Infrarotstrahlung

      Als Infrarotstrahlung (kurz IR-Strahlung, auch Ultrarotstrahlung) bezeichnet man in der Physik elektromagnetische Wellen im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und den langwelligeren Mikrowellen. Dies entspricht einem Wellenlängenbereich von etwa 780 nm bis 1 mm. Bei kurzwelliger IR-Strahlung (ab 780 nm) spricht man oft von nahem Infrarot (near infrared, NIR), bei Wellenlängen von ca. 5-25 Mikrometer von mittlerem Infrarot (mid infrared, MIR). Extrem langwellige IR-Strahlung (25 µm-1 mm) bezeichnet man als fernes Infrarot (far infrared, FIR). Sie grenzt an den Bereich der Terahertzstrahlung. Infrarotstrahlung ist ein Teil der Wärmestrahlung.

Technisch wird auch oft näher unterschieden in:

• nahes Infrarot (engl. near infrared) NIR, IR-A nach DIN, 0,7 – 1,4 µm – beschränkt durch die Wasserabsorption und aufgrund der geringen Absorption und Dispersion durch Glasfasern in der Telekommunikation verwendet
  • darunter photographisches Infrarot, 0,7 – 1,0 µm: Fotografischer Film kann diesen Wellenbereich aufnehmen. Da gesunde Vegetation in diesem Bereich sehr intensiv zurückstrahlt, werden sogenannte Falschfarben-Infrarot-(Luft)Bilder (Color InfraRed CIR, Wellenbereiche: grün, rot, phot. Infrarot) bevorzugt für die Vegetationsuntersuchung eingesetzt.
• mittleres Infrarot (engl. mid IR)
  • kurzwelliges IR (engl. short wavelength IR) SWIR, IR-B nach DIN, 1,4 – 3 µm Die Wasserabsorption steigt bei 1450 nm stark an
  • mittelwelliges Infrarot (engl. mid wavelength IR) MWIR, IR-C nach DIN, auch Zwischen-IR: intermediate-IR (IIR), 3 – 8 µm
  • langwelliges IR (engl. long wavelength IR) LWIR oder auch thermisches IR (engl. thermal IR) TIR, IR-C nach DIN, 8 – 15 µm)
• fernes Infrarot (engl. far infrared) FIR, 15 – 1000 µm

Die Begriffe sind nicht immer so eindeutig wie für den sichtbaren Bereich definiert und werden teils durch die Anwendungen oder spezielle physikalische Phänomene bestimmt, weshalb es mehrere unterschiedliche Bezeichnungen gibt.

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Geschichte

Die IR-Strahlung wurde im Jahre 1666 von Sir Isaac Newton postuliert. 1800 ermittelte Sir Wilhelm Herschel die relative Energie dieser Strahlung, indem er Sonnenlicht durch ein Prisma lenkte und hinter dem roten Ende des sichtbaren Spektrums ein Thermometer legte. Aus dem beobachteten Temperaturanstieg schloss er, dass sich das Sonnenspektrum jenseits des Roten fortsetzt.

IR-Quellen und Nachweis der Strahlung

Umgangssprachlich wird IR-Licht oft mit Wärmestrahlung gleichgesetzt, auch wenn sowohl Mikrowellen als auch sichtbares Licht, wie der ganze elektromagnetische Spektralbereich, zur Wärmestrahlung beitragen.

Breitbandige IR-Quellen sind thermische Strahler wie beispielsweise Glühlampen und Heizstrahler. Selektivstrahler sind die Nernstlampe, der Glühstrumpf oder auch Hochdruck-Gasentladungslampen und auch Infrarot-LEDs. Als monochromatische, kohärente Quellen dienen Infrarotlaser (Halbleiterlaser, Nd:YAG-Laser, CO₂-Laser).

Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eignen sich thermische Detektoren (Thermoelemente oder Bolometer). Im kurzwelligen Bereich werden Halbleiterdetektoren verwendet - auch Digitalkameras eignen sich dafür, wenn ihr IR-Sperrfilter nicht zu stark ausgelegt ist. Zur Aufnahme von IR-Bildern im nahen Infrarotbereich eignen sich auch spezielle fotografische Filme. Bei längeren Wellenlängen (mittleres Infrarot) werden gekühlte Halbleiterempfänger oder pyroelektrische Sensoren (Anwendung z. B. im PIR-Bewegungsmelder) verwendet.

Bildgebende Sensoren haben für die Thermografie, die Infrarotastronomie (Blick durch interstellare Staubwolken möglich) und Nachtsichtgeräte Bedeutung.

Im Lauf der Zeit wurden die unterschiedlichsten Infrarotstrahler entwickelt, um Infrarotstrahlung zu erzeugen.

Anwendungen

Astronomie

In der Infrarotastronomie beobachtet man "kühle" Objekte (kälter als 1000 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.

Elektronik und Computertechnik

Infrarotfernbedienungen, Optokoppler und die meisten Lichtschranken arbeiten im nahen Infrarot bei 880 bis 950 nm Wellenlänge, da hier Silicium-Fotodioden und Fototransistoren ihre höchste Empfindlichkeit haben.
Infrarotschnittstellen von Computern arbeiten ebenfalls in diesem Wellenlängenbereich und ermöglichen eine drahtlose Kommunikation mit Peripheriegeräten. Dabei war die Firma Hewlett Packard eines der ersten Unternehmen, das die Infrarottechnik mit der EDV verbunden hat. 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 ihrem ersten Standard. Man nannte ihn somit Serial Infrared (Serielles Infrarot), abgekürzt SIR. Aus Geschwindigkeitsgründen ist dieser Standard heutzutage durch das abwärtskompatible Fast-IR abgelöst, welches bei PCs jedes Desktop-Mainboard ab ungefähr Baujahr 2002 unterstützt (bzw. für den Anschluss eines solchen Senders/Empfängers vorbereitet ist). PDAs und Notebooks (bis ungefähr Baujahr 2006) haben ein solches Infrarotgerät eingebaut, ebenso wie einige Mobiltelefone (hier gilt für die neueren dasselbe wie für Notebooks). Die Infrarotschnittstellen werden zunehmend durch Bluetooth ersetzt.

Die Standardwellenlänge in der optischen Datenübertragung mittels Glasfasern liegt bei 1550 nm und somit ebenfalls im NIR.

Für die optische Datenübertragung mittels eines IR-Lasers durch die Atmosphäre siehe optische Freiraumübertragung

Chemie

IR-Strahlung regt Moleküle zu Schwingungen und Rotationen an. Die Infrarotspektroskopie ist ein physikalisches Analyseverfahren, das infrarotes Licht zur quantitativen Bestimmung von bekannten Substanzen oder Strukturaufklärung unbekannter Substanzen benutzt.

Vermessung von Vegetation

Im nahen Infrarot besitzt Chlorophyll (=grüne Vegetation) eine deutlich (ungefähr sechsfach) höhere Reflektivität als im sichtbaren (insbesondere im grünen) Spektralbereich. Dieser Effekt wird zur Erkennung von Vegetationsflächen ausgenutzt. Dabei werden von einer Szene zwei Bilder genommen, wobei das eine nur den sichtbaren, das andere nur den nahen infraroten Bereich umfasst. Hierfür werden häufig Multispektralkameras verwendet. Durch Division beider Bilder wird die Vegetation deutlich sichtbar und kann leicht segmentiert werden.

Die auf diese Weise erkannte Vegetation kann nun vermessen werden. Die Vermessung erfolgt dabei häufig von einem Fahrzeug (bzw. Flugzeug) aus oder in Innenräumen. Die Vermessung von Vegetation in Innenräumen hat zum Ziel, eine Pflanze genau meist über einen längeren Zeitraum zu beobachten. Die Vermessung der Vegetation von Fahrzeugen aus will eine Aussage über die lokal vorherrschenden Bedingungen geben. Ein häufiger Anwendungsfall ist die Bestimmung des Flächenanteils der Vegetation zur gesamten Grundfläche. Dazu werden meist von der Luft aus aufgenommene Bilder verwendet. Alternativ wird Vegetation von einem Landfahrzeug (z.B. Auto, Zug) aus vermessen. Hierbei ist das Vegetationsvolumen innerhalb eines vordefinierten Raumes zu bestimmen. Diese Volumen-Vermessung von Vegetation ist für Autobahn- und Straßenmeistereien sowie Betreiber von Schienennetzen (z. B. DB Netz AG) von Bedeutung. Ragt Vegetation zu weit in das Lichtraumprofil von Fahrzeugen, kann dies von Vermessungssystemen automatisch erkannt werden und der Befehl zum Rückschnitt gegeben werden.

Bewertung von Vegetation

Über die spektrale Reflexion insbesondere im nahen bis fernen Infrarot von grüner Vegetation können Vegetationstypen unterschieden werden und der jeweilige Gesundheitszustand der Vegetation erkannt werden.

Der Gesundheitszustand der Pflanzen hängt in erster Linie von Ihrer Wasserversorgung ab. Gemessen wird dabei ihre Trockenheit. Aber auch Pilz- und Insektenbefall ist zu erkennen.

Medizin

Wärmestrahlung von Heizstrahlern (z. B. keramische Infrarotstrahler mit langwelliger IR-Strahlung bzw. Rotlichtlampen, die vorrangig nahes IR emittieren) wird zur örtlichen Behandlung von Entzündungen (z. B. Nasennebenhöhlen) eingesetzt. Für die Ganzkörper-Behandlung siehe Infrarotwärmekabine.

Eine weitere Form der Ganzkörperanwendung und Teilkörperanwendung von kurzwelliger IR Strahlung erfolgt in sogenannten „Melting Domes“. Hier wird durch eine großflächige, tunnelartig über dem Körper gelegene Strahlungsquelle ein hoher Anteil an Infrarot-A-Strahlung erreicht. Das Einsatzgebiet entspricht dem der Infrarotwärmekabinen, die Geräte sind jedoch mobil.

Infrarotstrahlung wird in der Medizin auch häufig in Form von Lasern genutzt. Die Einsatzgebiete umfassen dabei insbesondere die Haut-, Augen- und Zahnheilkunde (Messen, Veröden, Schneiden, Koagulieren, Lichttherapie).

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 verursacht. Am Körper wird es in Regionen absorbiert, in denen sich keine Temperatursensoren befinden und kann daher dort ebenfalls oft unbemerkt Schäden verursachen.

Zur Fiebermessung werden Pyrometer verwendet, die die Temperatur im Ohr anhand der Wärmestrahlung im mittleren Infrarot messen.

Zum Auffinden lokaler Entzündungsherde werden Thermografieaufnahmen herangezogen.

Autoverkehr und Nachtsichtgeräte

Im Auto kann eine Infrarotkamera (NIR) genutzt werden, um die Sicherheit bei Nacht- und Nebelfahrten zu erhöhen. Hierbei wird das IR-Bild dem Fahrer auf einem Display angezeigt. Die Systeme werden auch als „Night Vision“ bezeichnet und ermöglichen eine deutlich erhöhte Sicherheit bei schlechten Sichtverhältnissen, da die Durchdringungsfähigkeit und Reichweite des infraroten Anteiles der mit Glühlampen arbeitenden Autoscheinwerfer wesentlich höher als im sichtbaren Bereich ist.

Jäger und das Militär nutzen tragbare Nachtsichtgeräte und Restlichtverstärker im Nahen Infrarot, um mit oder ohne zusätzliche Infrarot-Beleuchtung unerkannt Objekte erkennen zu können.

Fahrzeuge und Flugzeuge des Militärs und der Polizei haben oft Infrarotsichtgeräte für das mittlere Infrarot ähnlich Thermografiegeräten an Bord, mit denen sich Fahrzeuge und Personen im Dunklen anhand ihrer thermischen Strahlungsemission erkennen lassen.

Industrie und Instandhaltung

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 („Hot Spots“) von Maschinen, Anlagen und Installationen während des Betriebes ermittelt werden. Dadurch können bereits frühzeitig Maßnahmen zur Eingrenzung der Auswirkungen eingeleitet und somit ggf. Ausfälle und Schäden vermieden werden.

Man kann die Thermografie auch bei der Schwingungsanalyse und Festigkeitsprüfung einsetzen. Risse und lose Verbindungen verraten sich durch ihre Wärmeentwicklung.

Mit Infrarot-Pyrometern können berührungslos Prozesstemperaturen und Temperaturen von Bauteilen und Kühlkörpern gemessen bzw. kontrolliert werden

Materialbearbeitung

Viele thermische Verfahren in der Industrie werden durch Infrarotstrahlung vorgenommen. Dazu gehört beispielsweise das Trocknen, Aushärten und Backen.

Kunststoffe können verformt, verschweißt, vernietet oder entgratet sowie mit Infrarot-Lasern (Diodenlaser, Nd:YAG-Laser oder Kohlendioxidlaser) geschweißt, beschriftet und geschnitten werden.

Das Bohren, Schneiden, Schweißen, Härten und Gravieren von Metallen erfolgt vorrangig mit Infrarotlasern, hauptsächlich mit dem Kohlendioxidlaser (CO₂-Laser, 10,6 µm) oder dem Nd:YAG-Laser (1,064 µm).

Sonstige

• Bauthermografie zur Qualitätssicherung und Visualisierung von Wärmebrücken
• Mit Hilfe der Thermografie lassen sich Bilder der durch die Eigenwärme von Gegenständen entstehenden Infrarotstrahlung erzeugen, sogenannte "Wärmebilder".
• Die IR-Spektroskopie ist ein wichtiges chemisches Analyseverfahren.
• Fernbedienungen von Fernsehern und Stereoanlagen nutzen Infrarotlicht zur Kommunikation.
• Nachtsichtgeräte liefern Bilder der Umgebung im infraroten Spektralbereich.
• Zielsuchende Waffen, die ihr Ziel über die von diesem ausgesandte Wärmestrahlung (z. B. Triebwerkswärme bei Flugzeugen) mit einer Infrarotkamera finden.
• Heizlampen strahlen hauptsächlich im Infraroten.
• Mit Gas oder elektrisch beheizte Infrarotstrahler zur Trocknung von Warenbahnen, wie z. B. Papier.
• Sicherheitsmerkmal bei Geldscheinen, z. B. dem Euro.
• Infrarote Leuchtdioden in optischen Brandmeldern und Lichtschranken zur Raucherkennung.
• Komplette Hausheizung oder Übergangsheizung im Bad mittels Infrarot-Panels (so wurde seit 1986 die Raumstation MIR beheizt)