Infrarotstrahlung: Unterschied zwischen den Versionen

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Infrarotstrahlung: Unterschied zwischen den Versionen

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Als '''Infrarotstrahlung''' (kurz ''IR-Strahlung'', auch ''Ultrarotstrahlung'') bezeichnet man in der [[Physik]] [[elektromagnetische Welle]]n im [[Elektromagnetisches Spektrum|Spektralbereich]] zwischen sichtbarem [[Licht]] und der längerwelligen [[Terahertzstrahlung]]. Als Infrarot wird der Spektralbereich zwischen 10<sup>−3</sup>&nbsp;m und 7,8×10<sup>−7</sup>&nbsp;m (1&nbsp;mm und 780&nbsp;nm; der '''Infrarotbereich''') bezeichnet, was einem Frequenzbereich von 3×10<sup>11</sup>&nbsp;Hz bis ca. 4×10<sup>14</sup>&nbsp;Hz (300&nbsp;GHz bis 400&nbsp;THz) entspricht.
[[Datei:VISTA's infrared view of the Orion Nebula.jpg|mini|Infrarotbild des [[Orionnebel]]s]]
'''Infrarotstrahlung''', auch '''IR-Strahlung''', '''Infrarot''', selten '''Ultrarotstrahlung''', ist in der [[Physik]] [[elektromagnetische Strahlung]] im [[Elektromagnetisches Spektrum|Spektralbereich]] zwischen sichtbarem [[Licht]] und der längerwelligen [[Terahertzstrahlung]]. Üblicherweise ist damit Licht (i. w. S.) mit einer [[Wellenlänge]] zwischen 780&nbsp;nm und 1&nbsp;mm gemeint. Dies entspricht einem Frequenzbereich von 300&nbsp;GHz bis 400&nbsp;THz bzw. einem [[Wellenzahl]]bereich von 10&nbsp;cm<sup>−1</sup> bis 12.800&nbsp;cm<sup>−1</sup>. Sie bildet die Grundlage von Anwendungen zum Beispiel in der [[Thermografie]], [[Fernerkundung]], bei [[Fernbedienung]]en und [[Nachtsichtgerät]]en.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.bfs.de/DE/themen/opt/anwendung-alltag-technik/infrarot/ir-technik.html |titel=Infrarotstrahlung in der Technik |sprache=de |abruf=2022-01-09}}</ref>


{| class="float-right"
[[Datei:Infrared dog.jpg|mini|Eine Infrarotfotografie (MIR, um 10&nbsp;µm) eines kleinen Hundes ([[Falschfarben]]darstellung)]]
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{{Mehrere Bilder
| [[Datei:Duisburg Lehmbruck IR normal.JPG|mini|Ein Baum vor dem Lehmbruckmuseum in Duisburg (Aufnahme des sichtbaren Spektralbereiches)]]
| Kopfzeile  = Ein Baum vor dem Lehmbruckmuseum in Duisburg
| [[Datei:Duisburg Lehmbruck IR IR.JPG|mini|Identisches Motiv (ohne Person) fotografiert unter Verwendung eines IR-Transmissionsfilters, aufgezeichnet wird nur Infrarot im Bereich von 700–1000&nbsp;nm]]
| Breite      = 220
|}
| Bild1      = Duisburg Lehmbruck IR normal.JPG
| Untertitel1 = Aufnahme des sichtbaren Spektralbereiches
| Bild2      = Duisburg Lehmbruck IR IR.JPG
| Untertitel2 = Fotografiert unter Verwendung eines IR-Transmissionsfilters, aufgezeichnet wird nur Infrarot im Bereich von 700–1.000&nbsp;nm (Motiv ohne Person)
}}
 
Der lateinische Namensbestandteil [[Liste lateinischer Präfixe|infra]] bedeutet „unterhalb“, insgesamt also „unterhalb rot“ und bezieht sich auf die Frequenz.


== Einteilung des Spektralbereichs ==
== Einteilung des Spektralbereichs ==
Eine Einteilung des infraroten Spektralbereichs beruht auf den Arten der [[Schwingungsspektroskopie|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<ref name="DIN5031">{{Literatur |Hrsg=Deutsches Institut für Normung |Titel=Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik; Benennung der Wellenlängenbereiche |Sammelwerk=DIN |Band=5031 Teil 7 |Datum=1984-01}}</ref> schlagen die Einteilung in drei Bänder vor: IR-A, IR-B und IR-C (MIR und FIR).
Eine Einteilung des infraroten Spektralbereichs beruht auf den Arten der [[Schwingungsspektroskopie|Molekülschwingungen]], 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. Das [[International Commission on Illumination]] (CIE) und DIN<ref name="DIN5031">{{Literatur |Hrsg=Deutsches Institut für Normung |Titel=Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik; Benennung der Wellenlängenbereiche |Sammelwerk=DIN |Band=5031 Teil 7 |Datum=1984-01}}</ref> 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&nbsp;20473.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.iso.org/standard/39482.html |titel=ISO 20473:2007 Optics and photonics - Spectral bands |hrsg=International Organization for Standardization (ISO) |abruf=2019-01-11}}</ref>


{| class="wikitable" style="text-align:left"
{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ Einteilung der Infrarotstrahlung nach DIN 5031<ref name="DIN5031" />
|+ Einteilung der Infrarotstrahlung nach DIN 5031<ref name="DIN5031" />
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! Benennung !! colspan=2 | Kurzzeichen !! Wellenlänge<br />in μm !! Temperatur<br />nach [[Wiensches Verschiebungsgesetz|Wien]] !! Einsatzbereiche/Bemerkungen
! Benennung !! colspan=2 | Kurzzeichen !! Wellenlänge<br />in μm !! Temperatur<br />nach [[Wiensches Verschiebungsgesetz|Wien]] in [[Kelvin|K]] !! Einsatzbereiche/Bemerkungen
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|rowspan="2"| [[nahes Infrarot]] ||rowspan=2| NIR || IR-A ||0,78…1,4 ||rowspan=2| > 3700 K ||
|align="left" rowspan="2"| [[nahes Infrarot]] ||rowspan=2 align="left"| NIR ||align="left"| IR-A ||0,78…1,4{{0}} ||rowspan=2| 3700…970 || align="left" |
* kurzwelliger Teil des NIR-Bereichs, 780-nm-Grenze bedingt durch den dem [[Sonnenspektrum]] angepassten menschlichen Sehsinn.
* kurzwelliger Teil des NIR-Bereichs, 780-nm-Grenze bedingt durch den dem [[Sonnenspektrum]] angepassten menschlichen Sehsinn.
* photographisches Infrarot (ColorInfraRed, CIR) liegt bei 0,7 bis 1,0&nbsp;µm: [[fotografischer Film]] kann diesen Wellenbereich aufnehmen.<!-- → Anwendungen: Vegetation würde ohne Blattfarbstoffe wie Schnee oder Schaum auf Grund der Totalreflexion zwischen Wasser und Luft im Blattgewebe weißes Licht zurückstrahlen. Da die Wellenlängen des Lichts bis auf Grün und Foto-Infrarot vom Chlorophyll absorbiert werden, können Falschfarben-Infrarot-Bilder für die Vegetationsuntersuchung eingesetzt werden. Dazu werden mehrere Farbbereiche (Grün, Rot, Foto-Infrarot) überlagert zur Erkennung von Abweichungen von gesundem Pflanzenbestand genutzt. -->
* photographisches Infrarot (ColorInfraRed, CIR) liegt bei 0,7 bis 1,0&nbsp;µm: [[fotografischer Film]] kann diesen Wellenbereich aufnehmen.<!-- → Anwendungen: Vegetation würde ohne Blattfarbstoffe wie Schnee oder Schaum auf Grund der Totalreflexion zwischen Wasser und Luft im Blattgewebe weißes Licht zurückstrahlen. Da die Wellenlängen des Lichts bis auf Grün und Foto-Infrarot vom Chlorophyll absorbiert werden, können Falschfarben-Infrarot-Bilder für die Vegetationsuntersuchung eingesetzt werden. Dazu werden mehrere Farbbereiche (Grün, Rot, Foto-Infrarot) überlagert zur Erkennung von Abweichungen von gesundem Pflanzenbestand genutzt. -->
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|IR-B || 1,4…3,0 ||
|align="left"|IR-B || 1,4…3,0 ||align="left"|
* langwelliger Teil des NIR-Bereichs
* langwelliger Teil des NIR-Bereichs
* die Begrenzung ist in der Wasserabsorption bei 1450&nbsp;nm begründet.
* die Begrenzung ist in der Wasserabsorption bei 1450&nbsp;nm begründet.
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| mittleres Infrarot || MIR ||rowspan=2| IR-C || 3…50||1000…60 K||
|align="left"| mittleres Infrarot ||align="left"|MIR ||align="left" rowspan=2| IR-C || {{0|0}}3…50 || 970…60{{0}} ||align="left"|
* Bereich thermischer Strahlung bei irdischen Temperaturen
* Bereich thermischer Strahlung bei irdischen Temperaturen
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| [[fernes Infrarot]] || FIR || 50…1000 || < 3 K||
|align="left"| [[fernes Infrarot]] ||align="left"| FIR || {{0|00}}50…1000 || 60…3{{0}} ||align="left"|
* Die Atmosphäre absorbiert hier stark, an der Grenze zum Mikrowellenbereich wird gerade noch die kosmische [[3-Kelvin-Strahlung]] sichtbar.
* Die Atmosphäre absorbiert hier stark, an der Grenze zum Mikrowellenbereich wird gerade noch die kosmische [[3-Kelvin-Strahlung]] sichtbar.
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Eine häufig im angloamerikanischen Raum genutzte Unterteilung und bei der Spezifikation von Erderkundungskameras angewandte ist
Daneben sind auch andere Festlegungen üblich, beispielsweise eine häufig im [[angloamerikanisch]]en Raum genutzte Unterteilung und bei der Spezifikation von Erderkundungskameras angewandte ist:
* ''nahes Infrarot'' (englisch: {{lang|en|near infrared}}, NIR) ist kurzwellige IR-Strahlung, die sich direkt an den sichtbaren (roten) Bereich anschließt von 780&nbsp;nm bis 1400&nbsp;nm.
* ''nahes Infrarot'' (englisch: {{lang|en|near infrared}}, NIR) ist kurzwellige IR-Strahlung, die sich direkt an den sichtbaren (roten) Bereich anschließt von 780&nbsp;nm bis 1400&nbsp;nm.
* ''kurzwelliges Infrarot'' (englisch: {{lang|en|short wavelength}}, SWIR) 1,4 bis 3,0&nbsp;µm
* ''kurzwelliges Infrarot'' (englisch: {{lang|en|short wavelength}}, SWIR) 1,4 bis 3,0&nbsp;µm
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== Geschichte ==
== Geschichte ==
 
Die IR-Strahlung wurde um 1800 vom deutsch-britischen [[Astronom]]en, 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 (Optik)|Prisma]] fallen 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.&nbsp;Jahrhunderts als „Wärmestrahlung“ oder „Ultrarot“ bezeichnet.<ref>{{Literatur | Autor=Jan Frercks, Heiko Weber, Gerhard Wiesenfeldt | Titel=Reception and discovery: the nature of Johann Wilhelm Ritter’s invisible rays | Sammelwerk=Studies in History and Philosophy of Science Part A | Band=40| Nummer= 2| Jahr= 2009 |Seiten= 143-156| DOI= 10.1016/j.shpsa.2009.03.014}}</ref><ref>{{Literatur | Autor= [[Heinrich Gustav Johannes Kayser|Heinrich Kayser]]| Titel=Handbuch der Spectroscopie | Auflage=1 | Verlag=Hirzel | Ort= Leipzig| Jahr=1900 | ISBN= | Seiten=}}</ref> Der Name „Infrarot“ setzte sich erst ab den 1880er Jahren durch.<ref>{{Literatur | Autor= E.S. Barr| Titel= Historical survey of the early development of the infrared spectral region| Sammelwerk=American Journal of Physics | Band=48 | Nummer= | Jahr= 1960| Seiten=42}}</ref> Der genaue Ursprung der Bezeichnung ist unbekannt.<ref>[https://www.americanscientist.org/article/herschel-and-the-puzzle-of-infrared Jack R. White, Herschel and the puzzle of infrared], American Scientist, Band 100, Nr. 3, Mai-Juni 2012, S. 218</ref>
Die IR-Strahlung wurde um 1800 vom deutsch-britischen [[Astronom]]en, 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 (Optik)|Prisma]] fallen und platzierte ein Thermometer in den einzelnen Farbbereichen. Er bemerkte, dass jenseits des roten Endes des sichtbaren Spektrums das [[Thermometer]] die höchste Temperatur anzeigte. Aus dem beobachteten [[Temperatur]]anstieg schloss er, dass sich das Sonnenspektrum jenseits des Roten fortsetzt.


== Quellen ==
== Quellen ==
 
[[Datei:Infrarotlampe Philips infraphil.jpg|mini|Infrarotlampe für medizinische Zwecke]]
[[Datei:Infrarotlampe Philips infraphil.jpg|mini|Infrarotlichtlampe für medizinische Zwecke]]
Da die [[Thermorezeption|Thermorezeptoren]] des 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 Beispiel [[Glühlampe]]n und [[Heizstrahler]]) sind thermische Strahler. Unterschiedliche [[Infrarotstrahler]] wurden für spezielle Anwendungen entwickelt, beispielsweise [[Globar]] und [[Nernstlampe|Nernst-Stift]].
Umgangssprachlich wird Infrarotstrahlung oft mit [[Wärmestrahlung]] gleichgesetzt, auch wenn sowohl Mikrowellen als auch sichtbares Licht, wie der ganze elektromagnetische Spektralbereich zur Erhöhung der Temperatur beitragen. Breitbandige IR-Quellen sind thermische Strahler wie Glühlampen und Heizstrahler. Unterschiedliche [[Infrarotstrahler]] wurden entwickelt, um damit die Vielfalt der Anwendungen der Infrarotstrahlung spezifischer abzudecken, beispielsweise [[Globar]] und [[Nernstlampe|Nernst-Stift]].


== Nachweis ==
== Nachweis ==


Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eignen sich thermische Detektoren ([[Thermoelement]]e oder [[Bolometer]]). Im kurzwelligen Bereich werden halbleiterbasierte Detektoren verwendet (dazu [[innerer photoelektrischer Effekt]]), wobei auch [[Digitalkamera]]s geeignet sind, wenn ihr IR-Sperrfilter nicht zu stark ausgelegt ist. Zur Aufnahme von IR-Bildern im nahen Infrarotbereich eignen sich weiterhin spezielle [[Fotografischer Film|fotografische Filme]] und bei längeren Wellenlängen (mittleres Infrarot) werden gekühlte Halbleiterdetektoren oder [[Pyroelektrischer Sensor|pyroelektrische Sensoren]] (PIR-Sensoren) verwendet.
Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eignen sich thermische Detektoren ([[Thermoelement]]e oder [[Bolometer]]). Im kurzwelligen Bereich werden halbleiterbasierte Detektoren verwendet (dazu [[innerer photoelektrischer Effekt]]), wobei auch [[Digitalkamera]]s geeignet sind, wenn ihr IR-Sperrfilter nicht zu stark ausgelegt ist. Zur Aufnahme von IR-Bildern im nahen Infrarotbereich eignen sich weiterhin spezielle [[Fotografischer Film|fotografische Filme]] und bei längeren Wellenlängen (mittleres Infrarot) werden gekühlte Halbleiterdetektoren, [[Pyroelektrischer Sensor|pyroelektrische Sensoren]] (PIR-Sensoren) oder [[Thermosäule]]n verwendet.


== Anwendungen ==
== Anwendungen ==
=== Heizung ===
=== Heizung ===
{{Hauptartikel|Infrarotstrahler}}
{{Hauptartikel|Infrarotstrahler}}
Eine wesentliche Anwendung ist die Heizung durch Strahlung. Jeder Heizkörper sendet auch infrarote Strahlung aus, insbesondere bei Temperaturen deutlich über 100&nbsp;°C. Darunter überwiegt meist die Wärmeabgabe an die Luft; allerdings steigt die [[Thermische Behaglichkeit|Behaglichkeit]] durch den Strahlungsanteil. Komplette Hausheizungen<ref>Peter Kosack (TU Kaiserslautern): [http://www.infraheat.ch/wissenschaftliche-sicht ''Bericht zum Forschungprojekt „Beispielhafte Vergleichsmessung zwischen Infrarotstrahlungsheizung und Gasheizung im Altbaubereich“''], Oktober 2009.</ref> oder Übergangsheizung im Bad werden mittels Infrarot-Panels ausgeführt; die Raumstation [[Mir (Raumstation)|Mir]] wurde seit 1986 auf diese Art beheizt.
Eine wesentliche Anwendung ist die Heizung durch Strahlung. Jeder Heizkörper sendet auch infrarote Strahlung aus, insbesondere bei Temperaturen deutlich über 100&nbsp;°C. Darunter überwiegt meist die Wärmeabgabe an die Luft; allerdings steigt die [[Thermische Behaglichkeit|Behaglichkeit]] durch den Strahlungsanteil. Komplette Hausheizungen<ref>Peter Kosack (TU Kaiserslautern): [http://www.infraheat.ch/wissenschaftliche-sicht ''Bericht zum Forschungsprojekt „Beispielhafte Vergleichsmessung zwischen Infrarotstrahlungsheizung und Gasheizung im Altbaubereich“''], Oktober 2009.</ref> oder Übergangsheizungen im Bad werden mittels Infrarot-Panels ausgeführt; die Raumstation [[Mir (Raumstation)|Mir]] wurde seit 1986 auf diese Art beheizt. Beispiele sind auch [[Heizpilz]]e und Infrarotgrills.


=== Chemische Analytik und Verfahrenstechnik ===
=== Chemische Analytik und Verfahrenstechnik ===
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=== Kunstwissenschaft ===
=== Kunstwissenschaft ===
{{Hauptartikel|Infrarotreflektographie}}
{{Hauptartikel|Gemäldeuntersuchung mit Infrarotstrahlung}}
Die Infrarotreflektographie ist eine hauptsächlich in der [[Kunstwissenschaft]] angewandte Untersuchungsmethode, mit der sich über die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften der auf einem [[Substrat (Materialwissenschaft)|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.
Die Infrarotreflektographie ist eine hauptsächlich in der [[Kunstwissenschaft]] angewandte Untersuchungsmethode, mit der sich über die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften der auf einem [[Bildträger]] 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 ===
=== Astronomie ===
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{{Hauptartikel|Infrarotastronomie}}
{{Hauptartikel|Infrarotastronomie}}


In der Infrarotastronomie beobachtet man „kühle“ Objekte (kälter als 1000&nbsp;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 [[Methan]]gas auf dem [[Exoplanet]]en bei Fixstern [[HD 189733]].
In der Infrarotastronomie beobachtet man „kühle“ Objekte (kälter als 1100&nbsp;K), die in anderen Spektralbereichen kaum zu sehen sind, oder Objekte, die in oder hinter einer [[Interstellare Wolke|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 [[Methan]]gas auf dem [[Exoplanet]]en bei Fixstern [[HD 189733]].


=== Elektronik und Computertechnik ===
=== Elektronik und Computertechnik ===
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Die optische Datenübertragung mittels [[IR-Laser]] durch die Atmosphäre wird durch die [[Optischer Richtfunk|optische Freiraumübertragung]] charakterisiert.
Die optische Datenübertragung mittels [[IR-Laser]] durch die Atmosphäre wird durch die [[Optischer Richtfunk|optische Freiraumübertragung]] charakterisiert.


Eines der ersten Unternehmen, die Infrarottechnik mit der [[Elektronische Datenverarbeitung|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 (Gerät)|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 ''[[Infrared Data Association|Serial Infrared]]'' (serielles Infrarot), abgekürzt ''SIR'' benannt. Aus Geschwindigkeitsgründen ist dieser Standard heutzutage durch das abwärtskompatible Fast-IR abgelöst, das 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 [[IrDA|Infrarotschnittstellen]] werden zunehmend durch [[Bluetooth]] ersetzt.
Eines der ersten Unternehmen, die Infrarottechnik mit der [[Elektronische Datenverarbeitung|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 (Gerät)|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 ''[[Infrared Data Association|Serial Infrared]]'' (serielles Infrarot), abgekürzt ''SIR'' benannt. Aus Geschwindigkeitsgründen ist dieser Standard durch das abwärtskompatible Fast-IR abgelöst worden und mittlerweile weitestgehend durch [[Bluetooth]] ersetzt.


In der [[Telekommunikation]] wird IR-A aufgrund der geringen [[Absorption (Physik)|Absorption]] und [[Dispersion (Physik)|Dispersion]] bevorzugt in [[Lichtwellenleiter]]n verwendet. Die Standardwellenlänge liegt bei 1550&nbsp;nm.
In der [[Telekommunikation]] wird IR-A aufgrund der geringen [[Absorption (Physik)|Absorption]] und [[Dispersion (Physik)|Dispersion]] bevorzugt in [[Lichtwellenleiter]]n verwendet. Die Standardwellenlänge liegt bei 1550&nbsp;nm.


Mittels Wärmebildsensoren kann die Bewegungserkennung einer Infrarotstrahlungsquelle erfolgen. Dies wird beispielsweise für die [[Wii-Fernbedienung#Andere Verwendungen|Steuerung der Spielekonsole]] [[Wii]] von Nintendo genutzt.<ref>{{Internetquelle |autor= |hrsg= |url=http://www.cczwei.de/index.php?id=tvissuearchive&tvissueid=34#a85 |format= |titel=AT-Mega Projekt: Mit der Infrarotkamera den Hotspots auf der Spur |werk=ComputerClub² |datum=2008-09-18 |zugriff=2009-12-16 |kommentar=Beitrag in einer TV-Sendung; Folge 23}}</ref>
Die [[Wii-Fernbedienung]] und andere Anwendungen nutzen Infrarot-Leuchtdioden und Kameras zur Lage- und Bewegungserkennung im Raum.
 
[[Lichtstrahltelefon]]-Verbindungen auf Infrarotbasis konnten sich nicht durchsetzen.


=== Vegetation ===
=== Vegetation ===
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[[Strahlungsheizung|Heizlampen]] strahlen im Infraroten und sind schon seit langem für medizinische Zwecke im Einsatz.
[[Strahlungsheizung|Heizlampen]] strahlen im Infraroten und sind schon seit langem für medizinische Zwecke im Einsatz.


Wärmestrahlung von Heizstrahlern, wie [[Keramischer Infrarotstrahler|keramische Infrarotstrahler]] mit langwelliger IR-Strahlung oder vorrangig nahes Infrarot emittierende [[Infrarot-Behandlung|Rotlichtlampen]], werden zur örtlichen Behandlung von Entzündungen (beispielsweise der Nasennebenhöhlen) eingesetzt. Für die Ganzkörper-Behandlung kommen [[Infrarotwärmekabine]]n zum Einsatz. Infrarotstrahlung wird in der Medizin häufig in Form von [[Laser]]n genutzt. Die Einsatzgebiete umfassen dabei insbesondere die [[Dermatologie|Haut-]], [[Ophthalmologie|Augen-]] und [[Zahnmedizin|Zahnheilkunde]] ([[Optische Kohärenztomografie|Messen]], [[Veröden]], [[Laserschneiden|Schneiden]], [[Blutgerinnung|Koagulieren]], [[Lichttherapie]]). Außerdem wird mit Infrarot nach den (wärmeren) eigentlichen Entzündungsherden gesucht, um diese effektiver behandeln zu können. Zum Auffinden lokaler Entzündungsherde wird [[Thermografie]] eingesetzt.
Wärmestrahlung von Heizstrahlern, wie [[Keramischer Infrarotstrahler|keramische Infrarotstrahler]] mit langwelliger IR-Strahlung oder vorrangig nahes Infrarot emittierende [[Infrarot-Behandlung|Rotlichtlampen]], werden zur örtlichen Behandlung von Entzündungen (beispielsweise der Nasennebenhöhlen) eingesetzt. Für die Ganzkörper-Behandlung kommen [[Infrarotwärmekabine]]n zum Einsatz.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.bfs.de/DE/themen/opt/anwendung-medizin-wellness/infrarot/infrarot.html |titel=Anwendungen von Infrarotstrahlung |sprache=de |abruf=2022-01-09}}</ref> Infrarotstrahlung wird in der Medizin häufig in Form von [[Laser]]n genutzt. Die Einsatzgebiete umfassen dabei insbesondere die [[Dermatologie|Haut-]], [[Ophthalmologie|Augen-]] und [[Zahnmedizin|Zahnheilkunde]] ([[Optische Kohärenztomografie|Messen]], [[Veröden]], [[Laserschneiden|Schneiden]], [[Blutgerinnung|Koagulieren]], [[Lichttherapie]]). Außerdem 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.
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.
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[[Datei:24-Hour Operations.jpg|mini|Am Helm eines Soldaten befestigtes Nachtsichtgerät]]
[[Datei:24-Hour Operations.jpg|mini|Am Helm eines Soldaten befestigtes Nachtsichtgerät]]


Polizei und Militär nutzen tragbare [[Nachtsichtgerät]]e und Restlichtverstärker im Nahen Infrarot, dessen zentrales Bauteil [[Bildverstärker]] sind, um in der Dunkelheit ansonsten nicht sichtbare Objekte erkennen zu können. Zusätzlich kann mit Infrarot beleuchtet werden. [[Hubschrauber]]piloten fliegen 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 eine bewegliches Kamerasystem montiert sein, das im sichtbaren wie auch im mittleren Infrarot Videos bzw. Wärmebilder liefert. Diese werden zum Beispiel bei der Suche nach vermissten oder flüchtigen Personen auch in der Dunkelheit benutzt.<ref>[http://www.vol.at/der-flir-helikopter-der-polizei-im-detail/3993132 ''Der FLIR-Helikopter der Polizei im Detail''.] vol.at, abgerufen am 22. Juni 2016 (Video-Beispiel)</ref>
Polizei und Militär nutzen tragbare [[Nachtsichtgerät]]e und Restlichtverstärker im Nahen Infrarot, dessen zentrales Bauteil [[Bildverstärker]] sind, um in der Dunkelheit ansonsten nicht sichtbare Objekte erkennen zu können. Zusätzlich kann mit Infrarot beleuchtet werden. [[Hubschrauber]]piloten fliegen 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 auch im mittleren Infrarot Videos bzw. Wärmebilder liefert. Diese werden zum Beispiel bei der Suche nach vermissten oder flüchtigen Personen auch in der Dunkelheit benutzt.<ref>[http://www.vol.at/der-flir-helikopter-der-polizei-im-detail/3993132 ''Der FLIR-Helikopter der Polizei im Detail''.] vol.at, abgerufen am 22. Juni 2016 (Video-Beispiel).</ref>


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


=== Thermografie ===
=== Thermografie ===
[[Datei:Infrared dog.jpg|mini|Eine Infrarotfotografie (MIR, um 10&nbsp;µm) eines kleinen Hundes ([[Falschfarben]]darstellung)]]
[[Datei:Ungedaemmte Aussenwand.jpg|mini|[[Bauthermografie]]: <br>Außenwand ohne [[Wärmedämmung]]]]
{{Hauptartikel|Thermografie}}
{{Hauptartikel|Thermografie}}
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 [[Wärmebildkamera]]s zum Aufspüren von Brandherden und Glutnestern oder zu rettenden Personen in verrauchten Innenräumen.
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 [[Wärmebildkamera]]s 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 („{{lang|en|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.
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 (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.
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.
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=== Materialbearbeitung ===
=== 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 [[Infrarotlaser]]n 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.
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 mit [[Gasheizung|Gas]] oder elektrisch beheizt werden.


=== Sicherheitsdokumente ===
Die meisten [[Laser]] zur Laser-Materialbearbeitung (zum Beispiel [[Laserschneiden]], [[Schweißen]], [[Härten]], [[Gravur#Lasergravieren|Lasergravieren]], [[Bohren]]) arbeiten bei Infrarot-Wellenlängen.
 
=== Sicherheitsmerkmale ===
[[Datei:Euro 2013 01 03 01 COMP.jpg|mini|Geldscheine: links im Sichtbaren, rechts infrarot beleuchtet und durch ein Nachtsichtgerät fotografiert]]
[[Datei:Euro 2013 01 03 01 COMP.jpg|mini|Geldscheine: links im Sichtbaren, rechts infrarot beleuchtet und durch ein Nachtsichtgerät fotografiert]]


Infrarotsensitive [[Sicherheitsmerkmal]]e in [[Reisepass|Pässen]] und Geldscheinen werden mit Infrarotstrahlern überprüft. So kann bei [[Euro#Offizielle notenwertübergreifende Merkmale|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.
Infrarotsensitive [[Sicherheitsmerkmal]]e in [[Reisepass|Pässen]] und Geldscheinen werden mit Infrarot-Testgeräten überprüft. So erscheinen bei [[Euro#Banknoten|Euroscheinen]] aufgrund 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.
 
=== Gastronomie ===
[[Datei:Hooded dryer for infrared hair drying at hair salon - combined side view and front view.jpg|mini|Infrarot-[[Haartrockner|Haartrockengerät]] für Friseursalons, 2010er Jahre]]
Infrarotstrahlung wird auch in der Gastronomie eingesetzt. In Form von Heizstrahlern und [[Terrassenofen|Heizpilzen]] sind 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 die Wärmestrahlung den Vorteil, dass kein Fett auf die Heizelemente trifft, da die Strahler oberhalb des Grillguts angebracht sind. Dadurch wird auch Rauchentwicklung verhindert.<ref>{{Internetquelle |autor= |url=https://www.infrarot-guide.de/infrarotgrill/#Infrarotgrill-Vergleich_mit_Holz-_Gasgrills_5_wesentliche_Unterschiede |titel=Unterschiede IR und klassischer Grill |werk= |hrsg= |datum= |abruf=2018-01-21}}</ref>


== Literatur ==
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== Einzelnachweise ==
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Aktuelle Version vom 18. Februar 2022, 14:57 Uhr

Infrarotbild des Orionnebels

Infrarotstrahlung, auch IR-Strahlung, Infrarot, selten Ultrarotstrahlung, ist in der Physik elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und der längerwelligen Terahertzstrahlung. Üblicherweise ist damit Licht (i. w. S.) mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 1 mm gemeint. Dies entspricht einem Frequenzbereich von 300 GHz bis 400 THz bzw. einem Wellenzahlbereich von 10 cm−1 bis 12.800 cm−1. Sie bildet die Grundlage von Anwendungen zum Beispiel in der Thermografie, Fernerkundung, bei Fernbedienungen und Nachtsichtgeräten.[1]

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


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

Einteilung des Spektralbereichs

Eine Einteilung des infraroten Spektralbereichs beruht auf den Arten der Molekülschwingungen, 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. Das International 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
in μm		 Temperatur
nach Wien in K		 Einsatzbereiche/Bemerkungen
nahes Infrarot NIR IR-A 0,78…1,40 3700…970
  • kurzwelliger Teil des NIR-Bereichs, 780-nm-Grenze bedingt durch den dem Sonnenspektrum angepassten menschlichen Sehsinn.
  • photographisches Infrarot (ColorInfraRed, CIR) liegt bei 0,7 bis 1,0 µm: fotografischer Film kann 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 kosmische 3-Kelvin-Strahlung sichtbar.

Daneben sind auch andere Festlegungen üblich, beispielsweise eine häufig im angloamerikanischen Raum genutzte Unterteilung und bei der Spezifikation von Erderkundungskameras angewandte ist:

  • nahes Infrarot (englisch: {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value), NIR) ist kurzwellige IR-Strahlung, die sich direkt an den sichtbaren (roten) Bereich anschließt von 780 nm bis 1400 nm.
  • kurzwelliges Infrarot (englisch: {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value), SWIR) 1,4 bis 3,0 µm
  • mittleres Infrarot (englisch: {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value), MWIR) mit Wellenlängen von 3,0 µm bis 8 µm.
  • langwelliges Infrarot (englisch: {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value), LWIR) 8 bis 15 µm
  • fernes Infrarot (englisch: {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value), 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 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]

Quellen

Infrarotlampe für medizinische Zwecke

Da die Thermorezeptoren des 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 Beispiel Glühlampen und Heizstrahler) sind thermische Strahler. Unterschiedliche Infrarotstrahler wurden für spezielle Anwendungen entwickelt, beispielsweise Globar und Nernst-Stift.

Nachweis

Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eignen sich thermische Detektoren (Thermoelemente oder Bolometer). Im kurzwelligen Bereich werden halbleiterbasierte Detektoren verwendet (dazu innerer photoelektrischer Effekt), 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, pyroelektrische Sensoren (PIR-Sensoren) oder Thermosäulen verwendet.

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[8] oder Übergangsheizungen im Bad werden mittels Infrarot-Panels ausgeführt; die Raumstation Mir wurde seit 1986 auf diese Art beheizt. Beispiele sind auch Heizpilze und Infrarotgrills.

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 Bildträger 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

Der Andromedanebel im 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 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
Infrarot-Sensoren an einem iPhone 3GS, die als Annäherungssensoren verwendet werden

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 durch das abwärtskompatible Fast-IR abgelöst worden und mittlerweile weitestgehend 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.

Die Wii-Fernbedienung und andere Anwendungen nutzen Infrarot-Leuchtdioden und Kameras zur Lage- und Bewegungserkennung im Raum.

Lichtstrahltelefon-Verbindungen auf Infrarotbasis konnten sich nicht durchsetzen.

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 sensibilisierte, sogenannte Infrarotfilme eingesetzt werden. Das sichtbare Licht wird durch vorgesetzte Filter gänzlich oder zum Großteil (Rotfilter) ausgeschaltet. Typisches Ergebnis ist der Wood-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 vom Militär bei Luftaufnahmen für Spionage und militärische (Luft- und Gelände-)Aufklärung, in der Astronomie und in Fahrerassistenzsystemen eingesetzt.

Es werden auch Farbfilme mit „Falschfarbenwiedergabe“ eingesetzt. Diese Falschfarbenfilme bilden verschiedene infrarote Wellenlängen als sichtbare Farben unterscheidbar ab. Eingesetzt werden derartige Materialien bei Luftbildaufnahmen beispielsweise zur Waldschadenskartierung und in der Luftbildarchäologie und zur Untersuchung von Gemälden und Farbflächen.

Entfernungsmessung

Canon AF35M mit Autofokus über Infrarot-Entfernungsmessung (1979)

Entfernungsmessung über Infrarot-Laufzeitverfahren – Die zurückgelegte Zeit des vom eingebauten Infrarotsender ausgesandten Lichts wird im Empfängersensor ausgewertet und automatisch auf das Objektiv und ggf. in das eingebaute Blitzgerät übertragen. Manche Ausführungen arbeiten teilweise im sichtbaren Lichtspektrum und erlauben den Einsatz von optischen Autofokus-Systemen bei schlechten Lichtverhältnissen.

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, werden zur örtlichen Behandlung von Entzündungen (beispielsweise der Nasennebenhöhlen) eingesetzt. Für die Ganzkörper-Behandlung kommen Infrarotwärmekabinen zum Einsatz.[9] 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). Außerdem 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

Am Helm eines Soldaten befestigtes Nachtsichtgerät

Polizei und Militär nutzen tragbare Nachtsichtgeräte und Restlichtverstärker im Nahen Infrarot, dessen zentrales Bauteil Bildverstärker sind, um in der Dunkelheit ansonsten nicht sichtbare Objekte erkennen zu können. Zusätzlich kann mit Infrarot beleuchtet werden. Hubschrauberpiloten fliegen 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 auch im mittleren Infrarot Videos bzw. Wärmebilder liefert. Diese werden zum Beispiel bei der Suche nach vermissten oder flüchtigen Personen auch in der Dunkelheit benutzt.[10]

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

Thermografie

Bauthermografie:
Außenwand ohne Wärmedämmung

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 (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

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 mit Gas oder elektrisch beheizt werden.

Die meisten Laser zur Laser-Materialbearbeitung (zum Beispiel Laserschneiden, Schweißen, Härten, Lasergravieren, Bohren) arbeiten bei Infrarot-Wellenlängen.

Sicherheitsmerkmale

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

Infrarotsensitive Sicherheitsmerkmale in Pässen und Geldscheinen werden mit Infrarot-Testgeräten überprüft. So erscheinen bei Euroscheinen aufgrund 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.

Gastronomie

Infrarot-Haartrockengerät für Friseursalons, 2010er Jahre

Infrarotstrahlung wird auch in der Gastronomie eingesetzt. In Form von Heizstrahlern und Heizpilzen sind 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 die Wärmestrahlung den Vorteil, dass kein Fett auf die Heizelemente trifft, da die Strahler oberhalb des Grillguts angebracht sind. Dadurch wird auch Rauchentwicklung verhindert.[11]

Literatur

Weblinks

Commons: Infrarotstrahlung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Infrarotstrahlung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. ↑ Infrarotstrahlung in der Technik. Abgerufen am 9. Januar 2022.
  2. ↑ 2,0 2,1 Strahlungsphysik 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. Band 40, 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. Band 48, 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. ↑ Anwendungen von Infrarotstrahlung. Abgerufen am 9. Januar 2022.
  10. ↑ Der FLIR-Helikopter der Polizei im Detail. vol.at, abgerufen am 22. Juni 2016 (Video-Beispiel).
  11. ↑ Unterschiede IR und klassischer Grill. Abgerufen am 21. Januar 2018.
Abgerufen von „https://www.cosmos-indirekt.de/physik_137/index.php?title=Infrarotstrahlung&oldid=15271“