Eine Einteilung des infraroten Spektralbereichs,Infrarot genannt (kurzIR), beruht auf den Arten derMolekülschwingungen, die sich auf die Anwendungen auswirken. Die Begriffe und Grenzen sind nicht eindeutig wie im sichtbaren Bereich definiert und werden teils durch Anwendungen oder spezielle physikalische Phänomene bestimmt, weshalb es mehrere unterschiedliche Festlegungen gibt. DasInternational Commission on Illumination (CIE) und DIN[2] schlagen die Einteilung in drei Bänder vor: IR-A, IR-B und IR-C. Die Festlegung mit den Bezeichnungen NIR, MIR und FIR folgt der ISO 20473.[3]
Die Atmosphäre absorbiert hier stark, an der Grenze zum Mikrowellenbereich wird gerade noch die kosmische3-Kelvin-Strahlung sichtbar.
Auch andere Festlegungen sind üblich, beispielsweise ist eine häufig imangloamerikanischen Raum genutzte und bei der Spezifikation von Erderkundungskameras angewandte Unterteilung:
nahes Infrarot (englisch:near infrared, NIR) ist kurzwellige IR-Strahlung, die sich direkt an den sichtbaren (roten) Bereich anschließt von 780 nm bis 1400 nm.
kurzwelliges Infrarot (englisch:short wavelength, SWIR) 1,4 bis 3,0 µm
mittleres Infrarot (englisch:mid wavelength, MWIR) mit Wellenlängen von 3,0 µm bis 8 µm.
langwelliges Infrarot (englisch:long-wavelength, LWIR) 8 bis 15 µm
fernes Infrarot (englisch:far infrared, FIR) ist langwellige IR-Strahlung von 15 µm bis 1 mm und reicht in den Bereich derTerahertzstrahlung.
Die IR-Strahlung wurde um 1800 vom deutsch-britischenAstronomen, Techniker und MusikerFriedrich Wilhelm Herschel bei dem Versuch entdeckt, dieTemperatur der verschiedenen Farben des Sonnenlichtes zu messen. Er ließ dazu Sonnenlicht durch einPrisma fallen und platzierte Thermometer in den einzelnen Farbbereichen. Er bemerkte, dass jenseits des roten Endes des sichtbaren Spektrums das Thermometer die höchste Temperatur anzeigte. Es war zunächst unklar, ob die Ursache hierfür eine neue Art Strahlung oder eine unsichtbare Form des Lichts war. Sie wurde zunächst und bis Anfang des 20. Jahrhunderts als „Wärmestrahlung“ oder „Ultrarot“ bezeichnet.[4][5] Der Name „Infrarot“ setzte sich erst ab den 1880er Jahren durch.[6] Der genaue Ursprung der Bezeichnung ist unbekannt.[7]
Da dieThermorezeptoren des Menschen auf einen Teil des Infrarotspektrums reagieren, wird Infrarotstrahlung oft mit Wärmestrahlung gleichgesetzt. Richtig ist: Mikrowellen, sichtbares Licht und der ganze elektromagnetische Spektralbereich tragen unabhängig von der Wahrnehmung zur Erhöhung der Temperatur bei. Breitbandige IR-Quellen (zum BeispielGlühlampen undHeizstrahler) sind thermische Strahler. Für spezielle Anwendungen wurden Infrarotstrahler wieGlobar undNernst-Stift entwickelt.
Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eignen sich thermische Detektoren (Thermoelemente oderBolometer). Im kurzwelligen Bereich werden halbleiterbasierte Detektoren verwendet (siehe dazuinnerer photoelektrischer Effekt).Digitalkameras sind geeignet, wenn ihr IR-Sperrfilter nicht zu stark ausgelegt ist. Zur Aufnahme von IR-Bildern im nahen Infrarotbereich eignen sich weiterhin speziellefotografische Filme und bei längeren Wellenlängen (mittleres Infrarot) werden gekühlte Halbleiterdetektoren,pyroelektrische Sensoren (PIR-Sensoren) oderThermosäulen verwendet.
Eine wesentliche Anwendung ist die Heizung durch Strahlung. Jeder Heizkörper sendet infrarote Strahlung aus, insbesondere bei Temperaturen deutlich über 100 °C. Darunter überwiegt meist die Wärmeabgabe an die Luft; allerdings steigt dieBehaglichkeit durch den Strahlungsanteil. Komplette Hausheizungen[8] oder Übergangsheizungen im Bad werden mittels Infrarot-Panels ausgeführt. Die RaumstationMir wurde seit 1986 auf diese Art beheizt. Andere Beispiele sindHeizpilze und Infrarotgrills.
Infrarotstrahlung regtMoleküle zu Schwingungen und Rotationen an. Die Infrarotspektroskopie ist ein physikalisch-chemisches Analyseverfahren. Die Absorption von infrarotem Licht definierter Wellenlängen wird zur Strukturaufklärung unbekannter Substanzen eingesetzt. Durch quantitative Bestimmung lässt sich die Reinheit von bekannten Substanzen bestimmen. Die Infrarotspektroskopie wird bei derAbfalltrennung von Kunststoffen genutzt.
Die Absorptionszentren der Molekülschwingungen sind direkt mit demBrechungsindex der Materialien und somit ihremReflexionsverhalten verknüpft. Im infraroten Bereich wird dies unter anderem bei derInfrarotreflektographie ausgenutzt.
Die Infrarotreflektographie ist eine hauptsächlich in derKunstwissenschaft angewandte Untersuchungsmethode, mit der sich über die Reflexionseigenschaften der auf einemBildträger aufgebrachten Farbmittel Zeichnungselemente aus stärker reflektierenden Stoffen sichtbar machen lassen. Mit dieser berührungs- und zerstörungsfreien Technik ist es möglich, die obere Malschicht eines Gemäldes zu durchdringen und die sonst nicht sichtbareUnterzeichnung zu dokumentieren.
In der Infrarotastronomie beobachtet man „kühle“ Objekte (kälter als 1100 K), die in anderen Spektralbereichen kaum zu sehen sind, oder Objekte, die in oder hinter einerinterstellaren Wolke liegen. Zusätzlich hilft die IR-Spektroskopie bei der Analyse der betrachteten Objekte. Hierbei werden wie in derChemie mittels Infrarotspektroskopie Banden bestimmter Substanzen nachgewiesen, beispielsweise dasMethangas auf demExoplaneten bei FixsternHD 189733.
Eines der ersten Unternehmen, die Infrarottechnik mit derEDV verbunden haben, warHewlett-Packard. Im Jahre 1979 integrierte man dort erstmals eine IR-Schnittstelle in einenTaschenrechner, um so eine Verbindung zu einemDrucker herzustellen. Im Jahre 1990 wurde dann eine IR-Schnittstelle in einenPersonal Computer integriert. Diese Schnittstelle wurde zu einem Standard. Da sie seriell arbeitete, wurde sieSerial Infrared (serielles Infrarot), abgekürztSIR benannt. Aus Geschwindigkeitsgründen ist dieser Standard durch das abwärtskompatible Fast-IR abgelöst worden und mittlerweile weitestgehend durchBluetooth ersetzt.
DieWii-Fernbedienung und andere Anwendungen nutzen Infrarot-Leuchtdioden und Kameras zur Lage- und Bewegungserkennung im Raum.
Lichtstrahltelefon-Verbindungen auf Infrarotbasis konnten sich nicht durchsetzen. Infrarot-Lichtsprechgeräte ermöglichten im Kalten Krieg eine grenzüberschreitende abhörsichere Kommunikation und wurden von Geheimdiensten eingesetzt.[9]
Im nahen Infrarot besitzt die grüneVegetation eine ungefähr sechsfach höhere Reflexion als im sichtbaren Spektralbereich, da frisches Blattgewebe ein gutes Reflexionsvermögen aufweist und die übrigen Wellenlängen vomChlorophyll und den begleitendenKarotinoiden absorbiert werden. Dieser Effekt wird zur Erkennung von Vegetationsflächen genutzt. Es werden von einer Szene zwei Bilder genommen, eines im sichtbaren, das andere im nahen infraroten Bereich. Häufig werdenMultispektralkameras verwendet. Durch Division beider Bilder wird die Vegetation deutlich sichtbar und kann leicht unterschieden werden.
Die auf diese Weise erkannte Vegetation wird von einem Fahrzeug oder Flugzeug vermessen. Die Vergleichsmessung von Vegetation in Innenräumen beobachtet eine Pflanze über einen längeren Zeitraum. Die Vermessung der Vegetation von Fahrzeugen aus gibt eine Aussage über die lokal vorherrschenden Bedingungen. Die Bestimmung des Flächenanteils der Vegetation zur gesamten Grundfläche aus der Luft aufgenommener Bilder ist ein häufiger Fall und das Vegetationsvolumen innerhalb eines vordefinierten Raumes wird bestimmt. Diese Volumenvermessung von Vegetation ist für Autobahn- und Straßenmeistereien sowie Betreiber von Schienennetzen von Bedeutung. Vegetation, die in dasLichtraumprofil von Fahrzeugen hineinragt, wird automatisch erkannt und der Rückschnitt kann veranlasst werden.
Über die spektrale Reflexion insbesondere im nahen bis fernen Infrarot von grüner Vegetation werden Vegetationstypen unterschieden, der jeweilige Gesundheitszustand der Vegetation wird erkannt. Der Gesundheitszustand der Pflanzen hängt in erster Linie von ihrer Wasserversorgung ab. Gemessen wird die Trockenheit, Pilz- und Insektenbefall ist zu erkennen.
In derAnalogfotografie können im nahen infraroten Bereich bis 820 nm sensibilisierte, sogenannteInfrarotfilme eingesetzt werden. Das sichtbare Licht wird durch vorgesetzte Filter gänzlich oder zum Großteil (Rotfilter) ausgeschaltet. Typisches Ergebnis ist derWood-Effekt: ein dunkel abgebildeter Himmel und helle chlorophyllhaltige Pflanzenteile (Laub, Gras). Infrarot-Kameras können wegen der geringeren Streuung aufgrund der größeren Wellenlänge leichten Dunst und Nebel besser durchdringen.
IR-Aufnahmen werden beiLuftaufnahmen für Spionage und militärische (Luft- und Gelände-)Aufklärung eingesetzt. Weitere Nutzungen finden in der Astronomie und inFahrerassistenzsystemen statt.
Farbfilme mit „Falschfarbenwiedergabe“ werden eingesetzt, um verschiedene infrarote Wellenlängen als Farben darzustellen. Einsatzgebiet dieser Materialien sind Luftbildaufnahmen zurWaldschadenskartierung und in derLuftbildarchäologie oder allgemein zur Untersuchung von Gemälden und Farbflächen.
Canon AF35M mitAutofokus über Infrarot-Entfernungsmessung (1979)
Entfernungsmessung im Fotobereich kann mittelsInfrarot-Laufzeitverfahren erfolgen. Die zurückgelegte Zeit zwischen dem ausgesandten Licht vom eingebauten Infrarotsenders zum Empfängersensor wird ausgewertet und automatisch auf das Objektiv oder in das eingebaute Blitzgerät übertragen. Manche Ausführungen arbeiten teilweise im sichtbaren Lichtspektrum und erlauben den Einsatz von optischenAutofokus-Systemen bei schlechten Lichtverhältnissen.
Heizlampen strahlen im Infraroten und sind schon seit langem für medizinische Zwecke im Einsatz.
Wärmestrahlung von Heizstrahlern, wiekeramische Infrarotstrahler mit langwelliger IR-Strahlung oder vorrangig nahes Infrarot emittierendeRotlichtlampen, werden zur örtlichen Behandlung von Entzündungen (beispielsweise der Nasennebenhöhlen) eingesetzt. Für die Ganzkörper-Behandlung kommenInfrarotwärmekabinen zum Einsatz.[10] Infrarotstrahlung wird in der Medizin häufig in Form vonLasern genutzt. Die Einsatzgebiete umfassen dabei insbesondere dieHaut-,Augen- undZahnheilkunde (Messen,Veröden,Schneiden,Koagulieren,Lichttherapie). Außerdem wird mit Infrarot nach den (wärmeren) eigentlichen Entzündungsherden gesucht, um diese effektiver behandeln zu können. Zum Auffinden lokaler Entzündungsherde wirdThermografie eingesetzt.
Nahes Infrarot dringt tief in und unter die Haut ein, während insbesondere MIR bereits an der Oberfläche der Haut und der Hornhaut des Auges absorbiert wird. Nahes Infrarot hoher Intensität (Laserstrahlung) ist daher besonders gefährlich für Augen und Haut, da es im Auge unbemerkt bis zur Netzhaut gelangt, dort fokussiert wird und Zerstörungen verursachen kann. Am Körper wird es in Regionen absorbiert, in denen sich keine Temperatursensoren befinden und kann daher oft unbemerkt Schäden verursachen.
ZurFiebermessung werdenPyrometer verwendet, die die Temperatur im Ohr anhand der Wärmestrahlung im mittleren Infrarot messen. Schließlich dient diePulsoxymetrie zur Messung der Sauerstoffsättigung roter Blutkörperchen.
Am Helm eines Soldaten befestigtes Nachtsichtgerät
Polizei und Militär nutzen tragbareNachtsichtgeräte und Restlichtverstärker im Nahen Infrarot, dessen zentrales BauteilBildverstärker sind, um in der Dunkelheit ansonsten nicht sichtbare Objekte erkennen zu können. Zusätzlich kann mit Infrarot beleuchtet werden.Hubschrauberpiloten fliegen nachts mit Hilfe einer am Helm befestigten Nachtsichtbrille, bei der vor jedem Auge ein einfarbiges Abbild der Nahinfrarotstrahlung von Objekten am Boden erzeugt wird. Außen am Hubschrauber kann ein bewegliches Kamerasystem montiert sein, das im sichtbaren wie im mittleren Infrarot Videos und Wärmebilder liefert. Diese werden zum Beispiel bei der Suche nach vermissten oder flüchtigen Personen auch in der Dunkelheit benutzt.[11]
Viele Typen selbständig zielsuchenderLenkflugkörper finden ihr Ziel über Wärmestrahlung, die sichtbare heiße Teile, insbesondere Abgasdüsen und -rohre von Turbinen, Verbrennungs- und Raketenmotoren ausgesandt wird. Zur Abwehr verfügen neuere Kampfflugzeuge und Militärschiffe über Einrichtungen, dieTäuschkörper (Flares) ausstoßen, um diese Waffen vom Zielobjekt wegzuleiten.
Imaging Infra-Red (IIR) erzeugt Bilder im Infraroten und verarbeitet diese, um typische Ziele besser erkennen zu können.
Mit Hilfe derThermografie lassen sich „Wärmebilder“ erzeugen, für die die Infrarotstrahlung der Wärme von Gegenständen genutzt wird. Eine bekannte Anwendung ist dieBauthermografie zur Qualitätssicherung und Visualisierung von Wärmebrücken und Wärmeverlusten an Gebäuden. Im Ergebnis können dann wärmedämmende Maßnahmen gezielt eingesetzt werden. DieFeuerwehr benutzt tragbareWärmebildkameras zum Aufspüren von Brandherden und Glutnestern oder zu rettenden Personen in verrauchten Innenräumen.
In der Diagnose undInstandhaltung von elektrischen, elektronischen und mechanischen Baugruppen, Anlagen oder Maschinen wird die Thermografie als ergänzende Messmethode zur präventiven Mängel- und Schadenserkennung eingesetzt. Berührungslos können damit kritische Zustände (englisch: „hot spots“) von Maschinen, Anlagen und Installationen während des Betriebes ermittelt werden, um frühzeitig Maßnahmen zum Begrenzen der Wirkungen zu treffen und Ausfälle und Schäden zu vermeiden.
Die Thermografie wird bei der Schwingungsanalyse und Festigkeitsprüfung eingesetzt. Risse und lose Verbindungen verraten sich durch ihre Wärmeentwicklung. Mit Infrarotpyrometern werden berührungslos Prozesstemperaturen und Temperaturen von Bauteilen und Kühlkörpern gemessen und kontrolliert.
Viele thermische Verfahren in der Industrie werden durch Infrarotstrahlung vorgenommen. Hierzu zählt das Trocknen (zum Beispiel von Papierbahnen), das Aushärten mittels Wärme und das Erweichen von Kunststoffen, um sie zu verformen. Hierfür werden Infrarotstrahler eingesetzt, die mitGas oder elektrisch beheizt werden.
Geldscheine: links im Sichtbaren, rechts infrarot beleuchtet und durch ein Nachtsichtgerät fotografiert
InfrarotsensitiveSicherheitsmerkmale inPässen und Geldscheinen werden mit Infrarot-Testgeräten überprüft. So erscheinen beiEuroscheinen aufgrund abweichender Infrarotabsorption bestimmter Druckfarben Motive. Bei Bestrahlung mit Infrarot (zum Beispiel mit einer Infrarot-Leuchtdiode) und Betrachtung mithilfe einer infrarotempfindlichen Kamera werden diese Motive sichtbar – andere, mit bloßem Auge sichtbare Motive verschwinden hingegen.
Infrarotstrahlung wird in der Gastronomie eingesetzt. In Form von Heizstrahlern undHeizpilzen sind sie für Außen- und Raucherbereiche häufig anzutreffen. Zudem werden sie für den kulinarischen Genuss eingesetzt in Form von Infrarotgrills (als großer Gastrogrill oder kleiner Tischgrill). Im Vergleich zu klassischen Holz-, Elektro- oder Gasgrills haben sie durch dieWärmestrahlung den Vorteil, dass kein Fett auf die Heizelemente trifft, da die Strahler oberhalb des Grillguts angebracht sind. Dadurch wird Rauchentwicklung verhindert.[12]
↑abStrahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik; Benennung der Wellenlängenbereiche. In: Deutsches Institut für Normung (Hrsg.):DIN. 5031 Teil 7, Januar 1984.
↑Jan Frercks, Heiko Weber, Gerhard Wiesenfeldt:Reception and discovery: the nature of Johann Wilhelm Ritter’s invisible rays. In:Studies in History and Philosophy of Science Part A.Band40,Nr.2, 2009,S.143–156,doi:10.1016/j.shpsa.2009.03.014.
↑Heinrich Kayser:Handbuch der Spectroscopie. 1. Auflage. Hirzel, Leipzig 1900.
↑E.S. Barr:Historical survey of the early development of the infrared spectral region. In:American Journal of Physics.Band48, 1960,S.42.
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