Infrarotstrahlung

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Infrarotbild desOrionnebels

Infrarotstrahlung(kurzIR-Strahlung,seltenUltrarotstrahlung) ist in derPhysikelektromagnetische StrahlungimSpektralbereichzwischen sichtbaremLichtund der längerwelligenTerahertzstrahlung.Üblicherweise ist damit Licht (i. w. S.) mit einerWellenlängezwischen 780 nm und 1 mm gemeint. Dies entspricht einem Frequenzbereich von 300 GHz bis 400 THz bzw. einemWellenzahlbereichvon 10 cm−1bis 12.800 cm−1.Sie bildet die Grundlage von Anwendungen zum Beispiel in derThermografie,Fernerkundung,beiFernbedienungenundNachtsichtgeräten.[1]

Eine Infrarotfotografie (MIR, um 10 µm) eines kleinen Hundes (Falschfarbendarstellung)
Ein Baum vor dem Lehmbruckmuseum in Duisburg
Aufnahme des sichtbaren Spektralbereiches
Fotografiert unter Verwendung eines IR-Transmissionsfilters, aufgezeichnet wird nur Infrarot im Bereich von 700–1.000 nm (Motiv ohne Person)

Der lateinische Namensbestandteilinfrabedeutet „unterhalb “, insgesamt also „unterhalb rot “und bezieht sich auf die Frequenz.

Einteilung des Spektralbereichs

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Eine Einteilung des infraroten Spektralbereichs,Infrarotgenannt (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]

Einteilung der Infrarotstrahlung nach DIN 5031[2]
Benennung Kurzzeichen Wellenlänge
(μm)
Strahlungs-
Temperatur
nachWien
(Kelvin)
Einsatzbereiche / Bemerkungen
nahes Infrarot NIR IR-A 0,78…1,40 3700…970 kurzwelliger Teil des NIR-Bereichs, 780-nm-Grenze bedingt durch den demSonnenspektrumangepassten menschlichen Sehsinn.

photographisches Infrarot (ColorInfraRed, CIR) liegt bei 0,7 bis 1,0 µm:fotografischer Filmkann diesen Wellenbereich aufnehmen.

IR-B 1,4…3,0 langwelliger Teil des NIR-Bereichs

Die Begrenzung ist in der Wasserabsorption bei 1450 nm begründet.

mittleres Infrarot MIR IR-C 03…50 970…600 Bereich thermischer Strahlung bei irdischen Temperaturen
fernes Infrarot FIR 0050…1000 60…30 Die Atmosphäre absorbiert hier stark, an der Grenze zum Mikrowellenbereich wird gerade noch die kosmische3-Kelvin-Strahlungsichtbar.

Auch andere Festlegungen sind üblich, beispielsweise ist eine häufig imangloamerikanischenRaum 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 Herschelbei dem Versuch entdeckt, dieTemperaturder verschiedenen Farben des Sonnenlichtes zu messen. Er ließ dazu Sonnenlicht durch einPrismafallen 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]

Infrarotlampe für medizinische Zwecke

Da dieThermorezeptorendes 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 BeispielGlühlampenundHeizstrahler) sind thermische Strahler. Für spezielle Anwendungen wurden Infrarotstrahler wieGlobarundNernst-Stiftentwickelt.

Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eignen sich thermische Detektoren (ThermoelementeoderBolometer). Im kurzwelligen Bereich werden halbleiterbasierte Detektoren verwendet (siehe dazuinnerer photoelektrischer Effekt). AuchDigitalkamerassind geeignet, wenn ihr IR-Sperrfilter nicht zu stark ausgelegt ist. Zur Aufnahme von IR-Bildern im nahen Infrarotbereich eignen sich weiterhin speziellefotografische Filmeund bei längeren Wellenlängen (mittleres Infrarot) werden gekühlte Halbleiterdetektoren,pyroelektrische Sensoren(PIR-Sensoren) oderThermosäulenverwendet.

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 dieBehaglichkeitdurch den Strahlungsanteil. Komplette Hausheizungen[8]oder Übergangsheizungen im Bad werden mittels Infrarot-Panels ausgeführt. Die RaumstationMirwurde seit 1986 auf diese Art beheizt. Andere Beispiele sindHeizpilzeund Infrarotgrills.

Chemische Analytik und Verfahrenstechnik

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Transmissionsinfrarotspektrum eines Styrol-Acrylnitril-Copolymers (SAN)

Infrarotstrahlung regtMolekülezu 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 derAbfalltrennungvon Kunststoffen genutzt.

Die Absorptionszentren der Molekülschwingungen sind direkt mit demBrechungsindexder Materialien und somit ihremReflexionsverhaltenverknüpft. Im infraroten Bereich wird dies unter anderem bei derInfrarotreflektographieausgenutzt.

Kunstwissenschaft

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Die Infrarotreflektographie ist eine hauptsächlich in derKunstwissenschaftangewandte Untersuchungsmethode, mit der sich über die Reflexionseigenschaften der auf einemBildträgeraufgebrachten 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 sichtbareUnterzeichnungzu dokumentieren.

DerAndromedanebelim infraroten Licht bei 24 μm

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 Wolkeliegen. Zusätzlich hilft die IR-Spektroskopie bei der Analyse der betrachteten Objekte. Hierbei werden wie in derChemiemittels Infrarotspektroskopie Banden bestimmter Substanzen nachgewiesen, beispielsweise dasMethangasauf demExoplanetenbei FixsternHD 189733.

Elektronik und Computertechnik

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USB-Infrarotport für PC
Infrarot-Sensoren an einem iPhone 3GS, die als Annäherungssensoren verwendet werden

Infrarotfernbedienungen,Optokopplerund die meistenLichtschrankenarbeiten im nahen Infrarot bei 880 bis 950 nm Wellenlänge, da hier Silicium-PhotodiodenundPhototransistorenihre höchste Empfindlichkeit haben.InfrarotschnittstellenvonComputernundMobiltelefonenwie demNokia 8210arbeiten ebenfalls in diesem Wellenlängenbereich und ermöglichen eine drahtlose Kommunikation mit Peripheriegeräten. Die optische Datenübertragung mittelsIR-Laserdurch die Atmosphäre wird durch dieoptische Freiraumübertragungcharakterisiert.

Eines der ersten Unternehmen, die Infrarottechnik mit derEDVverbunden haben, warHewlett-Packard.Im Jahre 1979 integrierte man dort erstmals eine IR-Schnittstellein einenTaschenrechner,um so eine Verbindung zu einemDruckerherzustellen. Im Jahre 1990 wurde dann eine IR-Schnittstelle in einenPersonal Computerintegriert. Diese Schnittstelle wurde zu einem Standard. Da sie seriell arbeitete, wurde sieSerial Infrared(serielles Infrarot), abgekürztSIRbenannt. Aus Geschwindigkeitsgründen ist dieser Standard durch das abwärtskompatible Fast-IR abgelöst worden und mittlerweile weitestgehend durchBluetoothersetzt.

In derTelekommunikationwird IR-A aufgrund der geringenAbsorptionundDispersionbevorzugt inLichtwellenleiternverwendet. Die Standardwellenlänge liegt bei 1550 nm.

DieWii-Fernbedienungund 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 grüneVegetationeine ungefähr sechsfach höhere Reflexion als im sichtbaren Spektralbereich, da frisches Blattgewebe ein gutes Reflexionsvermögen aufweist und die übrigen Wellenlängen vomChlorophyllund den begleitendenKarotinoidenabsorbiert 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 werdenMultispektralkamerasverwendet. 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 dasLichtraumprofilvon 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

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Infrarotbild aufKodakHIE-Film (Botanischer Garten, Bern)


In derAnalogfotografiekönnen im nahen infraroten Bereich bis 820 nm sensibilisierte, sogenannteInfrarotfilmeeingesetzt 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 beiLuftaufnahmenfür Spionage und militärische (Luft- und Gelände-)Aufklärung eingesetzt. Weitere Nutzungen finden in der Astronomie und inFahrerassistenzsystemenstatt.

Farbfilme mit „Falschfarbenwiedergabe“werden eingesetzt, um verschiedene infrarote Wellenlängen als Farben darzustellen. Einsatzgebiet dieser Materialien sind Luftbildaufnahmen zurWaldschadenskartierungund in derLuftbildarchäologieoder allgemein zur Untersuchung von Gemälden und Farbflächen.

Entfernungsmessung

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Canon AF35M mitAutofokusüber Infrarot-Entfernungsmessung (1979)

Entfernungsmessungim 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.

Heizlampenstrahlen im Infraroten und sind schon seit langem für medizinische Zwecke im Einsatz.

Wärmestrahlungvon Heizstrahlern, wiekeramische Infrarotstrahlermit langwelliger IR-Strahlung oder vorrangig nahes Infrarot emittierendeRotlichtlampen,werden zur örtlichen Behandlung von Entzündungen (beispielsweise der Nasennebenhöhlen) eingesetzt. Für die Ganzkörper-Behandlung kommenInfrarotwärmekabinenzum Einsatz.[10]Infrarotstrahlung wird in der Medizin häufig in Form vonLaserngenutzt. 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 wirdThermografieeingesetzt.

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.

ZurFiebermessungwerdenPyrometerverwendet, die die Temperatur im Ohr anhand der Wärmestrahlung im mittleren Infrarot messen. Schließlich dient diePulsoxymetriezur Messung der Sauerstoffsättigung roter Blutkörperchen.

Polizei und Militär

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Am Helm eines Soldaten befestigtes Nachtsichtgerät

Polizei und Militär nutzen tragbareNachtsichtgeräteund Restlichtverstärker im Nahen Infrarot, dessen zentrales BauteilBildverstärkersind, um in der Dunkelheit ansonsten nicht sichtbare Objekte erkennen zu können. Zusätzlich kann mit Infrarot beleuchtet werden.Hubschrauberpilotenfliegen 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 zielsuchenderLenkflugkörperfinden 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.

Bauthermografie:
Außenwand ohneWärmedämmung

Mit Hilfe derThermografielassen sich „Wärmebilder “erzeugen, für die die Infrarotstrahlung der Wärme von Gegenständen genutzt wird. Eine bekannte Anwendung ist dieBauthermografiezur Qualitätssicherung und Visualisierung von Wärmebrücken und Wärmeverlusten an Gebäuden. Im Ergebnis können dann wärmedämmende Maßnahmen gezielt eingesetzt werden. DieFeuerwehrbenutzt tragbareWärmebildkameraszum Aufspüren von Brandherden und Glutnestern oder zu rettenden Personen in verrauchten Innenräumen.

In der Diagnose undInstandhaltungvon 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

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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 mitGasoder elektrisch beheizt werden.

Die meistenLaserzur Laser-Materialbearbeitung (zum BeispielLaserschneiden,Schweißen,Härten,Lasergravieren,Bohren) arbeiten bei Infrarot-Wellenlängen.

Sicherheitsmerkmale

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Geldscheine: links im Sichtbaren, rechts infrarot beleuchtet und durch ein Nachtsichtgerät fotografiert

InfrarotsensitiveSicherheitsmerkmaleinPässenund Geldscheinen werden mit Infrarot-Testgeräten überprüft. So erscheinen beiEuroscheinenaufgrund 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 undHeizpilzensind 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 dieWärmestrahlungden Vorteil, dass kein Fett auf die Heizelemente trifft, da die Strahler oberhalb des Grillguts angebracht sind. Dadurch wird auch Rauchentwicklung verhindert.[12]

Commons:Infrarotstrahlung– Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Infrarotstrahlung– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
  1. Infrarotstrahlung in der Technik.Abgerufen am 9. Januar 2022.
  2. abStrahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik; Benennung der Wellenlängenbereiche.In: Deutsches Institut für Normung (Hrsg.):DIN.5031 Teil 7, Januar 1984.
  3. ISO 20473:2007 Optics and photonics - Spectral bands.International Organization for Standardization (ISO),abgerufen am 11. Januar 2019.
  4. 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.
  5. Heinrich Kayser:Handbuch der Spectroscopie.1. Auflage. Hirzel, Leipzig 1900.
  6. E.S. Barr:Historical survey of the early development of the infrared spectral region.In:American Journal of Physics.Band48,1960,S.42.
  7. Jack R. White, Herschel and the puzzle of infrared,American Scientist, Band 100, Nr. 3, Mai-Juni 2012, S. 218
  8. Peter Kosack (TU Kaiserslautern):Bericht zum Forschungsprojekt „Beispielhafte Vergleichsmessung zwischen Infrarotstrahlungsheizung und Gasheizung im Altbaubereich “,Oktober 2009.
  9. Infrarot-Lichtsprechgerät JO-4.03 „Palme “.Abgerufen am 25. Juni 2024(deutsch).
  10. Anwendungen von Infrarotstrahlung.Abgerufen am 9. Januar 2022.
  11. Der FLIR-Helikopter der Polizei im Detail.vol.at, abgerufen am 22. Juni 2016 (Video-Beispiel).
  12. Unterschiede IR und klassischer Grill.Abgerufen am 21. Januar 2018.