IR-dichte Schutzbrillen getragen werden.