Infrarotstrahlung

Als Infrarotstrahlung (kurz IR-Strahlung, auch Ultrarotstrahlung) bezeichnet man in der Physik elektromagnetische Wellen im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und der längerwelligen Terahertzstrahlung. Als Infrarot wird der Spektralbereich zwischen 10⁻³ m und 7,8×10⁻⁷ m (1 mm und 780 nm) bezeichnet, was einem Frequenzbereich von 3×10¹¹ Hz bis ca. 4×10¹⁴ Hz (300 GHz bis 400 THz) entspricht.

Ein Baum vor dem Lehmbruckmuseum in Duisburg (Aufnahme des sichtbaren Spektralbereiches)

Dasselbe Motiv fotografiert unter Verwendung eines IR-Transmissionsfilters (Powershot A70 + Hoya 780), aufgezeichnet wird nur Infrarot im Bereich von 700–1000 nm (Falschfarbendarstellung)

Einteilung des Spektralbereichs

Eine Einteilung des infraroten Spektralbereichs beruht auf den Arten der Molekülschwingungen, die sich auf die Anwendungen auswirken. Die Begriffe sind nicht eindeutig wie im sichtbaren Bereich definiert und werden teils durch Anwendungen oder spezielle physikalische Phänomene bestimmt, weshalb es mehrere unterschiedliche Bezeichnungen gibt. Das International Commission on Illumination (CIE) und DIN schlagen die Einteilung in drei Bänder vor: IR-A, IR-B und IR-C (MIR und FIR).

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 ein Thermometer in den einzelnen Farbbereichen. Er bemerkte, dass jenseits des roten Endes des sichtbaren Spektrums das Thermometer die höchste Temperaturanzeigte. Aus dem beobachteten Temperaturanstieg schloss er, dass sich das Sonnenspektrum jenseits des Roten fortsetzt.

Quellen

Der Andromedanebel im infraroten Licht bei 24 μm

Es gibt eine Reihe von Quellen für Infrarotstrahlung. Eine der wichtigsten ist die Sonne. Die extraterrestrische Sonnestrahlung besteht fast zur Hälfte aus infraroter Strahlung.
Jeder Körper, auch die Erdoberfläche, emittiert infrarote Strahlung, wobei die Intensität und die spektrale Verteilung aus den Strahlungsgesetzen und den Oberflächeneigenschaften des Körpers folgen.
Die Ausstrahlung der Erdoberfläche und der Atmosphäre im infraroten Bereich spielen im Wärmehaushalt der Erde eine sehr große Rolle.

Nachweis

Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eignen sich thermische Detektoren (Thermoelemente oder Bolometer). Im kurzwelligen Bereich werden halbleiterbasierte Detektoren verwendet, 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 oder pyroelektrische Sensoren verwendet, wie bei der Anwendung im PIR-Bewegungsmelder.

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 oder Übergangsheizung im Bad werden mittels Infrarot-Panels ausgeführt; die Raumstation Mir wurde seit 1986 auf diese Art beheizt.

Chemische Analytik und Verfahrenstechnik

Transmissionsinfrarotspektrum eines Styrol-Acrylnitril-Copolymers (SAN)

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 Malträger 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 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. 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

USB-Infrarotport für PC

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 heutzutage durch das abwärtskompatible Fast-IR abgelöst, welches bei Personalcomputern ab ungefähr Baujahr 2002 jedes Desktop-Mainboard unterstützt. PDAs und Notebooks (bis ungefähr Baujahr 2006) haben ein solches Infrarotgerät eingebaut, ebenso wie einige Mobiltelefone. Die Infrarotschnittstellen werden zunehmend 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.

Mittels Wärmebildsensoren kann die Bewegungserkennung einer Infrarotstrahlungsquelle erfolgen. Dies wird beispielsweise für die Steuerung der Spielekonsole Wii von Nintendo genutzt.

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.

Fotografie

Infrarot-Fotografie

Infrarotbild auf Kodak HIE-Film (Botanischer Garten, Bern)

In der Analogfotografie können im nahen infraroten Bereich bis 820 nm sensible spezielle Schwarzweißfilme eingesetzt. Das sichtbare Licht wird durch Kamerafilter gänzlich oder zum Großteil mit Rotfiltern ausgeschaltet. Typisches Ergebnis ist der Wood-Effekt: ein dunkel abgebildeter Himmel und eine Weißfärbung des Chlorophylls von Laub. Eingesetzt wird dies beispielsweise um mit IR-Aufnahmen leichten Dunst zu durchdringen. Diese Technik wird hauptsächlich vom Militär bei Luftaufnahmen für Spionage und militärische (Luft- und Gelände-) Aufklärung eingesetzt. Andererseits werden Farbfilme mit „Falschfarbenwidergabe“ eingesetzt. Diese Falschfarbenfilme bilden die infraroten Bereiche als sichtbare Farben ab. Eingesetzt werden derartige Materialien vorzugsweise bei Luftbildaufnahmen beispielsweise zur Waldschadenskartierung und in der Luftbildarchäologie, seltener im künstlerischen Bereich.

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, aber auch IR-Laser werden zur örtlichen Behandlung von Entzündungen (beispielsweise der Nasennebenhöhlen) eingesetzt. Für die Ganzkörper-Behandlung kommen Infrarotwärmekabinen zum Einsatz. 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). Weiterhin 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

Wärmebildkamera an einem Hubschrauber der Bundespolizei

Polizei und Militär nutzen tragbare Nachtsichtgeräte und Restlichtverstärker im Nahen Infrarot, dessen zentrales Bauteil Bildverstärker sind, um in der Dunkelheit „unsichtbare“ Objekte erkennen zu können. Zusätzlich kann Infrarotbeleuchtung eingesetzt werden. Hubschrauberpiloten fliegen nachts mit Hilfe einer am Helm befestigten Nachtsichtbrille, bei der vor jedem Auge ein einfarbiges Abbild der Wärmeabstrahlung von Objekten am Boden erzeugt wird. Außen am Helikopter kann eine bewegliche Kamera montiert werden, die im sichtbaren wie auch im infraroten Lichtspektrum Videobilder liefert. Diese werden zum Beispiel bei der Suche nach vermissten oder flüchtigen Personen auch in der Dunkelheit benutzt.

Viele Typen selbständig zielsuchender Lenkflugkörper finden ihr Ziel über Wärmestrahlung, die beispielsweise von Flugzeugtriebwerken ausgesandt wird. Zur Abwehr verfügen Kampfflugzeuge und Militärschiffe über Einrichtungen, die Täuschkörper (Flares) ausstoßen, um diese Waffen vom Zielobjekt wegzuleiten.

Thermografie

Head-up bild in einer F-15

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 („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. Neben dem Einsatz beim Trocknen können Materialien ausgehärtet, Kunststoffe erweicht und verformt werden. Mit Infrarotlasern werden Materialien verschweißt, beschriftet und geschnitten, Metalle auch gehärtet. Warenbahnen werden mit Infrarotstrahlern getrocknet die mit Gas oder elektrisch beheizt werden. Solche Zusatzeinrichtungen sind beispielsweise an Papiermaschinen vorhanden.

Sicherheitsdokumente

Geldprüfung

Infrarotsensitive Sicherheitsmerkmale in Pässen und Geldscheinen werden mit Infrarotstrahlern überprüft. So kann bei Euroscheinen neben anderen Merkmalen die Infrarotabsorption bestimmter Materialien bei definierten Wellenlängen geprüft werden. Andererseits ist die Infrarotfluoreszenz von Methylenblau im britischen Reisepass ein Merkmal das für Prüfgeräte genutzt wird.

Basierend auf einem Artikel in: Wikipedia.de