Infrarotstrahlung

Ein Pseudo-Farbbild von zwei Personen, aufgenommen im langwelligen Infrarot (Körpertemperatur-Wärmestrahlung). ⓘ

Dieses Falschfarbenbild des Weltraumteleskops zeigt die Farben Blau, Grün und Rot, die den Wellenlängen von 3,4, 4,6 bzw. 12 μm entsprechen. ⓘ

Infrarot (IR), manchmal auch Infrarotlicht genannt, ist elektromagnetische Strahlung (EMR) mit längeren Wellenlängen als das sichtbare Licht. Sie ist daher für das menschliche Auge unsichtbar. Unter IR versteht man im Allgemeinen Wellenlängen von etwa 1 Millimeter (300 GHz) bis zum nominalen roten Rand des sichtbaren Spektrums, etwa 700 Nanometer (430 THz). Längere IR-Wellenlängen (30 μm-100 μm) werden manchmal als Teil des Terahertz-Strahlungsbereichs betrachtet. Fast die gesamte Schwarzkörperstrahlung von Objekten in der Nähe der Raumtemperatur liegt im infraroten Wellenlängenbereich. Als eine Form der elektromagnetischen Strahlung breitet sich Infrarotstrahlung mit Energie und Impuls aus, mit Eigenschaften, die sowohl denen einer Welle als auch denen eines Teilchens, des Photons, entsprechen. ⓘ

Es war schon lange bekannt, dass Feuer unsichtbare Wärme abstrahlt; 1681 zeigte der Pionier Edme Mariotte, dass Glas zwar für das Sonnenlicht durchlässig ist, aber die Wärmestrahlung behindert. Im Jahr 1800 entdeckte der Astronom Sir William Herschel anhand der Wirkung auf ein Thermometer, dass Infrarotstrahlung eine Art von unsichtbarer Strahlung im Spektrum ist, die weniger Energie hat als rotes Licht. Durch Herschels Studien wurde schließlich festgestellt, dass etwas mehr als die Hälfte der Energie der Sonne in Form von Infrarotstrahlung auf der Erde ankommt. Das Gleichgewicht zwischen absorbierter und emittierter Infrarotstrahlung hat einen wichtigen Einfluss auf das Klima der Erde. ⓘ

Infrarotstrahlung wird von Molekülen emittiert oder absorbiert, wenn sie ihre Rotations- und Schwingungsbewegungen ändern. Sie regt die Schwingungsmoden in einem Molekül durch eine Änderung des Dipolmoments an und ist daher ein nützlicher Frequenzbereich für die Untersuchung dieser Energiezustände bei Molekülen mit der richtigen Symmetrie. Die Infrarotspektroskopie untersucht die Absorption und Transmission von Photonen im Infrarotbereich. ⓘ

Infrarotstrahlung wird in industriellen, wissenschaftlichen, militärischen, kommerziellen und medizinischen Anwendungen eingesetzt. Nachtsichtgeräte mit aktiver Nah-Infrarot-Beleuchtung ermöglichen die Beobachtung von Menschen oder Tieren, ohne dass der Beobachter entdeckt wird. In der Infrarotastronomie werden mit Sensoren ausgestattete Teleskope eingesetzt, um staubige Regionen des Weltraums wie Molekülwolken zu durchdringen, Objekte wie Planeten aufzuspüren und stark rotverschobene Objekte aus der Frühzeit des Universums zu betrachten. Infrarot-Wärmebildkameras werden zur Erkennung von Wärmeverlusten in isolierten Systemen, zur Beobachtung von Veränderungen des Blutflusses in der Haut und zur Erkennung der Überhitzung elektrischer Komponenten eingesetzt. ⓘ

Zu den militärischen und zivilen Anwendungen gehören Zielerfassung, Überwachung, Nachtsicht, Zielfindung und -verfolgung. Bei normaler Körpertemperatur strahlt der Mensch vor allem bei Wellenlängen um 10 μm (Mikrometer). Zu den nicht-militärischen Anwendungen gehören die Analyse der thermischen Effizienz, die Umweltüberwachung, die Inspektion von Industrieanlagen, die Erkennung von Anbauflächen, die Temperaturmessung aus der Ferne, die drahtlose Kommunikation im Nahbereich, die Spektroskopie und die Wettervorhersage. ⓘ

Infrarotbild des Orionnebels ⓘ

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

Definition und Beziehung zum elektromagnetischen Spektrum

Es gibt keine allgemeingültige Definition für den Bereich der Infrarotstrahlung. In der Regel erstreckt er sich vom roten Rand des sichtbaren Spektrums bei 700 Nanometern (nm) bis 1 Millimeter (mm). Dieser Wellenlängenbereich entspricht einem Frequenzbereich von etwa 430 THz bis hinunter zu 300 GHz. Jenseits des Infraroten befindet sich der Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Zunehmend wird die Terahertz-Strahlung zum Mikrowellenbereich und nicht zum Infrarotbereich gezählt, so dass sich die Bandgrenze des Infrarotbereichs auf 0,1 mm (3 THz) verschiebt. ⓘ

Lichtvergleich ⓘ

Bezeichnung	Wellenlänge	Frequenz (Hz)	Photonenenergie (eV)
Gammastrahl	weniger als 0,01 nm	mehr als 30 eHz	mehr als 124 keV
Röntgenstrahlung	0,01 nm - 10 nm	30 PHz - 30 EHz	124 keV - 124 eV
Ultraviolett	10 nm - 400 nm	750 THz - 30 PHz	124 eV - 3,3 eV
Sichtbar	400 nm - 700 nm	430 THz - 750 THz	3,3 eV - 1,7 eV
Infrarot	700 nm - 1 mm	300 GHz - 430 THz	1,7 eV - 1,24 meV
Mikrowelle	1 mm - 1 Meter	300 MHz - 300 GHz	1,24 meV - 1,24 μeV
Radio	1 Meter und mehr	300 MHz und darunter	1,24 μeV und darunter

Natürliches Infrarot

Das Sonnenlicht mit einer effektiven Temperatur von 5.780 Kelvin (5.510 °C, 9.940 °F) besteht aus Strahlung im nahen Wärmespektrum, die etwas mehr als die Hälfte des Infrarotbereichs ausmacht. Im Zenit liefert das Sonnenlicht eine Bestrahlungsstärke von etwas mehr als 1 Kilowatt pro Quadratmeter auf Meereshöhe. Davon entfallen 527 Watt auf Infrarotstrahlung, 445 Watt auf sichtbares Licht und 32 Watt auf ultraviolette Strahlung. Fast die gesamte Infrarotstrahlung im Sonnenlicht ist nahes Infrarot, kürzer als 4 Mikrometer. ⓘ

Auf der Erdoberfläche besteht ein Teil der Wärmestrahlung bei weitaus niedrigeren Temperaturen als auf der Sonnenoberfläche aus Infrarotstrahlung im mittleren Infrarotbereich, die viel länger ist als die des Sonnenlichts. Die Schwarzkörper- oder Wärmestrahlung ist jedoch kontinuierlich: Sie gibt Strahlung in allen Wellenlängenbereichen ab. Von diesen natürlichen Wärmestrahlungsprozessen sind nur Blitze und natürliche Brände heiß genug, um viel sichtbare Energie zu erzeugen, und Brände erzeugen weit mehr Infrarotenergie als Energie für sichtbares Licht. ⓘ

Regionen im Infrarotbereich

Im Allgemeinen emittieren Objekte Infrarotstrahlung über ein ganzes Spektrum von Wellenlängen, aber manchmal ist nur ein begrenzter Bereich des Spektrums von Interesse, weil Sensoren in der Regel nur Strahlung innerhalb einer bestimmten Bandbreite erfassen. Auch die thermische Infrarotstrahlung hat eine maximale Emissionswellenlänge, die gemäß dem Wienschen Verschiebungsgesetz umgekehrt proportional zur absoluten Temperatur des Objekts ist. Das Infrarotband wird häufig in kleinere Abschnitte unterteilt, wobei die Aufteilung des IR-Spektrums in den verschiedenen Anwendungsbereichen variiert. ⓘ

Sichtbare Grenze

Im Allgemeinen geht man davon aus, dass Infrarotstrahlung mit Wellenlängen beginnt, die länger sind als die für das menschliche Auge sichtbaren. Es gibt jedoch keine feste Wellenlängengrenze für das Sichtbare, da die Empfindlichkeit des Auges bei Wellenlängen über 700 nm schnell, aber gleichmäßig abnimmt. Daher können Wellenlängen, die etwas länger sind, gesehen werden, wenn sie ausreichend hell sind, obwohl sie nach den üblichen Definitionen immer noch als infrarot eingestuft werden können. Das Licht eines Nah-Infrarot-Lasers kann daher schwach rot erscheinen und eine Gefahr darstellen, da es in Wirklichkeit recht hell sein kann. Und selbst das IR-Licht von gepulsten Lasern mit einer Wellenlänge von bis zu 1.050 nm kann von Menschen unter bestimmten Bedingungen gesehen werden. ⓘ

Häufig verwendetes Unterteilungsschema

Ein häufig verwendetes Unterteilungsschema ist:

Name der Abteilung	Abkürzung	Wellenlänge	Frequenz	Energie der Photonen	Temperatur	Eigenschaften ⓘ
Nah-Infrarot	NIR, IR-A DIN	0,75-1,4 μm	214-400 THz	886-1.653 meV	3,864-2,070 K (3,591-1,797 °C)	Geht bis zur Wellenlänge der ersten Wasserabsorptionsbande und wird wegen der geringen Dämpfungsverluste im Medium SiO2-Glas (Siliziumdioxid) häufig in der Glasfaser-Telekommunikation verwendet. Bildverstärker sind für diesen Bereich des Spektrums empfindlich; Beispiele sind Nachtsichtgeräte wie Nachtsichtbrillen. Die Nahinfrarotspektroskopie ist eine weitere häufige Anwendung.
Kurzwelliges Infrarot	SWIR, IR-B DIN	1,4-3 μm	100-214 THz	413-886 meV	2,070-966 K (1,797-693 °C)	Die Wasserabsorption nimmt bei 1.450 nm deutlich zu. Der Bereich von 1.530 bis 1.560 nm ist der vorherrschende Spektralbereich für die Telekommunikation über große Entfernungen (siehe Glasfaserkommunikation#Transmissionsfenster).
Mittelwellenlängen-Infrarot	MWIR, IR-C DIN; Mittleres Infrarot. Auch mittleres Infrarot (IIR) genannt	3-8 μm	37-100 THz	155-413 meV	966-362 K (693-89 °C)	In der Lenkwaffentechnologie ist der 3-5 μm-Teil dieses Bandes das atmosphärische Fenster, in dem die Zielsuchköpfe passiver IR-"Wärmesuch"-Raketen arbeiten sollen, die auf die Infrarotsignatur des Zielflugzeugs, in der Regel die Abgasfahne des Triebwerks, ausgerichtet sind. Dieser Bereich wird auch als thermisches Infrarot bezeichnet.
Langwelliges Infrarot	LWIR, IR-C DIN	8-15 μm	20-37 THz	83-155 meV	362-193 K (89 - -80 °C)	Der "Wärmebild"-Bereich, in dem Sensoren ein völlig passives Bild von Objekten erhalten können, die nur geringfügig wärmer sind als die Raumtemperatur - zum Beispiel der menschliche Körper -, und zwar nur auf der Grundlage von Wärmeemissionen und ohne Beleuchtung wie Sonne, Mond oder Infrarotstrahler. Dieser Bereich wird auch als "thermisches Infrarot" bezeichnet.
Fern-Infrarot	FIR	15-1.000 μm	0,3-20 THz	1,2-83 meV	193-3 K (-80.15 - -270.15 °C)	(siehe auch Ferninfrarotlaser und Ferninfrarot)

Vergleich zwischen einem Wärmebild (oben) und einer normalen Fotografie (unten). Die Plastiktüte ist für das langwellige Infrarot weitgehend transparent, die Brille des Mannes jedoch undurchsichtig.

NIR und SWIR zusammen werden manchmal als "reflektiertes Infrarot" bezeichnet, während MWIR und LWIR manchmal als "thermisches Infrarot" bezeichnet werden. ⓘ

CIE-Einteilungsschema

Die Internationale Beleuchtungskommission (CIE) hat die Einteilung der Infrarotstrahlung in die folgenden drei Bänder empfohlen:

Abkürzung	Wellenlänge	Frequenz ⓘ
IR-A	700 nm - 1.400 nm (0,7 μm - 1,4 μm)	215 THz - 430 THz
IR-B	1.400 nm - 3.000 nm (1,4 μm - 3 μm)	100 THz - 215 THz
IR-C	3.000 nm - 1 mm (3 μm - 1.000 μm)	300 GHz - 100 THz

ISO 20473-Schema

ISO 20473 legt das folgende Schema fest:

Bezeichnung	Abkürzung	Wellenlänge ⓘ
Nahinfrarot	NIR	0,78-3 μm
Mittleres Infrarot	MIR	3-50 μm
Fern-Infrarot	FIR	50-1.000 μm

Einteilungsschema in der Astronomie

Astronomen unterteilen das Infrarotspektrum in der Regel wie folgt:

Bezeichnung	Abkürzung	Wellenlänge ⓘ
Nahinfrarot	NIR	0,7 bis 2,5 μm
Mittleres Infrarot	MIR	3 bis 25 μm
Fern-Infrarot	FIR	über 25 μm.

Diese Einteilungen sind nicht präzise und können je nach Veröffentlichung variieren. Die drei Bereiche werden für die Beobachtung unterschiedlicher Temperaturbereiche und damit unterschiedlicher Umgebungen im Weltraum verwendet. ⓘ

Das in der Astronomie gebräuchlichste photometrische System ordnet den verschiedenen Spektralbereichen je nach den verwendeten Filtern Großbuchstaben zu; I, J, H und K decken die Wellenlängen des nahen Infrarots ab; L, M, N und Q beziehen sich auf den mittleren Infrarotbereich. Diese Buchstaben werden im Allgemeinen in Bezug auf atmosphärische Fenster verstanden und erscheinen zum Beispiel in den Titeln vieler Veröffentlichungen. ⓘ

Teilungsschema der Sensorreaktion

Diagramm der atmosphärischen Durchlässigkeit in einem Teil des Infrarotbereichs ⓘ

Ein drittes Schema unterteilt das Band auf der Grundlage des Ansprechverhaltens der verschiedenen Detektoren:

• Nahes Infrarot: von 0,7 bis 1,0 μm (vom ungefähren Ende des Ansprechens des menschlichen Auges bis zu dem von Silizium).
• Kurzwelliges Infrarot: 1,0 bis 3 μm (von der Silizium-Grenze bis zum atmosphärischen Fenster des MWIR). InGaAs reicht bis etwa 1,8 μm; die weniger empfindlichen Bleisalze decken diesen Bereich ab. Kryogenisch gekühlte MCT-Detektoren können den Bereich von 1,0-2,5 μm abdecken.
• Mittelwelliges Infrarot: 3 bis 5 μm (definiert durch das atmosphärische Fenster und abgedeckt durch Indiumantimonid, InSb und Quecksilber-Cadmium-Tellurid, HgCdTe, und teilweise durch Bleiselenid, PbSe).
• Langwelliges Infrarot: 8 bis 12 bzw. 7 bis 14 μm (dies ist das atmosphärische Fenster, das von HgCdTe und Mikrobolometern abgedeckt wird).
• Sehr langwelliges Infrarot (VLWIR) (12 bis etwa 30 μm, abgedeckt durch dotiertes Silizium). ⓘ

Das nahe Infrarot ist der Bereich, der in seiner Wellenlänge der vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Strahlung am nächsten liegt. Das mittlere und das ferne Infrarot sind vom sichtbaren Spektrum zunehmend weiter entfernt. Andere Definitionen beruhen auf unterschiedlichen physikalischen Mechanismen (Emissionsspitzen, vs. Banden, Wasserabsorption) und die neuesten auf technischen Gründen (die üblichen Siliziumdetektoren sind bis etwa 1.050 nm empfindlich, während die Empfindlichkeit von InGaAs bei 950 nm beginnt und zwischen 1.700 und 2.600 nm endet, je nach spezifischer Konfiguration). Derzeit gibt es keine internationalen Normen für diese Spezifikationen. ⓘ

Der Beginn des Infraroten wird (nach verschiedenen Normen) bei verschiedenen Werten definiert, die typischerweise zwischen 700 nm und 800 nm liegen, aber die Grenze zwischen sichtbarem und infrarotem Licht ist nicht genau definiert. Das menschliche Auge reagiert deutlich weniger empfindlich auf Licht mit einer Wellenlänge über 700 nm, so dass längere Wellenlängen nur einen unbedeutenden Beitrag zu Szenen leisten, die von herkömmlichen Lichtquellen beleuchtet werden. Besonders intensives Nah-IR-Licht (z. B. von IR-Lasern, IR-LED-Quellen oder von hellem Tageslicht, bei dem das sichtbare Licht durch farbige Gele entfernt wurde) kann jedoch bis zu einer Wellenlänge von ca. 780 nm erfasst und als rotes Licht wahrgenommen werden. Intensive Lichtquellen mit Wellenlängen bis zu 1.050 nm können als mattes rotes Leuchten wahrgenommen werden, was bei der IR-nahen Beleuchtung von Szenen im Dunkeln einige Schwierigkeiten verursacht (dieses praktische Problem wird in der Regel durch indirekte Beleuchtung gelöst). Blätter sind im nahen IR besonders hell, und wenn alle sichtbaren Lichtlecks um einen IR-Filter herum blockiert werden und das Auge einen Moment Zeit hat, sich an das extrem schwache Bild zu gewöhnen, das durch einen visuell undurchsichtigen, IR durchlassenden fotografischen Filter kommt, ist es möglich, den Wood-Effekt zu sehen, der aus IR-glühendem Laub besteht. ⓘ

Telekommunikationsbänder im Infraroten

In der optischen Kommunikation wird der Teil des Infrarotspektrums, der verwendet wird, in sieben Bänder unterteilt, je nach Verfügbarkeit von Lichtquellen, übertragenden/absorbierenden Materialien (Fasern) und Detektoren:

Band	Bezeichner	Wellenlängenbereich ⓘ
O-Band	Ursprünglich	1.260-1.360 nm
E-Band	Erweitert	1,360-1,460 nm
S-Band	Kurze Wellenlänge	1.460-1.530 nm
C-Band	Konventionell	1.530-1.565 nm
L-Band	Lange Wellenlänge	1,565-1,625 nm
U-Band	Ultralange Wellenlänge	1.625-1.675 nm

Das C-Band ist das vorherrschende Band für Telekommunikationsnetze über große Entfernungen. Die S- und L-Bänder basieren auf einer weniger gut etablierten Technologie und sind nicht so weit verbreitet. ⓘ

Wärme

Materialien mit höherem Emissionsgrad erscheinen näher an ihrer tatsächlichen Temperatur als Materialien, die mehr von ihrer anders temperierten Umgebung reflektieren. In diesem Wärmebild erscheint der stärker reflektierende Keramikzylinder, der die kühlere Umgebung widerspiegelt, kälter als sein würfelförmiger Behälter (der aus stärker emittierendem Siliziumkarbid besteht), obwohl sie in Wirklichkeit die gleiche Temperatur haben. ⓘ

Infrarotstrahlung ist im Volksmund als "Wärmestrahlung" bekannt, aber Licht und elektromagnetische Wellen jeder Frequenz erwärmen Oberflächen, die sie absorbieren. Infrarotlicht von der Sonne trägt zu 49 % zur Erwärmung der Erde bei, der Rest wird durch sichtbares Licht verursacht, das absorbiert und dann mit längeren Wellenlängen wieder abgestrahlt wird. Sichtbares Licht oder ultraviolett emittierende Laser können Papier verkohlen, und glühend heiße Gegenstände geben sichtbare Strahlung ab. Objekte bei Raumtemperatur emittieren Strahlung, die sich hauptsächlich auf den Bereich von 8 bis 25 μm konzentriert. Dies unterscheidet sich jedoch nicht von der Emission von sichtbarem Licht durch glühende Objekte und von ultraviolettem Licht durch noch heißere Objekte (siehe Schwarzer Körper und das Wiensche Verschiebungsgesetz). ⓘ

Wärme ist durchlaufende Energie, die aufgrund eines Temperaturunterschieds fließt. Im Gegensatz zu Wärme, die durch Wärmeleitung oder Wärmekonvektion übertragen wird, kann sich Wärmestrahlung durch ein Vakuum ausbreiten. Wärmestrahlung ist durch ein bestimmtes Spektrum mit vielen Wellenlängen gekennzeichnet, das von einem Objekt aufgrund der Schwingung seiner Moleküle bei einer bestimmten Temperatur ausgeht. Wärmestrahlung kann von Objekten bei jeder Wellenlänge emittiert werden, und bei sehr hohen Temperaturen wird diese Strahlung mit Spektren assoziiert, die weit über das Infrarote hinausgehen und bis in den sichtbaren, ultravioletten und sogar den Röntgenbereich reichen (z. B. die Sonnenkorona). Die weit verbreitete Assoziation von Infrarotstrahlung mit Wärmestrahlung ist also nur ein Zufall, der auf den typischen (vergleichsweise niedrigen) Temperaturen beruht, die man oft in der Nähe der Erdoberfläche findet. ⓘ

Das Konzept des Emissionsgrads ist wichtig für das Verständnis der Infrarotemissionen von Objekten. Dabei handelt es sich um eine Eigenschaft einer Oberfläche, die beschreibt, wie ihre Wärmeabstrahlung von der Vorstellung eines schwarzen Körpers abweicht. Zur weiteren Erläuterung: Zwei Objekte mit der gleichen physikalischen Temperatur zeigen möglicherweise nicht das gleiche Infrarotbild, wenn sie einen unterschiedlichen Emissionsgrad haben. So erscheinen bei einem beliebigen Emissionsgrad Objekte mit höherem Emissionsgrad wärmer und solche mit niedrigerem Emissionsgrad kühler (vorausgesetzt, die Umgebung ist kühler als die betrachteten Objekte). Wenn ein Objekt einen nicht perfekten Emissionsgrad hat, erhält es Eigenschaften der Reflektivität und/oder Transparenz, so dass die Temperatur der Umgebung teilweise von dem Objekt reflektiert und/oder durch das Objekt übertragen wird. Befände sich das Objekt in einer wärmeren Umgebung, so würde ein Objekt mit geringerem Emissionsgrad bei gleicher Temperatur wahrscheinlich wärmer erscheinen als ein Objekt mit höherem Emissionsgrad. Aus diesem Grund führt eine falsche Wahl des Emissionsgrads und die Nichtberücksichtigung der Umgebungstemperaturen zu ungenauen Ergebnissen bei der Verwendung von Infrarotkameras und Pyrometern. ⓘ

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. ⓘ

Anwendungen

Nachtsicht

Aktiv-Infrarot-Nachtsicht: Die Kamera beleuchtet die Szene mit für das menschliche Auge unsichtbaren Infrarot-Wellenlängen. Trotz der dunklen Hintergrundbeleuchtung liefert das aktive Infrarot-Nachtsichtgerät erkennbare Details, die auf dem Bildschirm angezeigt werden.

Infrarot wird in Nachtsichtgeräten verwendet, wenn das sichtbare Licht zum Sehen nicht ausreicht. Nachtsichtgeräte funktionieren durch einen Prozess, bei dem Photonen des Umgebungslichts in Elektronen umgewandelt werden, die dann durch einen chemischen und elektrischen Prozess verstärkt und anschließend wieder in sichtbares Licht umgewandelt werden. Infrarotlichtquellen können verwendet werden, um das verfügbare Umgebungslicht für die Umwandlung durch Nachtsichtgeräte zu verstärken und die Sichtbarkeit im Dunkeln zu erhöhen, ohne dass eine sichtbare Lichtquelle verwendet wird. ⓘ

Die Verwendung von Infrarotlicht und Nachtsichtgeräten sollte nicht mit der Wärmebildtechnik verwechselt werden, bei der Bilder auf der Grundlage von Unterschieden in der Oberflächentemperatur durch Erkennung von Infrarotstrahlung (Wärme), die von Objekten und ihrer Umgebung ausgeht, erzeugt werden. ⓘ

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. ⓘ

Die Thermografie half bei der Bestimmung des Temperaturprofils des Wärmeschutzsystems des Space Shuttle während des Wiedereintritts. ⓘ

Mit Hilfe von Infrarotstrahlung lässt sich die Temperatur von Objekten aus der Ferne bestimmen (wenn der Emissionsgrad bekannt ist). Dies wird als Thermografie oder im Falle sehr heißer Objekte im NIR oder im sichtbaren Bereich als Pyrometrie bezeichnet. Die Thermografie (Wärmebildtechnik) wird vor allem im militärischen und industriellen Bereich eingesetzt, aber aufgrund der stark gesunkenen Produktionskosten erreicht die Technologie auch den öffentlichen Markt in Form von Infrarotkameras in Autos. ⓘ

Thermografiekameras erkennen Strahlung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums (etwa 9.000-14.000 Nanometer oder 9-14 μm) und erzeugen Bilder dieser Strahlung. Da Infrarotstrahlung nach dem Gesetz der schwarzen Körperstrahlung von allen Objekten in Abhängigkeit von ihrer Temperatur emittiert wird, kann man mit der Thermografie seine Umgebung mit oder ohne sichtbare Beleuchtung "sehen". Die von einem Objekt abgegebene Strahlungsmenge nimmt mit der Temperatur zu, so dass man mit der Thermografie Temperaturschwankungen erkennen kann (daher der Name). ⓘ

Hyperspektrale Bildgebung

Hyperspektrale Messung der thermischen Infrarotemission, eine Außenaufnahme unter winterlichen Bedingungen, Umgebungstemperatur -15 °C, mit einem Specim LWIR Hyperspectral Imager aufgenommenes Bild. Die relativen Strahlungsspektren der verschiedenen Ziele im Bild sind mit Pfeilen gekennzeichnet. Die Infrarotspektren der verschiedenen Objekte, wie z. B. des Uhrenverschlusses, weisen deutlich unterscheidbare Merkmale auf. Das Kontrastniveau zeigt die Temperatur des Objekts an. ⓘ

Infrarotlicht der LED einer Fernbedienung, aufgenommen mit einer Digitalkamera ⓘ

Ein hyperspektrales Bild ist ein "Bild", das ein kontinuierliches Spektrum über einen breiten Spektralbereich in jedem Pixel enthält. Die hyperspektrale Bildgebung gewinnt auf dem Gebiet der angewandten Spektroskopie zunehmend an Bedeutung, insbesondere in den Spektralbereichen NIR, SWIR, MWIR und LWIR. Typische Anwendungen sind biologische, mineralogische, verteidigungswissenschaftliche und industrielle Messungen. ⓘ

Die thermische Infrarot-Hyperspektralbildgebung kann in ähnlicher Weise mit einer Thermografiekamera durchgeführt werden, mit dem wesentlichen Unterschied, dass jedes Pixel ein vollständiges LWIR-Spektrum enthält. Folglich kann die chemische Identifizierung des Objekts ohne eine externe Lichtquelle wie die Sonne oder den Mond durchgeführt werden. Solche Kameras werden in der Regel für geologische Messungen, Außenüberwachung und UAV-Anwendungen eingesetzt. ⓘ

Andere Bildgebung

In der Infrarotfotografie werden Infrarotfilter verwendet, um das nahe Infrarotspektrum zu erfassen. In Digitalkameras werden häufig Infrarot-Blocker verwendet. Billigere Digitalkameras und Kamerahandys haben weniger wirksame Filter und können intensives Nahinfrarot "sehen", das als helles Lila-Weiß erscheint. Besonders ausgeprägt ist dies bei Aufnahmen von Motiven in der Nähe von IR-hellen Bereichen (z. B. in der Nähe einer Lampe), wo die daraus resultierenden Infrarot-Interferenzen das Bild verwaschen können. Es gibt auch eine Technik, die als "T-Ray"-Bildgebung bezeichnet wird, bei der Ferninfrarot- oder Terahertz-Strahlung verwendet wird. Da es keine hellen Strahlungsquellen gibt, ist die Terahertz-Fotografie schwieriger als die meisten anderen Infrarot-Bildgebungsverfahren. In letzter Zeit ist die T-Ray-Bildgebung aufgrund einer Reihe neuer Entwicklungen wie der Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie von großem Interesse. ⓘ

Fotografie von reflektiertem Licht in verschiedenen Infrarotspektren zur Veranschaulichung des Erscheinungsbildes bei Änderung der Wellenlänge des Lichts. ⓘ

Verfolgung

Die Infrarotverfolgung, auch Infrarot-Peilung genannt, bezieht sich auf ein passives Raketenleitsystem, das die Emission elektromagnetischer Strahlung im infraroten Bereich des Spektrums nutzt, um ein Ziel zu verfolgen. Raketen, die Infrarot-Suchsysteme verwenden, werden oft als "Wärmesucher" bezeichnet, da Infrarot (IR) in der Frequenz knapp unterhalb des sichtbaren Lichtspektrums liegt und von heißen Körpern stark abgestrahlt wird. Viele Objekte wie Menschen, Fahrzeugmotoren und Flugzeuge erzeugen und speichern Wärme und sind daher im Vergleich zu Objekten im Hintergrund im infraroten Wellenlängenbereich des Lichts besonders sichtbar. ⓘ

Heizung

Infrarot-Haartrockner für Friseursalons, ca. 2010er Jahre ⓘ

Infrarotstrahlung kann als gezielte Wärmequelle genutzt werden. So wird sie beispielsweise in Infrarotsaunen verwendet, um die Insassen zu erwärmen. Sie kann auch für andere Wärmeanwendungen genutzt werden, etwa um Eis von den Tragflächen von Flugzeugen zu entfernen (Enteisung). Infrarotstrahlung wird beim Kochen, dem sogenannten Braten oder Grillen, verwendet. Ein energetischer Vorteil besteht darin, dass die IR-Energie nur undurchsichtige Gegenstände wie Lebensmittel erwärmt und nicht die sie umgebende Luft. ⓘ

Infrarotheizungen werden auch in industriellen Fertigungsprozessen immer beliebter, z. B. beim Aushärten von Beschichtungen, beim Formen von Kunststoffen, beim Glühen, beim Kunststoffschweißen und beim Trocknen von Drucken. Bei diesen Anwendungen ersetzen Infrarotheizungen Konvektionsöfen und Kontaktheizungen. ⓘ

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 die Behaglichkeit durch den Strahlungsanteil. Komplette Hausheizungen oder Übergangsheizungen im Bad werden mittels Infrarot-Panels ausgeführt. Die Raumstation Mir wurde seit 1986 auf diese Art beheizt. Andere Beispiele sind Heizpilze und Infrarotgrills. ⓘ

Kühlung

Eine Reihe von Technologien oder Technologievorschlägen nutzen die Vorteile der Infrarotstrahlung zur Kühlung von Gebäuden oder anderen Systemen. Der LWIR-Bereich (8-15 μm) ist besonders nützlich, da ein Teil der Strahlung bei diesen Wellenlängen durch die Atmosphäre ins All entweichen kann. ⓘ

Kommunikation

Die IR-Datenübertragung wird auch für die Kurzstreckenkommunikation zwischen Computerperipheriegeräten und persönlichen digitalen Assistenten verwendet. Diese Geräte entsprechen in der Regel den von der IrDA, der Infrared Data Association, veröffentlichten Normen. Fernbedienungen und IrDA-Geräte verwenden Infrarot-Leuchtdioden (LEDs), um Infrarotstrahlung auszusenden, die durch eine Linse zu einem Strahl gebündelt werden kann, den der Benutzer auf den Detektor richtet. Der Strahl ist moduliert, d. h. er wird nach einem Code ein- und ausgeschaltet, den der Empfänger interpretiert. Aus praktischen Gründen wird in der Regel sehr nahes IR verwendet (unter 800 nm). Diese Wellenlänge wird von preiswerten Silizium-Fotodioden effizient erfasst, die der Empfänger nutzt, um die erfasste Strahlung in einen elektrischen Strom umzuwandeln. Dieses elektrische Signal wird durch einen Hochpassfilter geleitet, der die schnellen Pulsationen des IR-Senders beibehält, aber die sich langsam verändernde Infrarotstrahlung des Umgebungslichts herausfiltert. Infrarotkommunikation ist für den Einsatz in Innenräumen in Gebieten mit hoher Bevölkerungsdichte nützlich. Infrarot durchdringt keine Wände und stört daher keine anderen Geräte in angrenzenden Räumen. Infrarot ist die gebräuchlichste Methode für Fernbedienungen zur Steuerung von Geräten. Infrarot-Fernbedienungsprotokolle wie RC-5, SIRC, werden für die Kommunikation mit Infrarot verwendet. ⓘ

Die optische Freiraumkommunikation mit Infrarotlasern kann eine relativ kostengünstige Möglichkeit sein, in einem städtischen Gebiet eine Kommunikationsverbindung zu installieren, die mit bis zu 4 Gigabit/s arbeitet, verglichen mit den Kosten für das Verlegen von Glasfaserkabeln, abgesehen von den Strahlungsschäden. "Da das Auge IR nicht wahrnehmen kann, ist es möglich, dass ein Blinzeln oder Schließen der Augen zur Vermeidung oder Verringerung von Schäden nicht möglich ist. ⓘ

Infrarotlaser werden verwendet, um Licht für Glasfaserkommunikationssysteme zu erzeugen. Infrarotlicht mit einer Wellenlänge um 1.330 nm (geringste Dispersion) oder 1.550 nm (beste Übertragung) ist die beste Wahl für Standard-Silikatfasern. ⓘ

Die IR-Datenübertragung von kodierten Audioversionen gedruckter Schilder wird als Hilfsmittel für sehbehinderte Menschen im Rahmen des RIAS-Projekts (Remote Infrared Audible Signage) erforscht. Die Übertragung von IR-Daten von einem Gerät zu einem anderen wird manchmal auch als Beamen bezeichnet. ⓘ

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 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. ⓘ

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. ⓘ

Spektroskopie

Die Infrarot-Vibrationsspektroskopie (siehe auch Nahinfrarotspektroskopie) ist eine Technik, die zur Identifizierung von Molekülen durch Analyse ihrer Bindungen eingesetzt werden kann. Jede chemische Bindung in einem Molekül schwingt mit einer für diese Bindung charakteristischen Frequenz. Eine Gruppe von Atomen in einem Molekül (z. B. CH₂) kann mehrere Schwingungsmoden aufweisen, die durch die Streck- und Biegebewegungen der Gruppe als Ganzes verursacht werden. Wenn eine Schwingung zu einer Änderung des Dipols im Molekül führt, absorbiert es ein Photon mit der gleichen Frequenz. Die Schwingungsfrequenzen der meisten Moleküle entsprechen den Frequenzen des Infrarotlichts. In der Regel wird diese Technik zur Untersuchung organischer Verbindungen mit Lichtstrahlung aus dem mittleren Infrarotbereich (4.000-400 cm-1) eingesetzt. Es wird ein Spektrum aller Absorptionsfrequenzen in einer Probe aufgezeichnet. Daraus lassen sich Informationen über die Zusammensetzung der Probe in Bezug auf die vorhandenen chemischen Gruppen und ihre Reinheit gewinnen (eine feuchte Probe zeigt beispielsweise eine breite O-H-Absorption um 3200 cm-1). Die Einheit für die Angabe der Strahlung in dieser Anwendung, cm-1, ist die spektroskopische Wellenzahl. Sie ist die Frequenz geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. ⓘ

Dünnschicht-Metrologie

In der Halbleiterindustrie kann Infrarotlicht zur Charakterisierung von Materialien wie Dünnschichten und periodischen Grabenstrukturen verwendet werden. Durch Messung des Reflexionsgrads des Lichts von der Oberfläche eines Halbleiterwafers können der Brechungsindex (n) und der Extinktionskoeffizient (k) mit Hilfe der Forouhi-Bloomer-Dispersionsgleichungen bestimmt werden. Die Reflexion des Infrarotlichts kann auch zur Bestimmung der kritischen Dimension, der Tiefe und des Seitenwandwinkels von Grabenstrukturen mit hohem Aspektverhältnis verwendet werden. ⓘ

Meteorologie

IR-Satellitenbild von Kumulonimbuswolken über den Great Plains in den Vereinigten Staaten. ⓘ

Wettersatelliten, die mit scannenden Radiometern ausgestattet sind, erzeugen Wärme- oder Infrarotbilder, die es einem geschulten Analytiker ermöglichen, Wolkenhöhen und -typen zu bestimmen, Land- und Oberflächenwassertemperaturen zu berechnen und Merkmale der Meeresoberfläche zu lokalisieren. Die Abtastung erfolgt in der Regel im Bereich 10,3-12,5 μm (IR4- und IR5-Kanäle). ⓘ

Wolken mit hohen und kalten Gipfeln, wie Wirbelstürme oder Kumulonimbuswolken, werden oft rot oder schwarz dargestellt, niedrigere, wärmere Wolken wie Stratus oder Stratocumulus werden blau oder grau dargestellt, wobei Zwischenwolken entsprechend schattiert sind. Heiße Landflächen werden dunkelgrau oder schwarz dargestellt. Ein Nachteil von Infrarotbildern ist, dass niedrige Wolken wie Stratus oder Nebel eine ähnliche Temperatur wie die umgebende Land- oder Meeresoberfläche haben können und daher nicht angezeigt werden. Mit Hilfe des Helligkeitsunterschieds zwischen dem IR4-Kanal (10,3-11,5 μm) und dem Nahinfrarot-Kanal (1,58-1,64 μm) können niedrige Wolken jedoch unterschieden werden, so dass ein Nebelsatellitenbild entsteht. Der Hauptvorteil von Infrarot besteht darin, dass Bilder in der Nacht aufgenommen werden können, so dass eine kontinuierliche Wetterbeobachtung möglich ist. ⓘ

Diese Infrarotbilder können Meereswirbel darstellen und Strömungen wie den Golfstrom kartieren, was für die Schifffahrt von großem Nutzen ist. Fischer und Landwirte sind daran interessiert, die Land- und Wassertemperaturen zu kennen, um ihre Ernten vor Frost zu schützen oder ihre Fänge im Meer zu steigern. Sogar El-Niño-Phänomene können erkannt werden. Mit Hilfe von Farbdigitalisierungsverfahren können die grau schattierten Wärmebilder in Farbe umgewandelt werden, damit die gewünschten Informationen leichter zu erkennen sind. ⓘ

Der Hauptwasserdampfkanal bei 6,40 bis 7,08 μm kann von einigen Wettersatelliten abgebildet werden und zeigt die Menge an Feuchtigkeit in der Atmosphäre an. ⓘ

Klimatologie

Der Treibhauseffekt mit Methan-, Wasser- und Kohlendioxidmolekülen, die die Sonnenwärme zurückstrahlen ⓘ

Im Bereich der Klimatologie wird die atmosphärische Infrarotstrahlung überwacht, um Trends im Energieaustausch zwischen der Erde und der Atmosphäre zu erkennen. Diese Trends geben Aufschluss über langfristige Veränderungen des Erdklimas. Zusammen mit der Sonnenstrahlung ist sie einer der wichtigsten Parameter, die bei der Erforschung der globalen Erwärmung untersucht werden. ⓘ

In diesem Forschungsbereich wird ein Pyrgeometer eingesetzt, um kontinuierliche Messungen im Freien durchzuführen. Es handelt sich um ein Breitband-Infrarotradiometer mit einer Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung zwischen etwa 4,5 μm und 50 μm. ⓘ

Astronomie

Beta Pictoris mit seinem Planeten Beta Pictoris b, dem hellblauen Punkt außerhalb der Mitte, gesehen im Infrarot. Die Aufnahme kombiniert zwei Bilder, die innere Scheibe ist bei 3,6 μm zu sehen. ⓘ

Astronomen beobachten Objekte im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums mit optischen Komponenten wie Spiegeln, Linsen und digitalen Festkörperdetektoren. Aus diesem Grund wird sie als Teil der optischen Astronomie eingestuft. Um ein Bild zu erzeugen, müssen die Komponenten eines Infrarotteleskops sorgfältig von Wärmequellen abgeschirmt werden, und die Detektoren werden mit flüssigem Helium gekühlt. ⓘ

Die Empfindlichkeit von Infrarotteleskopen auf der Erde wird durch den Wasserdampf in der Atmosphäre erheblich eingeschränkt, der einen Teil der Infrarotstrahlung aus dem Weltraum außerhalb ausgewählter atmosphärischer Fenster absorbiert. Diese Einschränkung kann teilweise dadurch gemildert werden, dass man das Teleskopobservatorium in großer Höhe aufstellt oder das Teleskop mit einem Ballon oder einem Flugzeug in die Luft bringt. Weltraumteleskope haben dieses Handicap nicht, weshalb der Weltraum als idealer Standort für die Infrarotastronomie gilt. ⓘ

Der infrarote Teil des Spektrums ist für die Astronomen in mehrfacher Hinsicht von Nutzen. Kalte, dunkle molekulare Gas- und Staubwolken in unserer Galaxie leuchten durch die Wärmestrahlung, die von eingebetteten Sternen ausgeht. Mit Hilfe des Infrarotspektrums lassen sich auch Protosterne aufspüren, bevor sie beginnen, sichtbares Licht auszustrahlen. Sterne strahlen einen kleineren Teil ihrer Energie im Infrarotspektrum ab, so dass nahe gelegene kühle Objekte wie Planeten leichter entdeckt werden können. (Im sichtbaren Lichtspektrum übertönt das grelle Licht des Sterns das von einem Planeten reflektierte Licht). ⓘ

Infrarotlicht ist auch nützlich, um die Kerne aktiver Galaxien zu beobachten, die oft in Gas und Staub gehüllt sind. Bei weit entfernten Galaxien mit hoher Rotverschiebung ist der Spitzenwert ihres Spektrums zu längeren Wellenlängen hin verschoben, so dass sie im Infraroten besser beobachtet werden können. ⓘ

Infrarot-Reinigung

Die Infrarot-Reinigung ist eine Technik, die von einigen Filmabtastern, Filmscannern und Flachbettscannern verwendet wird, um die Auswirkungen von Staub und Kratzern auf den fertigen Scan zu verringern oder zu entfernen. Dabei wird ein zusätzlicher Infrarotkanal an der gleichen Position und mit der gleichen Auflösung wie die drei sichtbaren Farbkanäle (rot, grün und blau) vom Scan erfasst. Der Infrarotkanal wird in Kombination mit den anderen Kanälen verwendet, um die Position von Kratzern und Staub zu erkennen. Einmal lokalisiert, können diese Defekte durch Skalierung korrigiert oder durch Übermalung ersetzt werden. ⓘ

Konservierung und Analyse von Kunstwerken

Ein Infrarot-Reflektogramm der Mona Lisa von Leonardo da Vinci ⓘ

Die Infrarot-Reflektographie kann bei Gemälden angewandt werden, um die darunter liegenden Schichten zerstörungsfrei sichtbar zu machen, insbesondere die Unterzeichnungen oder Umrisse des Künstlers, die als Orientierung dienen. Restauratoren nutzen diese Technik, um zu untersuchen, inwieweit sich die sichtbaren Farbschichten von der Unterzeichnung oder den dazwischen liegenden Schichten unterscheiden (solche Änderungen werden als Pentimenti bezeichnet, wenn sie vom ursprünglichen Künstler vorgenommen wurden). Dies ist eine sehr nützliche Information, um zu entscheiden, ob es sich bei einem Gemälde um die ursprüngliche Version des Künstlers oder um eine Kopie handelt und ob es durch übereifrige Restaurierungsarbeiten verändert worden ist. Im Allgemeinen gilt: Je mehr Pentimenti, desto wahrscheinlicher ist es, dass es sich bei einem Gemälde um die Erstfassung handelt. Sie gibt auch nützliche Einblicke in die Arbeitsmethoden. Die Reflektographie verrät oft, dass der Künstler Ruß verwendet hat, der in Reflektogrammen gut zu erkennen ist, sofern er nicht auch für den Grund des gesamten Gemäldes verwendet wurde. ⓘ

Jüngste Fortschritte bei der Entwicklung infrarotempfindlicher Kameras ermöglichen es, nicht nur Untermalungen und Pentimenti zu entdecken und darzustellen, sondern ganze Gemälde, die später vom Künstler übermalt wurden. Bemerkenswerte Beispiele sind Picassos Frau beim Bügeln und das Blaue Zimmer, wo in beiden Fällen das Porträt eines Mannes unter dem Gemälde, wie es heute bekannt ist, sichtbar gemacht wurde. ⓘ

In ähnlicher Weise wird Infrarot von Restauratoren und Wissenschaftlern bei verschiedenen Arten von Objekten eingesetzt, insbesondere bei sehr alten Schriftstücken wie den Schriftrollen vom Toten Meer, den römischen Werken in der Papyrusvilla und den Texten von der Seidenstraße, die in den Höhlen von Dunhuang gefunden wurden. Ruß, der in Tinte verwendet wird, kann sehr gut sichtbar gemacht werden. ⓘ

Biologische Systeme

Thermografisches Bild einer Schlange, die eine Maus frisst ⓘ

Die Grubenotter hat ein Paar infrarotsensibler Gruben am Kopf. Über die genaue thermische Empfindlichkeit dieses biologischen Infrarot-Erkennungssystems herrscht Unklarheit. ⓘ

Andere Organismen, die über thermorezeptive Organe verfügen, sind Pythons (Familie Pythonidae), einige Boas (Familie Boidae), die Vampirfledermaus (Desmodus rotundus), eine Reihe von Edelsteinkäfern (Melanophila acuminata), dunkel pigmentierte Schmetterlinge (Pachliopta aristolochiae und Troides rhadamantus plateni) und möglicherweise blutsaugende Wanzen (Triatoma infestans). ⓘ

Einige Pilze wie Venturia inaequalis benötigen Nahinfrarotlicht zum Ausstoßen. ⓘ

Obwohl das Sehen im nahen Infrarot (780-1.000 nm) lange Zeit als unmöglich galt, weil die Sehpigmente gestört sind, wurde die Wahrnehmung von Nahinfrarotlicht beim Karpfen und bei drei Buntbarscharten festgestellt. Fische nutzen NIR zum Beutefang und zur phototaktischen Orientierung beim Schwimmen. Die NIR-Empfindung bei Fischen könnte bei schlechten Lichtverhältnissen während der Dämmerung und in trüben Oberflächengewässern von Bedeutung sein. ⓘ

Photobiomodulation

Nahinfrarotlicht oder Photobiomodulation wird zur Behandlung von durch Chemotherapie verursachten oralen Ulzerationen und zur Wundheilung eingesetzt. Es gibt einige Arbeiten zur Behandlung von Anti-Herpes-Viren. Zu den Forschungsprojekten gehören Arbeiten zu den Heilungseffekten auf das zentrale Nervensystem über die Hochregulierung der Cytochrom-c-Oxidase und andere mögliche Mechanismen. ⓘ

Gesundheitsgefahren

Starke Infrarotstrahlung in bestimmten industriellen Hochtemperaturbereichen kann für die Augen gefährlich sein und zu Schäden oder Erblindung des Benutzers führen. Da die Strahlung unsichtbar ist, müssen an solchen Orten spezielle IR-Schutzbrillen getragen werden. ⓘ

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. Die Infrarotspektroskopie wird bei der Abfalltrennung von Kunststoffen genutzt. ⓘ

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 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. ⓘ

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 bei Luftaufnahmen für Spionage und militärische (Luft- und Gelände-)Aufklärung eingesetzt. Weitere Nutzungen finden in der Astronomie und in Fahrerassistenzsystemen statt. ⓘ

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

Entfernungsmessung

Canon AF35M mit Autofokus über Infrarot-Entfernungsmessung (1979) ⓘ

Entfernungsmessung im Fotobereich kann mittels Infrarot-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 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. 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 im mittleren Infrarot Videos und Wärmebilder 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 neuere Kampfflugzeuge und Militärschiffe über Einrichtungen, die Täuschkörper (Flares) ausstoßen, um diese Waffen vom Zielobjekt wegzuleiten. ⓘ

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 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. ⓘ

Geschichte der Infrarot-Wissenschaft

Die Entdeckung der Infrarotstrahlung wird dem Astronomen William Herschel im frühen 19. Jahrhundert zugeschrieben. Herschel veröffentlichte seine Ergebnisse im Jahr 1800 vor der Royal Society of London. Herschel benutzte ein Prisma, um das Licht der Sonne zu brechen, und entdeckte die Infrarotstrahlung jenseits des roten Teils des Spektrums durch einen Temperaturanstieg, den er auf einem Thermometer registrierte. Er war von diesem Ergebnis überrascht und nannte sie "Calorific Rays". Der Begriff "Infrarot" tauchte erst Ende des 19. Jahrhunderts auf. ⓘ

Weitere wichtige Daten sind:

Die Infrarotstrahlung wurde 1800 von William Herschel entdeckt. ⓘ

• 1830: Leopoldo Nobili stellt den ersten Thermosäulendetektor für Infrarotstrahlung her.
• 1840: John Herschel erstellt das erste Wärmebild, ein so genanntes Thermogramm.
• 1860: Gustav Kirchhoff formuliert das Schwarzkörpersatztheorem $E=J(T,n)$.
• 1873: Willoughby Smith entdeckt die Lichtleitfähigkeit von Selen.
• 1878: Samuel Pierpont Langley erfindet das erste Bolometer, ein Gerät, das in der Lage ist, kleine Temperaturschwankungen und damit die Leistung von Ferninfrarotquellen zu messen.
• 1879: Das Stefan-Boltzmann-Gesetz formuliert empirisch, dass die von einem schwarzen Körper abgestrahlte Leistung proportional zu T⁴ ist.
• 1880er und 1890er Jahre: Lord Rayleigh und Wilhelm Wien lösen einen Teil der Schwarzkörpergleichung, aber beide Lösungen weichen in Teilen des elektromagnetischen Spektrums voneinander ab. Dieses Problem wurde als "Ultraviolett- und Infrarot-Katastrophe" bezeichnet.
• 1892: Willem Henri Julius veröffentlicht Infrarotspektren von 20 organischen Verbindungen, die mit einem Bolometer in Einheiten der Winkelverschiebung gemessen wurden.
• 1901: Max Planck veröffentlicht die Schwarzkörpergleichung und das Schwarzkörpersatztheorem. Er löste das Problem durch Quantisierung der zulässigen Energieübergänge.
• 1905: Albert Einstein entwickelt die Theorie des photoelektrischen Effekts.
• 1905-1908: William Coblentz veröffentlicht in Investigations of Infra-Red Spectra Infrarotspektren in Einheiten von Wellenlängen (Mikrometer) für verschiedene chemische Verbindungen.
• 1917: Theodore Case entwickelt den Thallussulfid-Detektor; ein britischer Wissenschaftler baut das erste Infrarot-Such- und Verfolgungsgerät (IRST), das Flugzeuge bis zu einer Entfernung von einer Meile (1,6 km) erkennen kann.
• 1935: Bleisalze - frühe Raketensteuerung im Zweiten Weltkrieg.
• 1938: Yeou Ta sagt voraus, dass der pyroelektrische Effekt zur Erkennung von Infrarotstrahlung genutzt werden kann.
• 1945: Das Infrarot-Waffensystem Zielgerät 1229 "Vampir" wird als erstes tragbares Infrarotgerät für militärische Zwecke eingeführt.
• 1952: Heinrich Welker züchtet synthetische InSb-Kristalle.
• 1950er und 1960er Jahre: Nomenklatur und radiometrische Einheiten werden von Fred Nicodemenus, G. J. Zissis und R. Clark definiert; Robert Clark Jones definiert D*.
• 1958: W. D. Lawson (Royal Radar Establishment in Malvern) entdeckt die IR-Detektionseigenschaften von Quecksilber-Cadmium-Tellurid (HgCdTe).
• 1958: Falcon- und Sidewinder-Raketen werden mit Hilfe der Infrarottechnologie entwickelt.
• 1960s: Paul Kruse und seine Kollegen am Honeywell Research Center demonstrieren die Verwendung von HgCdTe als wirksame Verbindung für die Infrarotdetektion.
• 1962: J. Cooper demonstriert die pyroelektrische Detektion.
• 1964: W. G. Evans entdeckt Infrarot-Thermorezeptoren in einem pyrophilen Käfer.
• 1965: Erstes IR-Handbuch; erste kommerzielle Bildgeber (Barnes, Agema (heute Teil von FLIR Systems Inc.)); Richard Hudsons bahnbrechender Text; F4 TRAM FLIR von Hughes; Pionierarbeit in der Phänomenologie von Fred Simmons und A. T. Stair; Gründung des Nachtsichtlabors der US-Armee (heute Night Vision and Electronic Sensors Directorate (NVESD)), und Rachets entwickelt dort Modelle zur Detektion, Erkennung und Identifizierung.
• 1970: Willard Boyle und George E. Smith schlagen in den Bell Labs den CCD-Sensor für Bildtelefone vor.
• 1973: Das NVESD startet ein gemeinsames Modulprogramm.
• 1978: Die bildgebende Infrarotastronomie wird erwachsen, Observatorien werden geplant, das IRTF auf dem Mauna Kea eröffnet; 32 × 32 und 64 × 64 Arrays werden unter Verwendung von InSb, HgCdTe und anderen Materialien hergestellt.
• 2013: Am 14. Februar entwickeln Forscher ein neuronales Implantat, das Ratten die Fähigkeit verleiht, infrarotes Licht wahrzunehmen. Damit erhalten Lebewesen zum ersten Mal neue Fähigkeiten, anstatt lediglich bestehende Fähigkeiten zu ersetzen oder zu erweitern. ⓘ

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. Der Name „Infrarot“ setzte sich erst ab den 1880er Jahren durch. Der genaue Ursprung der Bezeichnung ist unbekannt. ⓘ

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. Für spezielle Anwendungen wurden Infrarotstrahler wie Globar und Nernst-Stift entwickelt. ⓘ

Nachweis

Zum Nachweis von IR-Strahlung aller Wellenlängen eignen sich thermische Detektoren (Thermoelemente oder Bolometer). Im kurzwelligen Bereich werden halbleiterbasierte Detektoren verwendet (siehe dazu innerer photoelektrischer Effekt). Auch Digitalkameras sind geeignet, 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. ⓘ