ИК-регион в инфракрасной технике¶
ИК-регион (инфракрасный регион, инфракрасная область спектра) — участок электромагнитного спектра, расположенный между видимым излучением и микроволновым (радио) диапазоном. В инфракрасной технике и оптике под «ИК-регионом» понимают как весь инфракрасный диапазон в целом, так и отдельные его участки (поддиапазоны, окна), выделяемые по длине волны, способу регистрации или практическому применению. Инфракрасное излучение занимает область примерно от 0,75–0,8 мкм (граница с красным видимым светом) до 1000 мкм (граница с миллиметровыми радиоволнами).
¶Общие сведения
Инфракрасное излучение открыл в 1800 году английский астроном Уильям Гершель, обнаруживший, что за красным концом солнечного спектра температура термометра повышается. Термин «инфракрасный» (буквально «ниже красного») закрепился за этой областью спектра. Физически ИК-излучение подчиняется тем же законам, что и видимый свет: оно распространяется прямолинейно, преломляется, отражается, поляризуется и описывается уравнениями электродинамики. Отличие состоит в длине волны и, соответственно, в энергии фотонов: квант ИК-излучения несёт меньше энергии, чем квант видимого света.
Любое тело с температурой выше абсолютного нуля испускает инфракрасное излучение. Это свойство лежит в основе тепловидения и значительной части применений ИК-региона.
¶Классификация поддиапазонов
Единой общепринятой градации нет; в разных областях техники используют разные разбиения. Наиболее распространено деление по длине волны:
| Поддиапазон | Длина волны | Характерные применения |
|---|---|---|
| Ближний (NIR) | 0,75–1,4 мкм | Волоконная оптика, пульты, датчики |
| Коротковолновый (SWIR) | 1,4–3 мкм | Приборы ночного видения, спектроскопия |
| Средневолновый (MWIR) | 3–8 мкм | Тепловидение, газовый анализ |
| Длинноволновый (LWIR) | 8–15 мкм | Тепловизоры, «окно прозрачности» атмосферы |
| Дальний (FIR) | 15–1000 мкм | Астрономия, спектроскопия, локация |
Границы между поддиапазонами условны и в разных источниках могут смещаться. Иногда отдельно выделяют «терагерцовый» участок на стыке ИК- и микроволнового диапазонов.
¶Атмосферные окна прозрачности
Земная атмосфера избирательно пропускает инфракрасное излучение: водяной пар, углекислый газ и озон поглощают его на многих длинах волн. Участки спектра, где поглощение минимально, называют окнами прозрачности. Ключевые из них — окно в районе 3–5 мкм и окно 8–14 мкм. Именно в этих «окнах» работают тепловизоры, системы самонаведения и приборы дистанционного зондирования Земли. Вне окон ИК-излучение быстро затухает, что ограничивает дальность действия аппаратуры.
¶Источники и приёмники
Источники ИК-излучения делят на тепловые и нетепловые. К тепловым относятся нагретые тела, лампы накаливания, абсолютно чёрное тело как эталон; к нетепловым — светодиоды, лазеры, газоразрядные источники. Мощные ИК-лазеры применяются в промышленности и в системах наведения.
Приёмники ИК-излучения подразделяются на тепловые (болометры, термопары, пироэлектрические) и фотонные (фотодиоды, фоторезисторы, матрицы на основе арсенида галлия, антимонида индия, теллурида кадмия-ртути). Фотонные приёмники чувствительнее, но требуют охлаждения, часто до криогенных температур. Современные тепловизионные матрицы (микроболометры) работают при комнатной температуре и широко применяются в бытовой и промышленной технике.
¶Применение
ИК-регион используется в самых разных отраслях:
- Тепловидение и термография — бесконтактное измерение температуры, диагностика электрооборудования, строительная экспертиза, медицина.
- Приборы ночного видения — активные (с ИК-подсветкой) и пассивные (по собственному теплу объектов).
- Дистанционное зондирование — съёмка поверхности Земли из космоса, мониторинг пожаров, растительности, влажности почв.
- Связь и оптика — инфракрасные каналы передачи данных, волоконно-оптические линии на ближнем ИК.
- Бытовая техника — пульты дистанционного управления, датчики движения, автоматические двери.
- Военное дело — системы наведения, разведки, обнаружения.
- Астрономия — наблюдение холодных объектов: звёзд, туманностей, экзопланет.
¶ИК-регион в России
В России исследования и разработки в области инфракрасной техники велись с середины XX века. Значительный вклад внесли организации, работающие над тепловизионной и оптико-электронной аппаратурой для оборонных и гражданских задач. В постсоветский период развитие получили отечественные микроболометрические матрицы и тепловизионные модули, применяемые в охранных системах, энергетике, медицине и на транспорте. Инфракрасная спектроскопия и термография используются в научных институтах и промышленных лабораториях.
¶Ограничения и особенности
Инфракрасная техника имеет ряд ограничений. Атмосферное поглощение снижает дальность; фоновое тепловое излучение создаёт шумы; фотонные приёмники нужны охлаждать. Кроме того, материалы, прозрачные для видимого света (например, обычное стекло), часто непрозрачны в среднем и дальнем ИК, поэтому оптику изготавливают из германия, кремния, селенида цинка и других специальных материалов.
¶Значение
ИК-регион — один из наиболее практически востребованных участков спектра. Он лежит в основе тепловидения, ночного видения, дистанционного зондирования, оптической связи и множества датчиков. Развитие матричных приёмников и снижение их стоимости сделали инфракрасную технику массовой, выведя её за пределы узкоспециального применения.
Источники: учебные курсы по оптике и оптоэлектронике, справочники по инфракрасной технике, материалы по дистанционному зондированию Земли, обзоры по тепловизионным системам.