Инфракрасный диапазон

Приборы ИК-диапазона

ИК поддиапазоны:

• Ближний ИК (англ. near IR, сокращённо NIR ): 0.78 - 1 мкм;
• Коротковолновый ИК (англ. short wavelength IR, сокращённо SWIR ): 1 - 3 мкм;
• Средневолновый ИК (англ. medium wavelength IR, сокращённо MWIR ): 3 - 6 мкм;
• Длинноволновый ИК (англ. long wavelength IR, сокращённо LWIR ): 6 - 15 мкм;
• Сверхдлиннволновый ИК (англ. very long wavelength IR, сокращённо VLWIR ): 15 - 1000 мкм.

Инфракрасный спектральный диапазон 0,78 - 3 мкм применяется в ВОЛС (сокр. от волоконно-оптическая линия связи), приборах внешнего наблюдения за объектами и аппаратуре для проведения химического анализа. В свою очередь все длины волн начиная с 2 мкм и заканчивая 5 мкм используются  в пирометрах, и газовых анализаторах, контролирующих уровень загрязнения в конкретной среде. Интервал 3 - 5 мкм более подходит для систем, регистрирующих изображения объектов, с высокой собственной температурой или же в применениях где требование к контрасту предъявляются выше чем к чувствительности. Очень популярный для спецприменений спектральный диапазон  8 - 15 мкм в основном используется там, где необходимо увидеть и распознать любые объекты, находящиеся в тумане.

Все ИК-приборы разрабатываются в соответствии с графиком пропускания ИК излучения, который приведён ниже.

Существует два типа ИК детекторов:

• Фотонные. Чувствительные элементы состоят из полупроводников различных типов, а так же могут включать в свою структуру различные металлы, принцип их работы основан на поглощении фотонов носителями заряда, в результате чего изменяются электрические параметры чувствительной области, а именно: изменение сопротивления, возникновение разности потенциалов, фототока и др. Данные изменения могут быть зарегистрированы измеряющими схемами, сформированными на подложке, где расположен сам сенсор. Сенсоры обладают высокой чувствительностью и высокой скоростью отклика.

• Тепловые. ИК излучение поглощается чувствительной областью сенсора, нагревая её до некоторой температуры, что приводит к изменению физических параметров. Данные отклонения которые могут быть зарегистрированы измеряющими схемами, выполненными непосредственно на одной подложке с фоточувствительной областью. Описанные выше типы датчиков имеют высокую инерционность, значительное время отклика и относительно низкую чувствительность, в сравнении с фотонными детекторами.

По типу используемого полупроводника датчики разделяются на:

• Собственный (нелегированный полупроводник с равной концентрацией дырок и элеткронов).
• Примесный (легированный полупроводник n- или p-типа).

Основным материалом всех фоточувствительных сенсоров является кремний или германий, которые могут быть легированы различными примесями бора, мышьяка, галлия и др. Примесный фоточувствительный датчик схож с собственным детектором, с той лишь разницей что носители с донорных и акцепторных уровней могут перемещаться в зону проводимости преодолевая более низкий энергетический барьер, вследствие чего данный детектор может работать с более короткими длинами волн, чем собственный.

Типы конструкций детекторов:

Фотовольтаический. Под воздействием ИК излучения в электронно-дырочном переходе возникает фотовольтаический эффект: фотоны с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны, поглощаются электронами, в результате чего они занимают места в зоне проводимости, способствуя тем самым возникновению фототока. Детектор может быть выполнен на основе как примесного так и собственного полупроводника.

Фоторезистивный.  Чувствительным элементом сенсора является полупроводник, принцип работы данного датчика основан на эффекте изменения сопротивления проводящего материала под воздействием ИК излучения. Свободные носители заряда, генерируемые фотонами в чувствительной области, приводят к уменьшению её сопротивления. Сенсор может быть выполнен на основе как примесного так и собственного полупроводника.

Фотоэмиссионный, он же «детектор на свободных носителях» или на барьере Шоттки. ; Чтобы избавиться от необходимости глубокого охлаждения примесных полупроводников, и в некоторых случаях достичь чувствительности в более длинноволновом диапазоне, существует третий тип детекторов, называемых фотоэмиссионными. В датчиках данного типа металлическая или металло-кремниевая структура покрывает примесный кремний. Свободный электрон, который образуется в результате взаимодействия с фотоном, попадает из проводника в кремний. Преимуществом такого детектора является отсутствие зависимости отклика от характеристик полупроводника.

Фотодетектор на квантовой яме. Принцип действия схож с примесными детекторами, в которых примеси используются для изменения структуры запрещённой зоны. Но в данном типе детектора примеси сконцентрированы в микроскопических областях где ширина запрещенной зоны  значительно сужена. Образованная таким образом «яма» называется квантовой. Регистрация фотонов происходит, за счет поглощения и образования зарядов в квантовой яме, которые затем вытягиваются полем в другую область. Такой детектор намного чувствительнее по сравнению с другими типами, так как целая квантовая яма - это не отдельный атом примеси, а от десяти до ста атомов на единице площади. Благодаря этому можно говорить о достаточно высокой эффективной площади поглощения.

Термопары. Основным элементом данного устройства является контактная пара двух металлов с различной работой выхода, в результате чего на границе возникает разность потенциалов. Это напряжение пропорционально температуре контакта.

Пироэлектрические детекторы изготовлены с использованием пироэлектрических материалов и принцип работы которых основан на возникновении заряда в пироэлектрике при прохождении через него теплового потока.

Микробалочные детекторы. Состоит из микробалки и проводящего основания, которые выполняют роль обкладок конденсатора, микробалка сформирована из двух плотно соединённых металлических частей, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. При нагреве балка изгибается и изменяет ёмкость структуры.

Болометры (Терморезисторы) состоят из терморезистивного материала, в основе принципа работы данного сенсора поглощение ИК излучения материалом чувствительного элемента, что приводит к увеличению его температуры, что в свою очередь вызывает изменение электрического сопротивления. Есть два пути снятия информации: измерение тока, протекающего в чувствительной области, при постоянном напряжении и измерение напряжения при постоянном токе.

Основные параметры

Чувствительность - отношение изменения электрической величины на выходе приёмника излучения, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения. В/лк-с.

Интегральная чувствительность - чувствительность к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава. Измеряется в А/лм.

Спектральная чувствительность -  зависимость чувствительности от длины волны излучения.

Обнаружительная способность - величина обратная величние минимального потока излучения, который вызывает на выходе сигнал, равный собственному шуму. Она обратно пропорциональна квадратному корню из площади примёмника излучения. Измеряется в 1/Вт.

Удельная обнаружительная способность - Обнаружительная способность умноженная на корень квадратный из произведения полосы частот в 1 Гц и площадь в 1 см². Измеряется в см*Гц^1/2/Вт.

Время отклика - время, необходимое для установления сигнала на выходе, соответствующего входному воздействию. Измеряется в миллисекундах.

Рабочая температура - максимальная температура сенсора и окружающей среды, при которой сенсор имеет возможность правильно выполнять свои функции. Измеряется в °C.

Применение:

• Космические системы наблюдения;
• Система обнаружения стартов МБР;
• В бесконтактных термометрах;
• В датчиках движения;
• В ИК спектрометрах;
• В приборах ночного видения;
• В головках самонаведения.

Инфракрасный диапазон

Уильям Гершель впервые заметил, что за красным краем полученного с помощью призмы спектра Солнца есть невидимое излучение, вызывающее нагрев термометра. Это излучение стали позднее называть тепловым или инфракрасным.

Ближнее ИК-излучение очень похоже на видимый свет и регистрируется такими же инструментами. В среднем и дальнем ИК используются болометры, отмечающие изменения.

В среднем ИК-диапазоне светит вся планета Земля и все предметы на ней, даже лед. За счет этого Земля не перегревается солнечным теплом. Но не всё ИК-излучение проходит через атмосферу. Есть лишь несколько окон прозрачности, остальное излучение поглощается углекислым газом, водяным паром, метаном, озоном и другими парниковыми газами, которые препятствуют быстрому остыванию Земли.

Из-за поглощения в атмосфере и теплового излучения предметов телескопы для среднего и дальнего ИК выносят в космос и охлаждают до температуры жидкого азота или даже гелия.

ИК-диапазон — один из самых интересных для астрономов. В нем светит космическая пыль, важная для образования звезд и эволюции галактик. ИК-излучение лучше видимого проходит через облака космической пыли и позволяет видеть объекты, недоступные наблюдению в других участках спектра.

Источники

В инфракрасном диапазоне телескоп «Хаббл» может увидеть больше галактик, чем звезд

Фрагмент одного из так называемых Глубоких полей «Хаббла». В 1995 году космический телескоп в течение 10 суток накапливал свет, приходящий с одного участка неба. Это позволило увидеть чрезвычайно слабые галактики, расстояние до которых составляет до 13 млрд световых лет (менее одного миллиарда лет от Большого взрыва). Видимый свет от таких далеких объектов испытывает значительное красное смещение и становится инфракрасным.

Наблюдения велись в области, далекой от плоскости галактики, где видно относительно мало звезд. Поэтому большая часть зарегистрированных объектов — это галактики на разных стадиях эволюции.

Галактика Сомбреро в инфракрасном диапазоне

Гигантская спиральная галактика, обозначаемая также как M104, расположена в скоплении галактик в созвездии Девы и видна нам почти с ребра. Она обладает огромным центральным балджем (шарообразное утолщение в центре галактики) и содержит около 800 млрд звезд — в 2-3 раза больше, чем Млечный Путь.

В центре галактики находится сверхмассивная черная дыра с массой около миллиарда масс Солнца. Это определено по скоростям движения звезд вблизи центра галактики. В инфракрасном диапазоне в галактике отчетливо просматривается кольцо газа и пыли, в котором активно рождаются звезды.

Туманности и пылевые облака вблизи центра Галактики в ИК-диапазоне

Приемники

Инфракрасный космический телескоп «Спитцер»

Главное зеркало диаметром 85 см изготовлено из бериллия и охлаждается до температуры 5,5 К для снижения собственного инфракрасного излучения зеркала.

Телескоп был запущен в августе 2003 года по программе четырех великих обсерваторий NASA, включающей:

• гамма-обсерваторию «Комптон» (1991–2000, 20 кэВ—30 ГэВ), см. Небо в гамма-лучах с энергией 100 МэВ,
• рентгеновскую обсерваторию «Чандра» (1999, 100 эВ—10 кэВ),
• космический телескоп «Хаббл» (1990, 100–2100 нм),
• инфракрасный телескоп «Спитцер» (2003, 3–180 мкм).

Ожидается, что срок службы телескопа «Спитцер» составит около 5 лет. Свое название телескоп получил в честь астрофизика Лаймана Спитцера (1914–97), который в 1946 году, задолго до запуска первого спутника, опубликовал статью «Преимущества для астрономии внеземной обсерватории», а спустя 30 лет убедил NASA и американский Конгресс начать разработку космического телескопа «Хаббл».

Обзоры неба

Небо в ближнем инфракрасном диапазоне 1–4 

В ближнем инфракрасном диапазоне Галактика просматривается еще более отчетливо, чем в видимом.

А вот в среднем ИК-диапазоне Галактика едва видна. Наблюдениям сильно мешает пыль, находящаяся в Солнечной системе. Она расположена вдоль плоскости эклиптики, которая наклонена к плоскости Галактики под углом около 50 градусов.

Оба обзора получены инструментом DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment) на борту спутника COBE (Cosmic Background Explorer). В ходе этого эксперимента, начатого в 1989 году, были получены полные карты инфракрасной яркости неба в диапазоне от 1,25 до 240 мкм.

Земное применение

Прибор ночного видения

В основе прибора лежит электронно-оптический преобразователь (ЭОП), позволяющий значительно (от 100 до 50 тысяч раз) усиливать слабый видимый или инфракрасный свет.

Объектив создает изображение на фотокатоде, из которого, как и в случае ФЭУ, выбиваются электроны. Далее они разгоняются высоким напряжением (10–20 кВ), фокусируются электронной оптикой (электромагнитным полем специально подобранной конфигурации) и падают на флуоресцентный экран, подобный телевизионному. На нем изображение рассматривают в окуляры.

Разгон фотоэлектронов дает возможность в условиях низкой освещенности использовать для получения изображения буквально каждый квант света, однако в полной темноте требуется подсветка. Чтобы не выдать присутствие наблюдателя, для этого пользуются прожектором ближнего ИК-диапазона (760–3000 нм).

Существуют также приборы, которые улавливают собственное тепловое излучение предметов в среднем ИК-диапазоне (8–14 мкм). Такие приборы называются тепловизорами, они позволяют заметить человека, животное или нагретый двигатель за счет их теплового контраста с окружающим фоном.

Радиатор

Вся энергия, потребляемая электрическим обогревателем, в конечном счете, переходит в тепло. Значительная часть тепла уносится воздухом, который соприкасается с горячей поверхностью, расширяется и поднимается вверх, так что обогревается в основном потолок.

Во избежание этого обогреватели снабжают вентиляторами, которые направляют теплый воздух, например, на ноги человека и способствуют перемешиванию воздуха в помещении. Но есть и другой способ передачи тепла окружающим предметам: инфракрасное излучение обогревателя. Оно тем сильнее, чем горячее поверхность и больше ее площадь.

Для увеличения площади радиаторы делают плоскими. Однако при этом температура поверхности не может быть высокой. В других моделях обогревателей используется спираль, разогреваемая до нескольких сотен градусов (красное каление), и вогнутый металлический рефлектор, который создает направленный поток инфракрасного излучения.

Далее: Радиоизлучение и микроволны

ICNIRP | Инфракрасное излучение (780 нм-1 мм)

Диапазон длин волн и источники

Инфракрасное излучение (ИК), также известное как тепловое излучение, представляет собой полосу в спектре электромагнитного излучения с длинами волн выше красного видимого света от 780 нм до 1 мм. ИК классифицируется как ИК-А (780 нм-1,4 мкм), ИК-В (1,4-3 мкм) и ИК-С, также известный как дальний ИК (3 мкм-1 мм). Распространенными природными источниками являются солнечная радиация и огонь. К распространенным искусственным источникам относятся нагревательные устройства и инфракрасные лампы, используемые и в быту, и в инфракрасных саунах в оздоровительных целях. Промышленные источники тепла, такие как производство стали и железа, также попадают в инфракрасный диапазон. Лазеры представляют собой особый источник инфракрасного излучения, излучаемого в одном или нескольких чрезвычайно узких диапазонах длин волн.

Воздействие ИК на организм и последствия для здоровья

ИК проникает в кожу человека и в глаза на различную глубину от нескольких миллиметров при ИК-А до поверхностного поглощения ИК-С. У людей есть врожденные защитные реакции отвращения к боли от высокой температуры и к яркому свету, который также часто присутствует, так что можно избежать потенциально вредного воздействия. Вредное воздействие ИР на здоровье связано с термическим повреждением тканей, опосредованным в основном молекулами воды, а также изменениями в структуре белков.

Основные вредные последствия воздействия высоких ИК-излучений на здоровье связаны с поражением глаз. Роговица, радужка, хрусталик и сетчатка очень чувствительны к различной степени термического повреждения. Когда роговица поглощает ИК-излучение с преобразованием в тепло, оно передается на хрусталик. Агрегация белков хрусталика после многократного воздействия экстремально высоких температур может вызвать помутнение хрусталика или катаракту, что часто наблюдается у рабочих-стекольщиков, металлургов и сталелитейщиков.

Может возникнуть повреждение кожи из-за гипертермии, но это зависит от интенсивности и продолжительности воздействия ИК-излучения. Если температуру кожи поддерживать на уровне 44°C, пройдет несколько часов, прежде чем произойдет необратимое повреждение. Это сопоставимо с менее чем секундой при температуре поверхности 70°C. Длительное воздействие ИК-излучения на кожу без ожога, например, после многолетнего воздействия на кожу открытого огня, может вызвать появление красно-коричневых пятен на коже. Однако считается, что ИР не играет роли в инициировании рака кожи.

Если все тело подвергается сильному нагреву, это может привести к повышению температуры тела и физическому тепловому стрессу. Тепловой стресс необходимо оценивать с учетом всех сопутствующих факторов, включая движение воздуха, температуру и влажность, а также источник тепла.

Защита

Рекомендации по защите особенно важны для кожи и соответствующих частей глаз, которые подвержены риску чрезмерного воздействия инфракрасного излучения.

Чтобы избежать вредного воздействия инфракрасного излучения на глаза и кожу, например, термических повреждений, ICNIRP предоставляет руководство и рекомендует пределы воздействия. В зависимости от диапазонов длин волн и спектров действия рекомендуются различные пределы. Пределы также зависят от продолжительности воздействия и размера источника.

Что такое инфракрасное излучение (ИК)?