Infrarotstrahlung
Infrarotstrahlung, auch IR-Strahlung, Infrarot, selten Ultrarotstrahlung, ist in der Physik elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und der längerwelligen Terahertzstrahlung. Üblicherweise ist damit Licht (i. w. S.) mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 1 mm gemeint. Dies entspricht einem Frequenzbereich von 300 GHz bis 400 THz bzw. einem Wellenzahlbereich von 10 cm−1 bis 12.800 cm−1. Sie bildet die Grundlage von Anwendungen zum Beispiel in der Thermografie, Fernerkundung, bei Fernbedienungen und Nachtsichtgeräten.[1]
Der lateinische Namensbestandteil infra bedeutet „unterhalb“, insgesamt also „unterhalb rot“ und bezieht sich auf die Frequenz.
Einteilung des Spektralbereichs
Eine Einteilung des infraroten Spektralbereichs beruht auf den Arten der Molekülschwingungen, 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. Das International 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]
| Benennung | Kurzzeichen | Wellenlänge in μm | Temperatur nach Wien in K | Einsatzbereiche/Bemerkungen | |
|---|---|---|---|---|---|
| nahes Infrarot | NIR | IR-A | 0,78…1,4 | 3700…970 |
|
| IR-B | 1,4…3,0 |
| |||
| mittleres Infrarot | MIR | IR-C | 3…50 | 970…60 |
|
| fernes Infrarot | FIR | 50…1000 | 60…3 |
| |
Daneben sind auch andere Festlegungen üblich, beispielsweise eine häufig im angloamerikanischen Raum genutzte Unterteilung und bei der Spezifikation von Erderkundungskameras angewandte ist:
- 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 der Terahertzstrahlung.
Geschichte
Die IR-Strahlung wurde um 1800 vom deutsch-britischen Astronomen, Techniker und Musiker Friedrich Wilhelm Herschel bei dem Versuch entdeckt, die Temperatur der verschiedenen Farben des Sonnenlichtes zu messen. Er ließ dazu Sonnenlicht durch ein Prisma 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]
Quellen
Da die Thermorezeptoren 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. Auch breitbandige IR-Quellen (zum Beispiel Glühlampen und Heizstrahler) sind thermische Strahler. Unterschiedliche Infrarotstrahler wurden für spezielle Anwendungen entwickelt, beispielsweise Globar und Nernst-Stift.
Nachweis
Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eignen sich thermische Detektoren (Thermoelemente oder Bolometer). Im kurzwelligen Bereich werden halbleiterbasierte Detektoren verwendet (dazu innerer photoelektrischer Effekt), wobei auch Digitalkameras geeignet sind, wenn ihr IR-Sperrfilter nicht zu stark ausgelegt ist. Zur Aufnahme von IR-Bildern im nahen Infrarotbereich eignen sich weiterhin spezielle fotografische Filme und bei längeren Wellenlängen (mittleres Infrarot) werden gekühlte Halbleiterdetektoren, pyroelektrische Sensoren (PIR-Sensoren) oder Thermosäulen verwendet.
Anwendungen
Heizung
Eine wesentliche Anwendung ist die Heizung durch Strahlung. Jeder Heizkörper sendet auch infrarote Strahlung aus, insbesondere bei Temperaturen deutlich über 100 °C. Darunter überwiegt meist die Wärmeabgabe an die Luft; allerdings steigt die Behaglichkeit durch den Strahlungsanteil. Komplette Hausheizungen[8] oder Übergangsheizungen im Bad werden mittels Infrarot-Panels ausgeführt; die Raumstation Mir wurde seit 1986 auf diese Art beheizt. Beispiele sind auch Heizpilze und Infrarotgrills.
Chemische Analytik und Verfahrenstechnik
Infrarotstrahlung regt Moleküle 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. Eine Anwendung findet die Infrarotspektroskopie zur Erkennung und Trennung von Kunststoffen bei der Abfalltrennung.
Die Absorptionszentren der Molekülschwingungen sind direkt mit dem Brechungsindex der Materialien und somit ihrem Reflexionsverhalten verknüpft. Im infraroten Bereich wird dies unter anderem bei der Infrarotreflektographie ausgenutzt.
Kunstwissenschaft
Die Infrarotreflektographie ist eine hauptsächlich in der Kunstwissenschaft angewandte Untersuchungsmethode, mit der sich über die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften der auf einem Bildträger 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 sichtbare Unterzeichnung zu dokumentieren.
Astronomie
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 einer interstellaren Wolke liegen. Zusätzlich hilft die IR-Spektroskopie bei der Analyse der betrachteten Objekte. Hierbei werden wie in der Chemie mittels Infrarotspektroskopie Banden bestimmter Substanzen nachgewiesen, beispielsweise das Methangas auf dem Exoplaneten bei Fixstern HD 189733.
Elektronik und Computertechnik
Infrarotfernbedienungen, Optokoppler und die meisten Lichtschranken arbeiten im nahen Infrarot bei 880 bis 950 nm Wellenlänge, da hier Silicium-Photodioden und Phototransistoren ihre höchste Empfindlichkeit haben. Infrarotschnittstellen von Computern arbeiten ebenfalls in diesem Wellenlängenbereich und ermöglichen eine drahtlose Kommunikation mit Peripheriegeräten. Die optische Datenübertragung mittels IR-Laser durch die Atmosphäre wird durch die optische Freiraumübertragung charakterisiert.
Eines der ersten Unternehmen, die Infrarottechnik mit der EDV verbunden haben, war Hewlett-Packard. Im Jahre 1979 integrierte man dort erstmals eine IR-Schnittstelle in einen Taschenrechner, um so eine Verbindung zu einem Drucker herzustellen. Im Jahre 1990 wurde dann erstmals eine IR-Schnittstelle in einen Personal Computer integriert. Diese Schnittstelle wurde zu einem Standard. Da sie seriell arbeitete, wurde sie Serial Infrared (serielles Infrarot), abgekürzt SIR benannt. Aus Geschwindigkeitsgründen ist dieser Standard durch das abwärtskompatible Fast-IR abgelöst worden und mittlerweile weitestgehend durch Bluetooth ersetzt.
In der Telekommunikation wird IR-A aufgrund der geringen Absorption und Dispersion bevorzugt in Lichtwellenleitern verwendet. Die Standardwellenlänge liegt bei 1550 nm.
Die Wii-Fernbedienung und andere Anwendungen nutzen Infrarot-Leuchtdioden und Kameras zur Lage- und Bewegungserkennung im Raum.
Lichtstrahltelefon-Verbindungen auf Infrarotbasis konnten sich nicht durchsetzen.
Vegetation
Im nahen Infrarot besitzt die grüne Vegetation eine ungefähr sechsfach höhere Reflexion als im sichtbaren Spektralbereich, da frisches Blattgewebe ein gutes Reflexionsvermögen aufweist und die übrigen Wellenlängen vom Chlorophyll und den begleitenden Karotinoiden 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 werden Multispektralkameras 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 das Lichtraumprofil 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.
Infrarot-Fotografie
In der Analogfotografie können im nahen infraroten Bereich bis 820 nm sensibilisierte, sogenannte Infrarotfilme eingesetzt werden. Das sichtbare Licht wird durch vorgesetzte Filter gänzlich oder zum Großteil (Rotfilter) ausgeschaltet. Typisches Ergebnis ist der Wood-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 vom Militär bei Luftaufnahmen für Spionage und militärische (Luft- und Gelände-)Aufklärung, in der Astronomie und in Fahrerassistenzsystemen eingesetzt.
Es werden auch Farbfilme mit „Falschfarbenwiedergabe“ eingesetzt. Diese Falschfarbenfilme bilden verschiedene infrarote Wellenlängen als sichtbare Farben unterscheidbar ab. Eingesetzt werden derartige Materialien bei Luftbildaufnahmen beispielsweise zur Waldschadenskartierung und in der Luftbildarchäologie und zur Untersuchung von Gemälden und Farbflächen.
Entfernungsmessung
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Entfernungsmessung über Infrarot-Laufzeitverfahren – Die zurückgelegte Zeit des vom eingebauten Infrarotsender ausgesandten Lichts wird im Empfängersensor ausgewertet und automatisch auf das Objektiv und ggf. in das eingebaute Blitzgerät übertragen. Manche Ausführungen arbeiten teilweise im sichtbaren Lichtspektrum und erlauben den Einsatz von optischen Autofokus-Systemen bei schlechten Lichtverhältnissen.
Medizin
Heizlampen strahlen im Infraroten und sind schon seit langem für medizinische Zwecke im Einsatz.
Wärmestrahlung von Heizstrahlern, wie keramische Infrarotstrahler mit langwelliger IR-Strahlung oder vorrangig nahes Infrarot emittierende Rotlichtlampen, werden zur örtlichen Behandlung von Entzündungen (beispielsweise der Nasennebenhöhlen) eingesetzt. Für die Ganzkörper-Behandlung kommen Infrarotwärmekabinen zum Einsatz.[9] Infrarotstrahlung wird in der Medizin häufig in Form von Lasern genutzt. Die Einsatzgebiete umfassen dabei insbesondere die Haut-, Augen- und Zahnheilkunde (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 wird Thermografie 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.
Zur Fiebermessung werden Pyrometer verwendet, die die Temperatur im Ohr anhand der Wärmestrahlung im mittleren Infrarot messen. Schließlich dient die Pulsoxymetrie zur Messung der Sauerstoffsättigung roter Blutkörperchen.
Polizei und Militär
Polizei und Militär nutzen tragbare Nachtsichtgeräte und Restlichtverstärker im Nahen Infrarot, dessen zentrales Bauteil Bildverstärker 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 auch im mittleren Infrarot Videos bzw. Wärmebilder liefert. Diese werden zum Beispiel bei der Suche nach vermissten oder flüchtigen Personen auch in der Dunkelheit benutzt.[10]
Viele Typen selbständig zielsuchender Lenkflugkörper finden ihr Ziel über Wärmestrahlung, die beispielsweise von Flugzeugtriebwerken ausgesandt wird. Zur Abwehr verfügen neuere Kampfflugzeuge und Militärschiffe über Einrichtungen, die Täuschkörper (Flares) ausstoßen, um diese Waffen vom Zielobjekt wegzuleiten.
Thermografie
Mit Hilfe der Thermografie lassen sich „Wärmebilder“ erzeugen, für die die Infrarotstrahlung der Wärme von Gegenständen genutzt wird. Eine bekannte Anwendung ist die Bauthermografie zur Qualitätssicherung und Visualisierung von Wärmebrücken und Wärmeverlusten an Gebäuden. Im Ergebnis können dann wärmedämmende Maßnahmen gezielt eingesetzt werden. Die Feuerwehr benutzt tragbare Wärmebildkameras zum Aufspüren von Brandherden und Glutnestern oder zu rettenden Personen in verrauchten Innenräumen.
In der Diagnose und Instandhaltung 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.
Materialbearbeitung
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 mit Gas oder elektrisch beheizt werden.
Die meisten Laser zur Laser-Materialbearbeitung (zum Beispiel Laserschneiden, Schweißen, Härten, Lasergravieren, Bohren) arbeiten bei Infrarot-Wellenlängen.
Sicherheitsmerkmale
Infrarotsensitive Sicherheitsmerkmale in Pässen und Geldscheinen werden mit Infrarot-Testgeräten überprüft. So erscheinen bei Euroscheinen 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.
Gastronomie
Infrarotstrahlung wird auch in der Gastronomie eingesetzt. In Form von Heizstrahlern und Heizpilzen sind sie für Außen- und Raucherbereiche häufig anzutreffen. Zudem werden sie auch 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 die Wärmestrahlung den Vorteil, dass kein Fett auf die Heizelemente trifft, da die Strahler oberhalb des Grillguts angebracht sind. Dadurch wird auch Rauchentwicklung verhindert.[11]
Literatur
- S1-Leitlinie Arbeit unter Einwirkung von Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) – Gefährdungen und Schädigungen von Augen und Haut der Deutschen Gesellschaft für Arbeitsmedizin und Umweltmedizin (DGAUM). In: AWMF online (Stand 2012)
Weblinks
Einzelnachweise
- Infrarotstrahlung in der Technik. Abgerufen am 9. Januar 2022.
- Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik; Benennung der Wellenlängenbereiche. In: Deutsches Institut für Normung (Hrsg.): DIN. 5031 Teil 7, Januar 1984.
- ISO 20473:2007 Optics and photonics - Spectral bands. International Organization for Standardization (ISO), abgerufen am 11. Januar 2019.
- 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. Band 40, 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. Band 48, 1960, S. 42.
- Jack R. White, Herschel and the puzzle of infrared, American Scientist, Band 100, Nr. 3, Mai-Juni 2012, S. 218
- Peter Kosack (TU Kaiserslautern): Bericht zum Forschungsprojekt „Beispielhafte Vergleichsmessung zwischen Infrarotstrahlungsheizung und Gasheizung im Altbaubereich“, Oktober 2009.
- Anwendungen von Infrarotstrahlung. Abgerufen am 9. Januar 2022.
- Der FLIR-Helikopter der Polizei im Detail. vol.at, abgerufen am 22. Juni 2016 (Video-Beispiel).
- Unterschiede IR und klassischer Grill. Abgerufen am 21. Januar 2018.
