Infraroșu

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare
Fotografie cu două persoane realizată în infraroşu

Radiația în infraroșu (IR) este o radiație electromagnetică a cărei lungime de undă este mai lungă decât cea a luminii vizibile (400-700 nm), dar mai scurtă decât cea a radiației terahertz (100 μm - 1 mm) și a microundelor (~ 30000 μm). Majoritatea radiației termice emise de către obiectele aflate la temperatura camerei este în infraroșu.

Energia în infraroșu este emisă sau absorbită de molecule atunci când se schimbă mișcările de rotație - vibrație. Energia în infraroșu excita moduri de vibrație într-o moleculă printr-o schimbare de dipol, făcându-l interval de frecvență util pentru studiul acestor stări energetice pentru moleculele de simetrie corespunzătoare. Spectroscopia în infraroșu examinează absorbția și transmiterea de fotoni în intervalul energetic infraroșu.

Radiațiile infraroșii sunt folosite în aplicații industriale , științifice sau medicale.  Aparatele pentru vedere nocturna folosind iluminatie infrarosie apropiata activa ofera observarea oamenilor si animalelor fara ca observantul sa fie detectat. Astronomia in infrarosu foloseste senzori echipati pe telescoape pentru a trece prin regiunile greu vizibile din spatiu precum norii moleculari, mai sunt folositi pentru a detecta noi planete sau pentru a detecta traiectoria obitectelor in spatiu. Camerele cu detectoare infrarosii sunt folosite pentru a detecta pierderea de caldura din sisteme izolate, pentru a observa schimbarile de traiectorie a sangelui in corpul uman si pentru a detecta aparate electrice care se supraincalzesc.

Fotografierea in infrarosu este folosita in aplicatiile militare pentru achizitia de date dar si in scopuri industriale sau civile. Utilizarile militare includ vederea nocturna, supravegherea pe timp de noapte, localizre si urmarire. Omul la temperatura normala a corpului radiaza pe lungimea de unda de 10 micrometri. Utilizarile civile includ analiza eficientiei termale, monitorizarea mediului inconjurator, inspectarea uzinelor industriale, detectarea temperaturii la distanta, comunicatiile fara fir pe distante scurte, spectrografie si meteorologie.

  1. Definirea si relatia cu spectrul electromagnetic

Radiatia infrarosie este un tip de radiatie electromagnetica ca si undele radio, radiatia ultavioleta, razele X sau microundele. Lumina infrarosie apartine spectrului electromagnetic, fiind invizibila ochiului uman insa oamenii o pot simti ca si caldura. Orice cu temperatura de peste 5 grade Kelvin (-450 de grade Fahrenheit sau -268 de grade Celsius) emite radiatie infrarosie. Conform Agentiei de Protectie a Mediului, un simpu bec converteste 10% din energia electrica in lumina vizibila si 90% in radiatie infrarosie.

Radiatia infrarosie incepe la marginea vizibila a spectrului, mai exact de la extremitatea culorii rosii de la 700 nanometri (nm) pana la 1mm. Aceasta limita de lungime de unda corespunde frecventei cuprinse intre 430 THz pana la 300GHz, la limita inferioara a acestui spectru se afla portiunea de inceput a microundelor. 

Spectrul electromagnetic

Nume

Lungime de unda

Frecventa (Hz)

Energia fotonica (eV)

Raze Gama

mai mici de 0.01 nm

peste 30 EHz

124 keV – 300+ Gev

Raze X

0.01 nm – 10 nm

30 EHz -30 PHz

124 eV – 124 keV

Ultraviolet

10 nm – 380 nm

30 PHz -790 THz

3.3 eV -124 eV

Vizibil

380 nm -700 nm

790 THz- 430 Thz

1.7 eV – 3.3 eV

Infrarosu

700 nm – 1mm

430Thz -300 GHz

1.24 meV -1.7 eV

Microunde

1 mm – 1 metru

300 GHz – 300 MHz

1.24 ueV – 1.24 meV

Radio

1mm – 100000 km

300GHz – 3Hz

12.4 fev- 1.24 meV

Infrarosu natural

Lumina soarelui cu tempertatura efectiva de 5,780 de grade Kelvin, este compusa din radiatie termica ce este mai mult de jumatate radiatie infrarosie. La amiaza lumina soarelui produce o iradiere de 1 kilowat pe metrul patrat la nivelul marii. Din aceasta energie 527 de wati este radiatie infrarosie, 455 de wati este lumina vizibila si 32 de wati este radiatie ultravioleta.

La suprafata pamantului la temperaturi mult mai mici pe suprafata soarelui, aproape toate radiatiile termice este formata din radiatie infrarosii pe diferite lungimi de unda. Din toate fenomenele naturale doar fulgerul si focul este destul de puternic pentru a produce energie vizibila.

Regiunile din infrarosu

In general, obiectele emit radiatie infrarosie pe tot spectrul lungimii de unda, dar uneori doar o regiune limitata a spectrului produce interes deoarece senzorii pot colecta radiatii doar dintr-o lungime de banda specifica. Radiatia termica infrarosie are o emisie maxima pe lungimea sa de unda si este invers proportionala cu temperatura absoluta a obiectului conform legii de distributie a lui Wien, de aceea banda infrarosie este subdivizata in regiuni mai mici.

Nume

Abreviere

Lungime de unda

Frecventa

Energie fotonica

Caracteristici

Infrarosu apropiat

NIR, IR-A DIN  

0.75-1.4 um  

214-400 THz

886-1653 meV  

Utilizata la comunicatiile prin fibra optica datorita pierderilor mici in cazul atenuarii

Lungime de undă scurtă  

SWIR, IR-B DIN  

1.4-3 um  

100-214 THz  

413-886 meV  

Utilizata in telecomunicatiile pe distante lungi

Lungime de

undă medie  

MWIR, IR-C

DIN(IIR)

3-8 um  

37-100 THz  

155-413  

Utilizari in domeniul militar pentru rachetele ghidate cu senzori de caldura

Lungime de undă lungă  

LWIR, IR-C DIN  

8-15 um  

20-37 THz  

83-155 meV  

Zona în care senzorii pot obține imagini cu obiecte care emit radiații cu o temperatură puțin mai mare decât temperature camerei.

Lungime de undă foarte lungă  

FIR  

15-1000 um  

0.3-20 THz  

1.2-83 meV  

Utilizari in medicina si astronomie.

Sistemul divizat de CIE

Comisia internationala de iluminare este autoritatea internationala a luminii, iluminarii, culorii si a culorilor reproduse in utilizarile analog/digitale. Aceasta organizatie se imparte in 8 diviziuni, fiecare dintre aceste diviziuni stabilește comitetelor tehnice pentru a efectua programele de sub supravegherea lor. Aceasta comisie a recomandat divizarea radiatiei infrarosii in urmatoarele 3 benzi:

  • IR-A: 700 nm - 1400 nm (0.7 µm – 1.4 µm, 215 THz – 430 THz);
  • IR-B: 1400 nm – 3000 nm (1.4 µm – 3 µm, 100 THz – 215 THz);
  • IR-C: 3000 nm – 1 mm (3 µm – 1000 µm, 300 GHz – 100 THz);

Sistemul divizat impus de ISO

Organizatia international de standardiazare a impus sistemul ISO 20473 pentru divizarea radiatie infrarosii:

  • Infrarosu apropiat cu abreviatia NIR (Near-Infrared) si lungimea de unda 0.78–3 µm;
  • Infrarosu de unda medie cu abreviatia MIR (Mid-infrared) si lungimea de unda 3–50 µm;
  • Infrarosu indepartat cu abreviatia FIR (Far-infrared) si lungimea de unda 50–1000 µm;

Sistemul divizat in astronomie

Astronomii au divizat spectrul infrarosu dupa cum urmeaza:

  • Infrarosu apropiat cu abreviatia NIR (Near-Infrared) si lungimea de unda (0.7–1) pana la 5 µm;
  • Infrarosu de unda medie cu abreviatia MIR (Mid-infrared) si lungimea de unda 5 pana la(25–40) µm;
  • Infrarosu indepartat cu abreviatia FIR (Far-infrared) si lungimea de unda(25–40) pana la (200–350) µm;

Aceste 3 diviziuni nusunt precise si pot varia in functie de publicatie. Cele trei regiuni suntfolosite la observarea gamelor diferite de temperaturi si prin urmarediferitele medii din spatiu.

Sistemul divizat la raspunsul senzorilor

Un al treilea sistem de divizare imparte banda dupa felul in care raspund majoritatea detectoarelor:

  • Infrarosu apropiat: de la 0,7 la 1 µm ;
  • Infrarosu de unda scurta : de la 1.0 pana la 3 µm;
  • Infrarosu de unda medie: de la 3 pana la 5 µm;
  • Infrarosu de unda lunga:  de la 8 pana la 12 µm sau 7 pana la 14 µm;
  • Infrarosu de unda  foarte lunga:  12  pana la 30 µm;

Infrarosu apropiat esteregiunea cea mai apropiata in lungime de unda de radiatia detectabila de ochiuluman, de unda medie si cel indepartat sunt mult mai departe de spectrulvizibil. Detectoarele comune din silicon au o sensibilitate la aproximativ 1050nm in timp ce detectoarele ce au in compusi chimici au o sensibilitate cuprinsa intre 950nm si se termina undeva in jur de 1700-2600nm in functie de configuratia specifica.

Infrarosu incepe conform diferitelor standarde undeva intre 700-800nm, dar granita intre lumina vizibila si lumina infrarosie nu este precis definita.

In mod particular lumina intensa cuprinsa in banda infrarosului apropiat (provenind de la lasere infrarosii, leduri sau de la lumina zilei) poate fi detectata pana la aproximativ 780 nm si va fi perceputa ca si lumina rosie. Sursele ce emit lungimi de unda lungi de 1050 nm pot fi percepute ca si o lucire rosie monotona intr-o sursa intensa.

Benzile infrarosii utilizate in telecomunicatii

In comunicatiile optice, partea din spectrul infrarosu utilizata este divizata in sapte benzi ce se bazeaza pe posibilitatea de transmitere a luminii precum si de absortia si detectarea ei.

Bandă

Descriere

Lungime de undă

O

Originală

1260-1360 nm

E

Extinsă

1360-1460 nm

S

Lungime de undă scurtă

1460-1530 nm

C

Convențională

1530-1565 nm

L

Lungime de undă lungă

1565-1625 nm

U

Lungime de undă ultra lungă

1625-1675 nm

Banda C este banda dominanta pentru telecomunicatiile pe distate lungi. Banda S si banda L se utilizeaza pe o tehnologie mai putin cunoscuta si nu sunt la fel de raspandite.

Radiatia termica (caldura)

Radiatia infraosie este mai cunoscuta ca si radiatia caldurii, insa lumina si lumina si undele electromagnetie de orice frecventa vor incalzi suprafetele care le absorb. Lumina infrarosie provenita de la soare reprezinta 49% din caldura pamantului, restul fiind cauzat de lumina vizibila care este absorbita apoi reradiata la lungimi de unda mai mari.

Lumina vizibila sau emisia laserelor ultraviolete pot arde hartia iar obiectele cu adevarat fierbinti pot emite radiatie vizibila. Obiectele la temperatura camerei vor emite radiatii concentreate de cele mai multe ori in banda de la 8 la 25 µm dar acest lucru nu este diferit de emisia de lumina vizibila de obiectele incandescente si ultraviolete de obiecte mai fierbinti.

Caldura este energia in tranzit care se scurge datorita diferentelor de temperatura. Diferit de caldura transmisa de conductia termica sau transmiterea caldurii prin convectie, radiatia termica se poate propaga in vid. Radiatia termica este caracterizata printr-un spectru particular cu multe lungimi de unda care sunt asociate emisiei dintr-un obiect, ca urmare a vibrațiilor sale moleculelare la o temperatură dată. Radiatia termica poate fi emisa din obiecte la orice lungime de unda  si la temperaturi foarte mari, asemenea radiatii sunt asociate unui spectru cu mult peste infrarosu, spectrul vizibil, ultraviolet si chiar peste regiunile razelor X. Datorita cunoscutei asocieri dintre radiatia infrarosie si radiatia termica este doar o coincidenta bazata pe faptul ca pe pamant este o temperatura mult mai scazuta decat pe celelalte planete din jurul soarelui.

Conceptul de emitivitate este important in intelegerea emisiilor infrarosii ale obiectelor. Aceasta este o proprietate a unei aparente care descrie cum emisiile termale se abat de la idealul unui corp absolut negru (un corp care absoarbe integral radiatia). Pentru o explicatie mai buna doua obiecte la aceiasi temperatura fizica nu vor arata aceiasi imagine infrarosie daca le difera gradul de emitivitate. Din acest motiv selectia incorecta a emitivitatii va da rezultate inexacte atunci cand folosim camere si pirometre.

Vedere nocturna

Infrarosul este folosit la echipamentele de vedere nocturna cand nu este suficienta lumina vizibila pentru a vedea. Dispozitivele de vedre nocturna opereaza printr-un proces implicand transformarea fotonilor de lumina ambientala in electroni care sunt apoi amplificati prin procese chimice si electrice si apoi transformati inapoi in lumina vizibila. Sursele de lumina infrarosie pot fi folosite pentru a spori lumina ambientala disponibila ce este utilizata de catre dispozitivele de vedere nocturna pentru vizibilitatea in intuneric fara a folosi o sursa de lumina vizibila.

Utilizarile luminii infrarsii pentru dispozitivele de vedere nocturna nu trebuie confundate cu termoviziunea, care creaza imagini bazate pe diferentele de temperatura de suprafata prin detectarea radiatiei infrarosii (caldura) care provine de la obiecte si mediul inconjurator.

Termografia

Radiatia infrarosie poate fi utilizata pentru a determina de la distanta temperatura obiectelor daca se cunoaste emitivitatea lor. Aceasta se numeste termografie sau in cazul obiectelor foarte fierbinti din infrarosu apropiat sau spectrul vizibil este denumit pirometrie. Termografia este utilizata in aplicatii militare si industriale dar tehnologia apare si pe piata libera sub forma camerelor cu termoviziune.

Camerele cu termoviziune detecteaza radiatia infrarosie cuprinsa in raza spectrului electromagnetic (aproximativ 900-14000 nm sau 0.9–14 μm ) si produce imaginile radiatiei respective. De cand radiatia infrarosie este emisa de catre toate obiectele in functie de temperatura lor, conform legii radiatiei corpului absolut negru termografia poate face posibil sa vedem mediul cuiva cu sau fara iluminare vizibila. Cantitatea de radiatie emisa de catre un obiect creste cu temperatura, de aceea termografia ne permite sa vedem variatiile de temperatura. 

Comunicatiile in infrarosu

Transmisiile de date in infrarosu sunt deasemena utilizate in transmisiile de date intre perifericele sistemelor complexe cat si o perioada buna de timp pentru a transfera date intre telefoanele mobile. Aceste dispozitive sunt utilizate conform standardelor publicate de IRDA (Infrared Data Association). Telecomenzile si celelalte dispozitive ce utilizeaza transmiterea de date in infrarosu  folosesc LED-uri (light-emitting diodes) pentru a emite radiatie infrarosie care este directionata de o lentila plasticata intr-un fascicul ingust. Fasciculul este modulat si se deschide si inchide pentru a cripta date. Receptorul utilizeaza o fotodioda din silicon pentru a converti radiatia infrarosie in curent electric. Raspunde numai semnalului pulsatoriu creat de transmitator si filtreaza schimbarile radiatiei infrarosii din lumina ambientala. Comunicatiile prin infrarosu sunt folositoare utilizarilor casnice in zonele cu densitate mare a populatiei. Infrarosu nu poate strapunge peretii si astfel nu poate interfera cu alte dispozitive din incaperi alaturate. Infrarosu este cea mai comuna metoda folosita pentru telecomenzile ce comanda aparate simple. Telecomenzile prin infrarosu utilizeaza protocoale precum RC-5, SIRC, NEC etc. pentru a putea functiona.

Comunicatiile optice in spatiul liber ce utilizeaza lasere prin infrarosu poate fi o metoda foarte convenabila pentru a instala o legatura de comunicatie in spatiul urban care sa functioneze pana la 4 gigabit/s, in comparatie cu ingroparea cablului de fibra optica.

Laserele infrarosii sunt utilizate pentru a asigura lumina pentru sistemele de comunicatie prin fibra optica. Lumina infrarosie cu lungimea de unda in jurul valorii de 1330 nm sau 1550 nm sunt cele mai bune decizii pentru firele standard de silicon.