Infrarossi
Visione notturnaModifica
L’infrarosso viene utilizzato nelle apparecchiature per la visione notturna quando la luce visibile è insufficiente per vedere. I dispositivi di visione notturna funzionano attraverso un processo che comporta la conversione dei fotoni della luce ambientale in elettroni che vengono poi amplificati da un processo chimico ed elettrico e quindi riconvertiti in luce visibile. Le fonti di luce infrarossa possono essere utilizzate per aumentare la luce ambientale disponibile per la conversione da parte dei dispositivi di visione notturna, aumentando la visibilità al buio senza utilizzare effettivamente una fonte di luce visibile.
L’uso della luce infrarossa e dei dispositivi di visione notturna non deve essere confuso con la termografia, che crea immagini basate sulle differenze di temperatura superficiale rilevando la radiazione infrarossa (calore) che emana dagli oggetti e dal loro ambiente circostante.
TermografiaModifica
La radiazione infrarossa può essere usata per determinare a distanza la temperatura degli oggetti (se l’emissività è nota). Questo è chiamato termografia, o nel caso di oggetti molto caldi nel NIR o nel visibile è chiamato pirometria. La termografia (imaging termico) è utilizzata principalmente in applicazioni militari e industriali, ma la tecnologia sta raggiungendo il mercato pubblico sotto forma di telecamere a infrarossi sulle automobili a causa dei costi di produzione notevolmente ridotti.
Le termocamere rilevano la radiazione nella gamma infrarossa dello spettro elettromagnetico (circa 9.000-14.000 nanometri o 9-14 μm) e producono immagini di tale radiazione. Poiché la radiazione infrarossa è emessa da tutti gli oggetti in base alla loro temperatura, secondo la legge della radiazione del corpo nero, la termografia permette di “vedere” il proprio ambiente con o senza illuminazione visibile. La quantità di radiazione emessa da un oggetto aumenta con la temperatura, quindi la termografia permette di vedere le variazioni di temperatura (da cui il nome).
Imaging iperspettraleModifica
Un’immagine iperspettrale è una “foto” contenente uno spettro continuo attraverso un’ampia gamma spettrale ad ogni pixel. L’imaging iperspettrale sta guadagnando importanza nel campo della spettroscopia applicata, in particolare nelle regioni spettrali NIR, SWIR, MWIR e LWIR. Le applicazioni tipiche includono misure biologiche, mineralogiche, di difesa e industriali.
L’imaging iperspettrale nell’infrarosso termico può essere eseguito in modo simile utilizzando una telecamera termografica, con la differenza fondamentale che ogni pixel contiene uno spettro LWIR completo. Di conseguenza, l’identificazione chimica dell’oggetto può essere eseguita senza bisogno di una fonte di luce esterna come il sole o la luna. Tali telecamere sono tipicamente applicate per misurazioni geologiche, sorveglianza esterna e applicazioni UAV.
Altre immaginiModifica
Nella fotografia a infrarossi, i filtri infrarossi sono utilizzati per catturare lo spettro nel vicino infrarosso. Le macchine fotografiche digitali spesso usano dei bloccanti per l’infrarosso. Le fotocamere digitali più economiche e i cellulari con fotocamera hanno filtri meno efficaci e possono “vedere” il vicino infrarosso intenso, apparendo come un colore bianco-viola brillante. Questo è particolarmente pronunciato quando si scattano foto di soggetti vicino ad aree IR-luminose (come vicino ad una lampada), dove l’interferenza infrarossa risultante può lavare l’immagine. C’è anche una tecnica chiamata ‘T-ray’ imaging, che è l’imaging utilizzando il lontano infrarosso o la radiazione terahertz. La mancanza di fonti luminose può rendere la fotografia a terahertz più impegnativa della maggior parte delle altre tecniche di imaging a infrarossi. Recentemente l’imaging a raggi T è stato di notevole interesse a causa di una serie di nuovi sviluppi come la spettroscopia a dominio temporale del terahertz.
TrackingEdit
L’inseguimento a infrarossi, noto anche come homing a infrarossi, si riferisce a un sistema di guida passivo per missili, che utilizza l’emissione da un bersaglio di radiazioni elettromagnetiche nella parte infrarossa dello spettro per tracciarlo. I missili che usano la ricerca a infrarossi sono spesso chiamati “cercatori di calore”, poiché l’infrarosso (IR) è appena sotto lo spettro visibile della luce in frequenza e viene irradiato fortemente dai corpi caldi. Molti oggetti come le persone, i motori dei veicoli e gli aerei generano e trattengono il calore, e come tali, sono particolarmente visibili nelle lunghezze d’onda infrarosse della luce rispetto agli oggetti sullo sfondo.
RiscaldamentoEdit
La radiazione infrarossa può essere utilizzata come fonte di riscaldamento intenzionale. Per esempio, è usata nelle saune a infrarossi per riscaldare gli occupanti. Può anche essere usata in altre applicazioni di riscaldamento, come per rimuovere il ghiaccio dalle ali degli aerei (de-icing). La radiazione infrarossa è usata nella cottura, conosciuta come cottura alla griglia o alla griglia. Un vantaggio energetico è che l’energia IR riscalda solo gli oggetti opachi, come il cibo, piuttosto che l’aria intorno ad essi.
Il riscaldamento a infrarossi sta diventando sempre più popolare nei processi di produzione industriale, ad esempio l’indurimento dei rivestimenti, la formatura della plastica, la ricottura, la saldatura della plastica e l’asciugatura della stampa. In queste applicazioni, i riscaldatori a infrarossi sostituiscono i forni a convezione e il riscaldamento a contatto.
L’efficienza si ottiene facendo corrispondere la lunghezza d’onda del riscaldatore a infrarossi alle caratteristiche di assorbimento del materiale.
RaffreddamentoModifica
Una varietà di tecnologie o tecnologie proposte sfruttano le emissioni infrarosse per raffreddare edifici o altri sistemi. La regione LWIR (8-15 μm) è particolarmente utile in quanto alcune radiazioni a queste lunghezze d’onda possono sfuggire nello spazio attraverso l’atmosfera.
ComunicazioniEdit
La trasmissione dati IR è anche impiegata nella comunicazione a corto raggio tra periferiche di computer e assistenti digitali personali. Questi dispositivi sono solitamente conformi agli standard pubblicati da IrDA, l’Infrared Data Association. I telecomandi e i dispositivi IrDA usano diodi emettitori di luce infrarossa (LED) per emettere radiazioni infrarosse che possono essere concentrate da una lente in un fascio che l’utente punta al rilevatore. Il fascio è modulato, cioè acceso e spento, secondo un codice che il ricevitore interpreta. Di solito si usa l’IR molto vicino (sotto gli 800 nm) per ragioni pratiche. Questa lunghezza d’onda è efficacemente rilevata da fotodiodi al silicio poco costosi, che il ricevitore utilizza per convertire la radiazione rilevata in una corrente elettrica. Questo segnale elettrico viene passato attraverso un filtro passa-alto che mantiene le pulsazioni rapide dovute al trasmettitore IR ma filtra la radiazione infrarossa che cambia lentamente dalla luce ambientale. Le comunicazioni a infrarossi sono utili per l’uso interno in aree ad alta densità di popolazione. L’IR non penetra le pareti e quindi non interferisce con altri dispositivi in stanze adiacenti. L’infrarosso è il modo più comune per i telecomandi di comandare gli elettrodomestici.I protocolli di controllo remoto a infrarossi come RC-5, SIRC, sono usati per comunicare con l’infrarosso.
La comunicazione ottica nello spazio libero usando i laser a infrarossi può essere un modo relativamente poco costoso per installare un collegamento di comunicazione in un’area urbana che opera fino a 4 gigabit/s, rispetto al costo di interrare il cavo a fibra ottica, tranne per i danni da radiazioni. “Poiché l’occhio non può rilevare l’IR, sbattere le palpebre o chiudere gli occhi per aiutare a prevenire o ridurre i danni potrebbe non avvenire.”
I laser a infrarossi sono utilizzati per fornire la luce per i sistemi di comunicazione in fibra ottica. La luce infrarossa con una lunghezza d’onda intorno ai 1.330 nm (minor dispersione) o 1.550 nm (miglior trasmissione) sono le scelte migliori per le fibre di silice standard.
La trasmissione di dati IR di versioni audio codificate di cartelli stampati è stata studiata come un aiuto per persone non vedenti attraverso il progetto RIAS (Remote Infrared Audible Signage).La trasmissione di dati IR da un dispositivo all’altro è talvolta chiamata beaming.
SpettroscopiaModifica
La spettroscopia vibrazionale nell’infrarosso (vedi anche spettroscopia nel vicino infrarosso) è una tecnica che può essere usata per identificare le molecole attraverso l’analisi dei loro legami costituenti. Ogni legame chimico in una molecola vibra ad una frequenza caratteristica di quel legame. Un gruppo di atomi in una molecola (per esempio, CH2) può avere più modi di oscillazione causati dai movimenti di stiramento e di flessione del gruppo nel suo insieme. Se un’oscillazione porta a un cambiamento di dipolo nella molecola, allora questa assorbirà un fotone che ha la stessa frequenza. Le frequenze vibrazionali della maggior parte delle molecole corrispondono alle frequenze della luce infrarossa. Tipicamente, la tecnica è usata per studiare i composti organici usando la radiazione luminosa del medio infrarosso, 4.000-400 cm-1. Viene registrato uno spettro di tutte le frequenze di assorbimento in un campione. Questo può essere usato per ottenere informazioni sulla composizione del campione in termini di gruppi chimici presenti e anche sulla sua purezza (per esempio, un campione bagnato mostrerà un ampio assorbimento O-H intorno a 3200 cm-1). L’unità per esprimere la radiazione in questa applicazione, cm-1, è il numero d’onda spettroscopico. È la frequenza divisa per la velocità della luce nel vuoto.
Metrologia dei film sottiliModifica
Nell’industria dei semiconduttori, la luce infrarossa può essere usata per caratterizzare materiali come film sottili e strutture a trincea periodica. Misurando la riflettanza della luce dalla superficie di un wafer semiconduttore, l’indice di rifrazione (n) e il coefficiente di estinzione (k) possono essere determinati attraverso le equazioni di dispersione di Forouhi-Bloomer. La riflettanza della luce infrarossa può anche essere usata per determinare la dimensione critica, la profondità e l’angolo della parete laterale di strutture trench ad alto rapporto di aspetto.
MeteorologiaEdit
I satelliti meteorologici dotati di radiometri a scansione producono immagini termiche o a infrarossi, che possono poi permettere a un analista esperto di determinare le altezze e i tipi di nuvole, di calcolare le temperature della terra e delle acque superficiali, e di individuare le caratteristiche della superficie dell’oceano. La scansione è tipicamente nell’intervallo 10.3-12.5 μm (canali IR4 e IR5).
Le nuvole con cime alte e fredde, come i cicloni o le nuvole cumulonembi, appaiono rosse o nere, le nuvole più basse e calde come gli stratus o gli stratocumuli appaiono blu o grigie, con nuvole intermedie ombreggiate di conseguenza. Le superfici terrestri calde appariranno come grigio scuro o nero. Uno svantaggio delle immagini a infrarossi è che le nuvole basse, come lo strato o la nebbia, possono avere una temperatura simile a quella della superficie terrestre o marina circostante e non si vedono. Tuttavia, utilizzando la differenza di luminosità del canale IR4 (10,3-11,5 μm) e il canale del vicino infrarosso (1,58-1,64 μm), la nuvola bassa può essere distinta, producendo un’immagine satellitare della nebbia. Il vantaggio principale dell’infrarosso è che le immagini possono essere prodotte di notte, permettendo di studiare una sequenza continua di tempo.
Queste immagini a infrarossi possono raffigurare vortici o vortici oceanici e mappare le correnti come la Corrente del Golfo, che sono preziose per l’industria navale. I pescatori e gli agricoltori sono interessati a conoscere le temperature della terra e dell’acqua per proteggere i loro raccolti dal gelo o aumentare il loro pescato dal mare. Anche i fenomeni di El Niño possono essere individuati. Usando tecniche di digitalizzazione del colore, le immagini termiche in grigio possono essere convertite in colore per una più facile identificazione delle informazioni desiderate.
Il canale principale del vapore acqueo a 6,40-7,08 μm può essere ripreso da alcuni satelliti meteorologici e mostra la quantità di umidità nell’atmosfera.
ClimatologyEdit
Nel campo della climatologia, la radiazione infrarossa atmosferica viene monitorata per rilevare le tendenze nello scambio di energia tra la terra e l’atmosfera. Queste tendenze forniscono informazioni sui cambiamenti a lungo termine del clima terrestre. È uno dei principali parametri studiati nella ricerca sul riscaldamento globale, insieme alla radiazione solare.
Un pirgeometro viene utilizzato in questo campo di ricerca per eseguire misure continue all’aperto. Si tratta di un radiometro a infrarossi a banda larga con sensibilità per la radiazione infrarossa tra circa 4,5 μm e 50 μm.
AstronomiaEdit
Gli astronomi osservano gli oggetti nella porzione infrarossa dello spettro elettromagnetico utilizzando componenti ottici, tra cui specchi, lenti e rilevatori digitali a stato solido. Per questo motivo è classificato come parte dell’astronomia ottica. Per formare un’immagine, i componenti di un telescopio a infrarossi devono essere accuratamente schermati da fonti di calore, e i rivelatori sono raffreddati utilizzando elio liquido.
La sensibilità dei telescopi a infrarossi basati sulla Terra è significativamente limitata dal vapore acqueo nell’atmosfera, che assorbe una parte della radiazione infrarossa che arriva dallo spazio al di fuori di finestre atmosferiche selezionate. Questa limitazione può essere parzialmente alleviata ponendo l’osservatorio del telescopio ad alta quota, o portando il telescopio in alto con un pallone o un aereo. I telescopi spaziali non soffrono di questo handicap, e quindi lo spazio esterno è considerato il luogo ideale per l’astronomia a infrarossi.
La porzione infrarossa dello spettro ha diversi vantaggi utili per gli astronomi. Nubi molecolari fredde e scure di gas e polvere nella nostra galassia brillano di calore irradiato quando vengono irradiate da stelle incorporate. L’infrarosso può anche essere usato per individuare le protostelle prima che comincino a emettere luce visibile. Le stelle emettono una porzione più piccola della loro energia nello spettro dell’infrarosso, quindi gli oggetti freddi vicini come i pianeti possono essere rilevati più facilmente. (Nello spettro della luce visibile, il bagliore della stella coprirà la luce riflessa di un pianeta.)
La luce infrarossa è anche utile per osservare i nuclei delle galassie attive, che sono spesso avvolti da gas e polvere. Le galassie lontane con un elevato redshift avranno la porzione di picco del loro spettro spostata verso lunghezze d’onda più lunghe, quindi sono più facilmente osservabili nell’infrarosso.
Pulizia all’infrarossoModifica
La pulizia all’infrarosso è una tecnica usata da alcuni scanner cinematografici, scanner per pellicole e scanner piatti per ridurre o rimuovere l’effetto di polvere e graffi sulla scansione finita. Funziona raccogliendo un canale infrarosso aggiuntivo dalla scansione nella stessa posizione e risoluzione dei tre canali di colore visibili (rosso, verde e blu). Il canale infrarosso, in combinazione con gli altri canali, viene usato per rilevare la posizione di graffi e polvere. Una volta localizzati, questi difetti possono essere corretti con il ridimensionamento o sostituiti con l’inpainting.
Conservazione e analisi dell’arteModifica
La riflettografia a infrarossi può essere applicata ai dipinti per rivelare gli strati sottostanti in modo nonmodo non distruttivo, in particolare il disegno sottostante dell’artista o il contorno disegnato come guida. I conservatori d’arte usano la tecnica per esaminare come gli strati visibili di pittura differiscono dal disegno sottostante o dagli strati intermedi (tali alterazioni sono chiamate pentimenti se fatte dall’artista originale). Questa è un’informazione molto utile per decidere se un dipinto è la prima versione dell’artista originale o una copia, e se è stato alterato da un lavoro di restauro troppo entusiasta. In generale, più pentimenti ci sono, più è probabile che un dipinto sia la prima versione. Fornisce anche utili intuizioni sulle pratiche di lavoro. La riflettografia rivela spesso l’uso del nerofumo da parte dell’artista, che si mostra bene nei riflettogrammi, a condizione che non sia stato usato anche nel fondo sottostante l’intero dipinto.
I recenti progressi nella progettazione di macchine fotografiche sensibili agli infrarossi rendono possibile scoprire e raffigurare non solo sottodipinture e pentimenti, ma interi dipinti che sono stati successivamente sovradipinti dall’artista. Esempi notevoli sono la Donna che stira e la Stanza blu di Picasso, dove in entrambi i casi un ritratto di un uomo è stato reso visibile sotto il dipinto come è conosciuto oggi.
Usi simili degli infrarossi sono fatti da conservatori e scienziati su vari tipi di oggetti, specialmente documenti scritti molto antichi come i Rotoli del Mar Morto, le opere romane nella Villa dei Papiri, e i testi della Via della Seta trovati nelle Grotte di Dunhuang. Il nerofumo usato nell’inchiostro può mostrarsi estremamente bene.
Sistemi biologiciModifica
La pit viper ha una coppia di fosse sensoriali a infrarossi sulla testa. C’è incertezza riguardo all’esatta sensibilità termica di questo sistema biologico di rilevamento a infrarossi.
Altri organismi che hanno organi termorecettivi sono i pitoni (famiglia Pythonidae), alcuni boa (famiglia Boidae), il pipistrello vampiro comune (Desmodus rotundus), una varietà di coleotteri gioiello (Melanophila acuminata), farfalle scuramente pigmentate (Pachliopta aristolochiae e Troides rhadamantus plateni), e forse insetti succhiasangue (Triatoma infestans).
Alcuni funghi come Venturia inaequalis richiedono la luce nel vicino infrarosso per l’espulsione
Anche se la visione nel vicino infrarosso (780-1.000 nm) è stata a lungo ritenuta impossibile a causa del rumore dei pigmenti visivi, la sensazione della luce nel vicino infrarosso è stata riportata nella carpa comune e in tre specie di ciclidi. I pesci usano il NIR per catturare le prede e per l’orientamento fototattico del nuoto. La sensazione del NIR nei pesci può essere rilevante in condizioni di scarsa illuminazione durante il crepuscolo e in acque superficiali torbide.
PhotobiomodulationEdit
La luce nel vicino infrarosso, o fotobiomodulazione, è usata per il trattamento delle ulcerazioni orali indotte dalla chemioterapia e per la guarigione delle ferite. Ci sono alcuni lavori relativi al trattamento del virus dell’herpes. I progetti di ricerca includono il lavoro sugli effetti di guarigione del sistema nervoso centrale attraverso l’upregolazione della citocromo c ossidasi e altri possibili meccanismi.
Pericoli per la saluteModifica
Le forti radiazioni infrarosse in alcune industrie ad alto calore possono essere pericolose per gli occhi, con conseguente danno o cecità per l’utente. Dato che la radiazione è invisibile, in questi luoghi si devono indossare occhiali speciali a prova di IR.