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, самых длинных волн в видимом спектре , поэтому ИК-излучение невидимо для человеческого глаза. Обычно понимают, что ИК-излучение включает длины волн от 750 нм до 1000 мкм ( частоты от 400 ТГц до 300 ГГц ). [1] [2] ИК-излучение обычно разделяют на более длинноволновое тепловое ИК-излучение, излучаемое наземными источниками, и более коротковолновое ИК-излучение или ближнее ИК-излучение, часть солнечного спектра . [3] Более длинные волны ИК-излучения (30–100 мкм) иногда включают в диапазон терагерцового излучения . [4] 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 радиационное давление и имеет свойства, соответствующие свойствам волны и частицы — фотона .
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. [5] [6] В 1800 году астроном сэр Уильям Гершель обнаружил, что инфракрасное излучение представляет собой тип невидимого излучения в спектре с меньшей энергией, чем красный свет, посредством его воздействия на термометр . [7] В результате исследований Гершеля было обнаружено, что чуть больше половины солнечной энергии 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 за счет 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. [8]
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 использует телескопы , оснащенные датчиками, 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 . [9] 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. [10] 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 анализ тепловой эффективности , мониторинг окружающей среды, проверки промышленных объектов, обнаружение растений , дистанционное измерение температуры, беспроводную связь ближнего действия , спектроскопию и прогнозирование погоды .
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).
Солнечный свет при эффективной температуре 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. [12] Почти все инфракрасное излучение солнечного света близко к инфракрасному и имеет длину волны менее 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 природные пожары достаточно горячие, чтобы производить много видимой энергии, а пожары производят гораздо больше инфракрасной энергии, чем энергии видимого света. [13]
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.
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 тускло-красным и представлять опасность, поскольку на самом деле он может быть довольно ярким. И даже ИК-излучение с длиной волны до 1050 нм от импульсных лазеров при определенных условиях человек может увидеть. [14] [15] [16]
Обычно используемая схема подразделения: [17] [18]
NIR и SWIR вместе иногда называют «отраженным инфракрасным излучением», тогда как MWIR и LWIR иногда называют «тепловым инфракрасным излучением».
Международная комиссия по освещению (CIE) рекомендовала разделить инфракрасное излучение на следующие три диапазона: [21] [22]
ISO 20473 определяет следующую схему: [23]
Астрономы обычно делят инфракрасный спектр следующим образом: [24]
Эти подразделения неточны и могут различаться в зависимости от публикации. Эти три региона используются для наблюдения за различными температурными диапазонами и , следовательно , за различными средами 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 .
Третья схема делит полосу на основе отклика различных детекторов: [25]
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. Источники интенсивного 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 яркие 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 Вуда , состоящий из ИК-светящейся листвы. [26]
В оптической связи используемая часть инфракрасного спектра делится на семь диапазонов в зависимости от наличия источников света, передающих/поглощающих материалов (волокон) и детекторов: [27]
C-диапазон является доминирующим диапазоном для сетей дальней связи . Диапазоны S и L основаны на менее устоявшихся технологиях и не так широко распространены.
Инфракрасное излучение широко известно как «тепловое излучение» [28] , но световые и электромагнитные волны любой частоты нагревают поверхности, которые их поглощают. На инфракрасный свет Солнца приходится 49% [29] нагрева 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 ультрафиолетового излучения еще более горячими объектами (см. Черное тело и закон смещения Вина ). [30]
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 испускаться 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 низкой излучательной способностью при той же температуре, вероятно, казался бы более горячим, чем более излучающий. По этой причине неправильный выбор коэффициента излучения и игнорирование температуры окружающей среды дадут неточные результаты при использовании инфракрасных камер и пирометров.
Инфракрасное излучение используется в приборах ночного видения, когда видимого света недостаточно, чтобы видеть. [31] 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. [31] Источники инфракрасного света можно использовать для увеличения доступного окружающего света для преобразования приборами ночного видения, увеличивая видимость в темноте без фактического использования источника видимого света. [31]
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. [32]
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 (термография) 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 радиации, испускаемой объектом, увеличивается с температурой, поэтому термография позволяет видеть изменения температуры (отсюда и название).
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 . [34]
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 .
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. [35]
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). [36] 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.
Различные технологии или предлагаемые технологии используют инфракрасное излучение для охлаждения зданий или других систем. Область LWIR (8–15 мкм) особенно полезна, поскольку некоторая часть излучения на этих длинах волн может выходить в космос через инфракрасное окно атмосферы . Именно таким образом поверхности с пассивным дневным радиационным охлаждением (PDRC) способны достигать температур охлаждения ниже окружающей среды под воздействием прямых солнечных лучей, увеличивая земной поток тепла в космическое пространство с нулевым потреблением энергии или загрязнением . [37] [38] Поверхности PDRC минимизируют коротковолновое солнечное отражение , чтобы уменьшить приток тепла, сохраняя при этом сильную теплопередачу длинноволнового инфракрасного (LWIR) теплового излучения . [39] [40] В мировом масштабе этот метод охлаждения был предложен как способ замедлить и даже обратить вспять глобальное потепление , при этом по некоторым оценкам предполагается, что глобальный охват площади поверхности составит 1-2%, чтобы сбалансировать глобальные потоки тепла. [41] [42]
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 светоизлучающие диоды (светодиоды) 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. Инфракрасный порт — наиболее распространенный способ дистанционного управления приборами. 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». [43]
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 .
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 ). Единицей измерения излучения в этом приложении, см -1 , является спектроскопическое волновое число . Это частота, деленная на скорость света в вакууме.
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.
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. Можно обнаружить даже явление Эль-Ниньо . 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.
В области климатологии инфракрасное излучение атмосферы контролируется с целью выявления тенденций в обмене энергией 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.
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. [9]
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 . [44]
Инфракрасная рефлектография [45] может быть применена 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. [46] Рефлектография часто показывает использование художником технического углерода , который хорошо проявляется на рефлектограммах, если он также не использовался в грунте, лежащем в основе всей картины.
Последние достижения в создании инфракрасных камер позволяют обнаруживать и изображать не только подмалевки и пентименти, но и целые картины, позднее закрашенные художником. [47] Яркими примерами являются «Женщина, гладящая и синяя комната» Пикассо , где в обоих случаях под картиной был 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 . [48] Углеродная сажа, используемая в чернилах, может проявляться очень хорошо.
На голове у гадюки есть пара инфракрасных сенсорных ямок. Существует неопределенность относительно точной тепловой чувствительности этой системы биологического инфракрасного обнаружения. [49] [50]
Другими организмами, имеющими терморецептивные органы, являются питоны (семейство Pythonidae ), некоторые удавы (семейство Boidae ), летучая мышь-вампир ( Desmodus rotundus ), разнообразные жуки-драготницы ( Melanophila acuminata ), [51] темнопигментированные бабочки ( Pachliopta aristolochiae и Troides) . rhadamantusplateni ), и, возможно, кровососущие клопы ( Triatoma infestans ). [52]
Некоторым грибам, таким как Venturia inaequalis, для выброса требуется ближний инфракрасный свет. [53]
Хотя зрение в ближнем инфракрасном диапазоне (780–1000 нм) долгое время считалось невозможным из-за шума в зрительных пигментах, [54] ощущение ближнего инфракрасного света было зарегистрировано у обыкновенного карпа и у трех видов цихлид. [54] [55] [56] [57] [58] Рыбы используют БИК для захвата добычи [54] и для фототаксической ориентации при плавании. [58] Ощущение БИК у рыб может быть актуальным в условиях плохой освещенности в сумерках [54] и в мутных поверхностных водах. [58]
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. [59] Исследовательские проекты включают работу по изучению эффектов исцеления центральной нервной системы посредством повышения регуляции цитохром-с-оксидазы и других возможных механизмов. [60]
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. [61]
Открытие инфракрасного излучения приписывается астроному Уильяму Гершелю в начале 19 века. Гершель опубликовал свои результаты в 1800 году перед Лондонским королевским обществом . Гершель использовал призму для преломления солнечного света и обнаружил инфракрасное излучение за пределами красной части спектра посредством увеличения температуры, зафиксированной термометром . Он был удивлен результатом и назвал их «Таплотворными лучами». [62] [63] Термин «инфракрасный» появился только в конце 19 века. [64] Более ранний эксперимент, проведенный Марком-Огюстом Пикте в 1790 году, продемонстрировал отражение и фокусировку лучистого тепла через зеркала в отсутствие видимого света. [65]
Другие важные даты включают: [25]
Была измерена фовеальная чувствительность к нескольким длинам волн лазера ближнего инфракрасного диапазона.
Было обнаружено, что глаз может реагировать на излучение с длиной волны по крайней мере до 1064 нм.
Непрерывный лазерный источник с длиной волны 1064 нм выглядел красным, а импульсный лазерный источник с длиной волны 1060 нм — зеленым, что предполагает наличие генерации второй гармоники в сетчатке.
Пределы общего диапазона чувствительности глаза простираются от 310 до 1050 нанометров.
Пассивное дневное радиационное охлаждение (PDRC) рассеивает земное тепло в чрезвычайно холодное космическое пространство без использования каких-либо энергозатрат и загрязнения окружающей среды.
У него есть потенциал одновременно смягчить две основные проблемы: энергетический кризис и глобальное потепление.
Покрыв Землю небольшой долей теплоизлучающих материалов, можно увеличить тепловой поток от Земли, а чистый радиационный поток можно уменьшить до нуля (или даже сделать отрицательным), тем самым стабилизируя (или охлаждая) Земля.
Соответственно, разработка и изготовление эффективных PDRC с достаточно высоким коэффициентом отражения солнечной энергии (𝜌¯солнечной) (λ ~ 0,3–2,5 мкм) для минимизации притока солнечного тепла и одновременно сильным тепловым излучанием LWIR (ε¯LWIR) для максимизации радиационных теплопотерь является задачей очень желательно.
Когда поступающее лучистое тепло от Солнца уравновешивается исходящим лучистым тепловыделением, температура Земли может достичь устойчивого состояния.
Если бы вместо этого только 1–2% поверхности Земли излучали с такой скоростью, а не с ее нынешним средним значением, общие потоки тепла внутрь и от всей Земли были бы сбалансированы, и потепление прекратилось бы.
Учитывая, что 100 Вт/м2 является продемонстрированным эффектом пассивного охлаждения, тогда потребуется покрытие поверхности в размере 0,3%, или 1% поверхности суши Земли.
Если половина из них будет установлена в городских застроенных районах, занимающих примерно 3% территории Земли, то там потребуется покрытие 17%, а остальная часть будет установлена в сельской местности.
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )