Коротковолновая инфракрасная область спектра: преимущества при визуализации
К коротковолновой области инфракрасного излучения относятся длины волн из диапазона 0.9 — 1.7 мкм, но иногда коротковолновая ИК определяется и диапазоном 0.7 — 2.5 мкм. Поскольку керамические фотосенсоры распознают излучение длиной до 0.1 мкм, визуализация коротковолнового ИК спектра требует специальной оптики и электроники.
В основном в качестве фотоприемников при работе с коротковолновым ИК диапазоном пользуются приемниками, оснащенными InGaAs матрицей. Рабочая область таких фотоприемников охватывает практически всю область коротковолнового ИК спектра, от нижней границы (550 нм) до верхней (2.5 мкм). Несмотря на экономическую доступность фотоприемников линейного сканирования, более популярны фотоприемники областного сканирования – их активно применяют даже в военной промышленности благодаря конструктивной жесткости, надежности и устойчивости конфигурации к длительным перевозкам. Следует отметить, что на использование некоторых фотоприемных устройств требуется получение лицензии.
Рисунок 1. Электромагнитный спектр коротковолновой ИК области
Преимущества визуализации в коротковолновом ИК диапазоне
В отличие от средней и длинноволновой области ИК излучения, короткие ИК волны исходят не от самого объекта, а преломляются и поглощаются им, подобно видимому излучению. Таким образом, картина обретает высокий контраст. Благодаря контрасту облегчается решение задачи повышения разрешения. Природные источники коротких ИК волн – звезды и луна, видимые на ночном небе из-за подсвечивания фоновым излучением.
Для получения качественной визуализации требуется также специализированная оптика: линзы, объективы, покрытия которых также должны предназначаться для работы в коротковолновом ИК диапазоне. Использование объективов, не предназначенных для коротковолновой ИК области, спровоцирует снижение разрешения при визуализации, увеличив к тому же оптические аберрации.
Так как излучение этой области проходит через стекла, объективы, фильтры и окна, подобно видимому, принципиальных различий в производстве оптических компонентов для видимой и ИК области нет. Защитные окна и фильтры также можно встраивать в системы напрямую.
Многие задачи, где теоретически рекомендуется применять видимое излучение, на практике решаются с помощью коротких ИК волн: водяной пар, туман и подобные среды не влияют на такое излучение, в то время как источники видимого света чувствительны к условиям внешней среды.
Визуализация в видимом свете и в коротковолновом ИК диапазоне
Визуализация ИК спектров применяется в различных областях, включая проверку электронных плат, проверку солнечных элементов, экспертизу продукции, идентификацию и сортировку, наблюдение, борьбу с контрафакцией, контроль качества производственных процессов и др. Чтобы понять преимущества визуализации этого вида, рассмотрим некоторые наглядные примеры обычных повседневных продуктов, отображаемых с помощью видимого света и с помощью коротких ИК волн.
Рисунок 2. а) Визуализация красного яблока в видимом спектре: яблоко кажется однородным, абсолютно красным, без каких-либо дефектов, б) ИК визуализация того же плода, но теперь отчетливо виден дефект на кожуре, качество продукта под сомнением
Рисунок 3. а) Визуализация матового однотонного флакона с детской присыпкой в видимом спектре, содержимое флакона визуально не прослеживается, б) визуализация матового однотонного флакона с детской присыпкой в коротковолновом ИК спектре: содержимое флакона на этот раз распознается однозначно, можно оценить количество продукта
Рисунок 5. а) Картина «Bountiful Fruit», написанная художницей из Филадельфии Nicole Koenitzer в видимом диапазоне, б) Визуализация картины в ИК спектре: начальный набросок картины содержит изображения бананов на фоне, рамку, которых нет на конечном результате, в нижнем правом углу заметны штрихи, вероятно, художница начинала писать картину с фона и скорее всего, масло было выбрано не сразу
Коротковолновой ИК областью считается вполне определенный диапазон, для работы в котором требуется специализированная оптика с покрытиями, предназначенными для этого диапазона. Остается еще раз подчеркнуть важность тщательного подбора компонентов для визуализации в коротковолновом ИК диапазоне. При соблюдении всех требований и согласованности параметров оборудования можно избежать аберраций и снижения разрешения изображения.
Специально для визуализации ИК спектров компания Edmund Optics разработала фильтрующие и антибликовые покрытия для линз и пропускающих компонентов повышенной эффективности.
© Edmund Optics Inc.
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ
Инфракрасное излучение
Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50 % излучения Солнца; инфракрасное излучение испускают некоторые лазеры. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приемниками, а также специальными фотоматериалами [2] .
Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:
- коротковолновая область: λ = 0,74—2,5 мкм;
- средневолновая область: λ = 2,5—50 мкм;
- длинноволновая область: λ = 50—2000 мкм;
Последнее время длинноволновую окраину этого диапазона выделяют в отдельный, независимый диапазон электромагнитных волн — терагерцовое излучение (субмиллиметровое излучение).
Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.
Содержание
История открытия и общая характеристика
Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году английским астрономом У. Гершелем. Занимаясь исследованием Солнца, Гершель искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения. Определяя с помощью термометров действия разных участков видимого спектра, Гершель обнаружил, что «максимум тепла» лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением». Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения.
Ранее лабораторными источниками инфракрасного излучения служили исключительно раскаленные тела либо электрические разряды в газах. Сейчас на основе твердотельных и молекулярных газовых лазеров созданы современные источники инфракрасного излучения с регулируемой или фиксированной частотой. Для регистрации излучения в ближней инфракрасной-области (до
1,3 мкм) используются специальные фотопластинки. Более широким диапазоном чувствительности (примерно до 25 мкм) обладают фотоэлектрические детекторы и фоторезисторы. Излучение в дальней ИК-области регистрируется болометрами — детекторами, чувствительными к нагреву инфракрасным излучением [3] .
ИК-аппаратура находит широкое применение как в военной технике (например, для наведения ракет), так и в гражданской (например, в волоконно-оптических системах связи). В качестве оптических элементов в ИК-спектрометрах используются либо линзы и призмы, либо дифракционные решетки и зеркала. Чтобы исключить поглощение излучения в воздухе, спектрометры для дальней ИК-области изготавливаются в вакуумном варианте [3] .
Поскольку инфракрасные спектры связаны с вращательными и колебательными движениями в молекуле, а также с электронными переходами в атомах и молекулах, ИК-спектроскопия позволяет получать важные сведения о строении атомов и молекул, а также о зонной структуре кристаллов [3] .
Инфракрасное излучение: что это такое, длина волны, частота, свойства
Инфракрасное излучение невидимо для наших глаз, но это не значит, что другие наши органы чувств не могут его воспринимать. Тепло, которое мы ощущаем, сидя у костра, вызвано именно инфракрасным излучением, испускаемым горящими поленьями. Инфракрасное излучение окружает нас постоянно, поскольку все объекты с температурой выше нуля, а значит, и наши тела, являются источниками инфракрасного излучения.
Инфракрасное излучение (сокращенно ИК ), – это электромагнитное излучение, которое человеческий глаз не может обнаружить, с длиной волны больше, чем у красного света. Диапазон инфракрасного излучения охватывает длины волн от 780 нм до примерно 1 мм (другими словами: от 0,78 мкм до примерно 1000 мкм) и частоту от 300 ГГц и до 385 ТГц. С более длинноволновой стороны он граничит с микроволновым диапазоном излучения.
Рис. 1. Человек и его изображение в области инфракрасного излучения
Как и все электромагнитные волны, инфракрасное излучение распространяется в вакууме со скоростью света c = 3*10 8 м/c. Электромагнитная волна характеризуется:
- частота f , т.е. число полных изменений магнитного и электрического полей в секунду, выраженное в герцах (Гц);
- длина волны λ, т.е. расстояние между соседними точками, где электрическое и магнитное поля имеют одинаковую фазу.
Эти величины связаны между собой: чем выше частота, тем короче длина волны: f = c / λ .
Энергия кванта излучения, фотона, прямо пропорциональна частоте и обратно пропорциональна длине волны: E = h * f = h * c / λ , где h – постоянная Планка, h = 4,14·10 –15 эВ·с = 6,63·10 –34 Дж·с .
Энергия инфракрасных фотонов меньше, чем у видимого света.
Свойства
Инфракрасное излучение испускается всеми телами. Его также называют тепловым излучением. Тепловое излучение охватывает широкий диапазон длин волн, от ультрафиолетового до инфракрасного, но максимум этого излучения находится в определенном диапазоне длин волн, зависящем от температуры.
Испускание теплового излучения вызвано беспорядочным движением электрически заряженных частиц в веществе. Максимальное излучение от человеческого тела, а также от предметов при комнатной температуре происходит при длине волны около 10 мкм. Энергия теплового излучения сильно зависит от температуры тела – она прямо пропорциональна T 4 , где T – температура по абсолютной шкале. Из этого следует, что тело с более высокой температурой излучает гораздо больше энергии, чем тело с более низкой температурой.
Инфракрасное излучение условно делится на ближнее и дальнее инфракрасное излучение:
- Ближнее инфракрасное излучение – это волны в диапазоне (0,78 – 10) мкм. Они излучаются телами с температурой выше комнатной, например, лампой накаливания, костром и т.д.
- Дальнее инфракрасное излучение – это волны в диапазоне (10 – 1000) мкм. Источниками этого излучения являются тела, находящиеся при комнатной температуре и ниже.
Инфракрасное излучение ассоциируется у нас с отоплением. Действительно, известны инфракрасные лампы (инфракрасные нагреватели), используемые для нагрева человеческого тела в терапевтических целях (рис. 2.). Но инфракрасное излучение может также охлаждать тело. Как это возможно?
Рис. 2. Инфракрасные лампы нагревают тело пациента
Выделение инфракрасного излучения происходит за счет внутренней энергии организма. Когда тело поглощает инфракрасное излучение, энергия поглощенных электромагнитных волн преобразуется в увеличение внутренней энергии. В условиях равновесия потоки тепловой энергии равны – одинаковое количество энергии излучается и поглощается телом. Температура тела при этом остается постоянной.
Инфракрасное отопление.
Когда поглощенное излучение несет больше энергии, чем испущенное, внутренняя энергия тела увеличивается, и его температура повышается. Это объясняет, почему мы можем греться у огня или согревать руки, держа их у стакана с горячим чаем. В космосе и в вакууме инфракрасное излучение является единственным способом передачи тепловой энергии.
Инфракрасное охлаждение.
Когда тело имеет более высокую температуру, чем его окружение, испускаемое излучение имеет больше энергии, чем поглощаемое. Тело теряет внутреннюю энергию, и его температура снижается. Падение температуры происходит быстрее, чем в результате теплопроводности, поскольку воздух является плохим проводником тепла. Каждый, кто стоял рядом с большой глыбой льда, ощущал холод от ее бока. Но не лед излучает холод, а человеческое тело, которое направляет на лед больше энергии, чем получает от него.
Роль инфракрасного излучения в регулировании температуры на поверхности Земли.
Инфракрасное излучение играет важную роль в энергетическом балансе атмосферы Земли. Солнечное излучение, в основном в видимом световом диапазоне, достигает поверхности Земли. Нагретая поверхность Земли испускает инфракрасное излучение в качестве вторичного излучения. Это излучение, проходя через атмосферу, в значительной степени поглощается содержащимися в ней водяным паром, углекислым газом, метаном и другими парниковыми газами, повышая температуру воздуха.
Можно подсчитать, что если бы Земля не имела атмосферы, ее средняя температура, обусловленная балансом поглощенного и испущенного излучения, была бы чуть меньше -18°C. Однако мы знаем, что средняя температура нашего земного шара более чем на 33°C выше и составляет около 15°C. Таким образом, атмосфера является теплоизоляцией Земли. Температура на Земле подходит для жизни, потому что парниковые газы (углекислый газ, водяной пар) прозрачны для видимого света, но поглощают инфракрасное излучение.
Применение
Благодаря своим свойствам инфракрасное излучение имеет множество применений и оказывает большое влияние на нашу повседневную жизнь. Оно используется в химическом анализе для определения структуры материалов. Оно также используется в терапевтических целях в так называемой диатермии – процедуре, которая заключается во внутреннем прогревании болезненных мышц и суставов.
Оно используется в термолокации для наблюдения за объектами в темноте с помощью ночного зрения, например, наблюдение за летучими мышами в пещере ночью. Поскольку инфракрасное излучение меньше поглощается при прохождении через туман и облака, чем видимое излучение, оно используется для фотографирования объектов на значительном расстоянии.
Тепловизионная камера, используемая, например, военными, также использует инфракрасное излучение. Это излучение также используется в пультах дистанционного управления домашними электронными устройствами (например, телевизором, видеомагнитофоном, дверью гаража, сигнализацией), в управлении трамвайными выключателями.
Что такое инфракрасное излучение
Для того, чтобы понять принцип работы инфракрасных излучателей, необходимо представлять себе суть такого физического явления как инфракрасное излучение.
Диапазон инфракрасного излучения и длина волны
Инфракрасное излучение — это разновидность электромагнитного излучения, занимающего в спектре электромагнитных волн диапазон от 0,77 до 340 мкм. При этом диапазон от 0,77 до 15 мкм считается коротковолновым, от 15 до 100 мкм — средневолновым, а от 100 до 340 — длинноволновым.
Коротковолновая часть спектра примыкает к видимому свету, а длинноволновая сливается с областью ультракоротких радиоволн. Поэтому инфракрасное излучение обладает как свойствами видимого света (распространяется прямолинейно, отражается, преломляется как и видимый свет), так и свойствами радиоволн (оно может проходить сквозь некоторые материалы, непрозрачные для видимого излучения).
Инфракрасные излучатели с температурой на поверхности от 700 С до 2500 С имеют длину волны 1,55-2,55 мкм и называются "светлыми" — по длине волны они ближе к видимому свету, излучатели с более низкой температурой поверхности имеют большую длину волны и называются "темными".
Источники инфракрасного излучения
Вообще говоря, любое тело, нагретое до определенной температуры, излучает тепловую энергию в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитных волн и может передавать эту энергию посредством лучистого теплообмена другим телам. Передача энергии происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, при этом, разные тела имеют различную излучающую и поглощающую способность, которая зависит от природы двух тел, от состояния их поверхности и т.д.
Электромагнитное излучение обладает квантово-фотонным характером. При взаимодействии с веществом фотон поглощается атомами вещества, передавая им свою энергию. При этом возрастает энергия тепловых колебаний атомов в молекулах вещества, т.е. энергия излучения переходит в теплоту.
Суть лучистого отопления состоит в том, что горелка, являясь источником излучения, генерирует, формирует в пространстве и направляет тепловое излучение в зону обогрева. Оно попадает на ограждающие конструкции (пол, стены), технологическое оборудование, людей, находящихся в зоне облучения, поглощается ими и нагревает их. Поток излучения, поглощаясь поверхностями, одеждой и кожей человека, создает тепловой комфорт без повышения температуры окружающего воздуха. Воздух в обогреваемых помещениях, оставаясь практически прозрачным для инфракрасного излучения, нагревается за счет "вторичного тепла", т.е. конвекции от конструкций и предметов, нагретых излучением.
Свойства и применение инфракрасного излучения
Установлено, что воздействие инфракрасного радиационного отопления благоприятно сказывается на человеке. Если тепловое излучение с длиной волны больше 2 мкм воспринимается в основном кожным покровом с проведением образовавшейся тепловой энергии внутрь, то излучение с длиной волны до 1,5 мкм проникает через поверхность кожи, частично нагревает ее, достигает сети кровеносных сосудов и непосредственно повышает температуру крови. При определенной интенсивности теплового потока его воздействие вызывает приятное тепловое ощущение. При лучистом обогреве человеческое тело отдает большую часть избыточного тепла путем конвекции окружающему воздуху, имеющему более низкую температуру. Такая форма теплоотдачи действует освежающе и благоприятно влияет на самочувствие.
В нашей стране изучение технологии инфракрасного отопления ведется с 30-х годов как применительно к сельскому хозяйству, так и для промышленности.
Проведенные медико-биологические исследования позволили установить, что системы инфракрасного отопления более полно отвечают специфике животноводческих помещений, чем конвективные системы центрального или воздушного отопления. Прежде всего, за счет того, что при инфракрасном обогреве температура внутренних поверхностей ограждений, особенно пола, превышает температуру воздуха в помещении. Этот фактор благоприятно сказывается на тепловом балансе животных, исключая интенсивные потери тепла.
Инфракрасные системы, работающие совместно с системами естественной, вентиляции обеспечивают снижение относительной влажности воздуха до нормативных значений (на свинофермах и в телятниках до 70-75% и ниже).
В результате работы этих систем температурно-влажностный режим в помещениях достигает благоприятных параметров.
Применение систем лучистого отопления для сельскохозяйственных зданий позволяет не только создавать необходимые условия микроклимата, но и интенсифицировать производство. Во многих хозяйствах Башкирии (колхоз им. Ленина, колхоз им. Нуриманова) значительно увеличилось получение приплода после внедрения инфракрасного отопления (увеличение опороса в зимний период в 4 раза), возросла сохранность молодняка (с 72,8% до 97,6%).
В настоящее время система инфракрасного отопления установлена и отработала уже один сезон на предприятии "Чувашский бройлер" в пригороде г. Чебоксары. По отзывам руководителей хозяйства, в период минимальных зимних температур -34-36 С система работала бесперебойно и обеспечивала требуемое тепло для выращивания птицы на мясо (напольное содержание) в период 48 дней. В настоящее время ими рассматривается вопрос об оборудовании инфракрасными системами остальных птичников.