Пятьдесят оттенков инфракрасного / Хабр

Содержание

Основные законы инфракрасного нагрева

Процесс инфракрасного нагрева можно описать с помощью физических законов, к которым в первую очередь относится:

1. Закон Стефана-Больцмана: определяет зависимость плотности мощности излучения абсолютного чёрного тела от его температуры.

2. Формула Планка: Выражение, описывающее спектральное распределение энергии излучения абсолютного чёрного тела.

3. Закон смещения Вина: Вслед за формулой Планка устанавливает зависимость длины волны, на которой спектральная плотность потока излучения чёрного тела достигает своего максимума, от температуры чёрного тела.

Закон Стефана-Больцмана касается в первую очередь испускательной способности. Определяет зависимость плотности мощности излучения источника от температуры на поверхности нагреваемого объекта и поглощательной способности абсолютно чёрного тела. Поглощательная способность абсолютно чёрного тела равна 1 — поглощательная способность также зависит от материала (см. таблицу ниже).

Согласно закону Кирхгофа из термодинамики, у любого тела, испускающего и поглощающего тепловое излучение, его испускательная способность равна его поглощательной способности. Это означает, что для того чтобы рассчитать площадь поверхности, которая будет и поглощать и испускать тепловое излучение, необходимо знать испускательную способность тела.

Основные принципы инфракрасного излучения и теплопередачи

Как мы говорили раннее, инфракрасное излучение — это электромагнитные волны, которые не требует среды для передачи тепла. Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне 0.78 μm и 1000 μm (1 мм). Излучение с волнами, длина которых меньше данного диапазона содержат больше тепловой энергии. Диаграмма ниже иллюстрирует зависимость длины волны и частоты:

Инфракрасное излучение — электромагнитные волны, перемещающиеся со скоростью света.

Тепловое излучение — сообщается любым веществом, температура которого выше 0 K (-273.15°C).

Излучаемое тепло вырабатывается, когда происходит поглощение электромагнитных волн.

Ближний и средний

ИК свет на коротких и средних волнах может причинить вред здоровью. Наиболее опасно воздействие ближнего диапазона, который отличается более высокой частотой и интенсивностью теплового потока. Лучи не проникают на большую глубину, воздействуя на верхний слой кожи.

Поэтому необходимо с осторожностью подходить к выбору инфракрасных обогревателей. Следует убедиться в безопасности генерируемого излучения, а также выдаваемой мощности. Норма – не свыше 150 Вт/м2. Обогреватель не должен нагревать поверхность окружающих объектов более 36°С.

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.

В чем заключается вред и польза инфракрасного излучения для человека

В отличие от многих других видов электромагнитного излучения, инфракрасные волны относятся к одним из самых безопасных. Они хорошо зарекомендовали себя в самых различных областях жизнедеятельности человека.

Применение:

  1. Бытовая техника. ИК-диоды и фотодиоды используются в пультах дистанционного управления, некоторых моделях мобильных телефонов (ИК-порт). Широко распространены инфракрасные обогреватели — отопительные приборы, нагревающие пространство за счет теплового излучения.
  2. Производство. Инфракрасные излучатели применяются для сушки поверхностей, покрытых краской и лаком. Экономический эффект при этом гораздо более высокий, чем при традиционных способах сушки. Кроме того, инфракрасные лучи оказывают антикоррозийное действие, то есть препятствуют образованию ржавчины. Нагреватели данного типа используются для формовки и сушки пластика, нагрева разных видов оборудования и в других целях.
  3. Пищевая промышленность. Инфракрасные волны используют для стерилизации и высушивания продуктов. Они оказывают не только термическое, но и биологическое воздействие, способствуя ускорению биохимических реакций.
  4. Военное дело. Инфракрасные приборы применяются в системе наведения ракет, в волоконно-оптических системах связи, в охранном оборудовании.
  5. Изучение космоса. Существуют специальные разделы астрономии и астрофизики, которые исследуют космические тела в инфракрасном спектре.
  6. Спектроскопия. С помощью инфракрасных волн изучают строение молекул различных органических и неорганических веществ. Интенсивность полос поглощения дает представление о количестве вещества, по пикам в спектрах определяют качественный состав.
  7. Медицина. Инфракрасные волны широко используются в медицине: в физиотерапии, датчиках потока крови, приборах для определения частоты пульса и во многих других направлениях.
Примечание

Интересное применение инфракрасные волны нашли в банковском деле. На денежные купюры наносится специальная краска, которая видна только в инфракрасном спектре. С помощью специальных приборов (ИК-детекторов) в банке проверяют деньги на подлинность.

В медицине используется длинноволновое инфракрасное излучение. Оно способствует:

  • повышению иммунитета;
  • нормализации артериального давления;
  • активизации кровотока;
  • подавлению развития болезненной микрофлоры;
  • уменьшению воздействия ядов и опасного гамма-излучения;
  • очищению организма от токсических веществ;
  • обезболиванию;
  • восстановление водно-солевого баланса;
  • нормализации метаболизма.

В физиотерапевтических целях ИК-излучение применяется при следующих заболеваниях:

  • дистрофия;
  • псориаз;
  • остеохондроз;
  • бронхит;
  • мочекаменная болезнь;
  • артрит;
  • цистит;
  • атеросклероз сосудов.

Опасное влияние на организм человека оказывают только короткие ИК-волны. Их избыточное воздействие в течение длительного периода может привести к:

  • покраснению кожи;
  • ожогам;
  • тошноте;
  • головной боли;
  • нарушению координации движений;
  • пересушиванию слизистой оболочки глаза.

В особо тяжелых случаях возможно нарушение зрения, судороги, потеря сознания.

В случае теплового удара человеку следует оказать следующую помощь:

  1. Освободить от тесной одежды.
  2. Поместить в прохладное место.
  3. Обеспечить доступ свежего воздуха.
  4. Приложить лед или бутылку с холодной водой на голову и в область сердца.
  5. Протереть смоченным в холодной воде полотенцем.
  6. Давать холодные напитки.

В случае тяжелого состояния необходимо срочно вызвать скорую помощь.

Молодец! Раз ты дочитал это до конца, вероятно, ты все отлично усвоил.  Но если вдруг что-то еще непонятно — попробуй онлайн-занятие с репетитором (подробности тут 🎁).

Виды инфракрасных ламп

В отличие от обычных электролампочек, используемых для освещения, ИК лампы предназначены исключительно для обогрева. Они излучают в любом из трех поддиапазонов от 1 до 1000 микрометров. Конструкция большинства изделий сходна с классической лампочкой накаливания. Основным отличием является работа в режиме «недонакала», позволяющем сместить излучаемый спектр в инфракрасный диапазон.

Разновидности ИК ламп:

1. Без зеркального покрытия – наиболее простая модификация. Красное стекло не пропускает большую часть видимого света;

2. С зеркальным покрытием – за счет зеркального светоотражателя появляется возможность создания заданного направления светового потока. Такая технология улучшает эффективность обогревателя;

3. С зеркальным напылением синего цвета – именно эти лампы используются в рефлекторе Минина. Синяя колба пропускает тепловые ИК лучи и задерживает видимый свет, позволяя избежать ослепления зрения во время физиотерапии;

4. С рефлектором – при помощи рефлектора создается узконаправленный тепловой поток, позволяющий увеличить дальность действия;

5. Керамические – для изготовления корпуса/отражателя применяется специальная керамика, которая пропускает только инфракрасное излучение. Нить накаливания изготавливается из нихрома или фехраля. Это очень прочная и влагостойкая конструкция;

6. Галогенные – отличаются от классической продукции лишь спиралью, работающей с «недонакалом» для формирования требуемого частотного спектра. Комплектуются стеклянной колбой: прозрачной или имеющей темно-красный цвет;

7. Карбоновые – оригинальное исполнение с трубчатым корпусом из кварцевого стекла и нитью накаливания из карбона (особое углеродное волокно). Впечатляет срок службы, достигающий 90-100 000 часов;

8. Светодиодные – лучшее решение по энергоэффективности и экологичности. Возможен выбор моделей с длинно-, средне- и коротковолновым термоизлучением.

Виды теплопередачи

Существует три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность — прямая передача тепла между двумя физическими телами. Символ «k» — это измерение того, насколько хорошо различные вещества передают тепло. Количество тепла, которое может быть передано через поверхность, зависит от разницы температур, от площади поверхности, теплопроводности материала и толщины материала.

Конвекция — вид теплообмена (теплопередачи), при котором внутренняя энергия передается за счёт движения вещества (жидкостей или газов). Когда вещество нагревается, оно расширяется и повышается его плотность. Поток тепла образуется тогда, когда теплые вещества поднимаются и холодные вещества опускаются.

Больше про Хуавей:  Huawei P30 быстро разряжается батарея: советы и рекомендации по увеличению времени автономной работы

Тепловая энергия (тепло) передаётся за счёт частиц в потоках, перемещающихся из одного места в другое. Конвекция может быть естественной, когда используются близлежащие вещества (жидкости или газы), или вынужденной, когда используются насос или вентилятор.

Конвекция также зависит от площади поверхности. Если площадь поверхности, контактирующей с веществом, увеличивается, то диапазон теплопередачи также увеличивается. Вот почему чаще всего можно увидеть именно ребрённые конвекционные устройства, для более эффективной работы.

Излучение — это бесконтактная теплопередача, не требующая никакой среды. Тепловое излучение — электромагнитное излучение, испускаемое телами за счёт их внутренней энергии. Чем выше температура тела, тем сильнее его тепловое излучение. Теплопередача происходит тогда, когда сообщаемая энергия сталкивается с телом и им же поглощается.

Дальний

Сотрудники НИИ медицины труда при российской Академии наук России пришли к выводу о положительном действии длинноволнового излучения. Важным условием является его соответствие волновому спектру, излучаемому живым организмом – 70-200 мкм с максимумом на участке 90-115 мкм. При совпадении наблюдается «резонансное поглощение», то есть энергия поглощается активнее.

Входя в резонанс, длинноволновые лучи глубоко сквозь кожный покров и мышечные ткани. При этом отмечается несколько важных терапевтических эффектов:

  • повышается температура тела до 38°C-40°C, вызывающая искусственный жар. Этот процесс служит стимулятором иммунной системы и катализатором выработки лейкоцитов, антител, интерферона (антивирусного белка);
  • возрастает активность сердечно-сосудистой системы, способствующая ускорению циркуляции крови и, соответственно, доставки питательных веществ и кислорода к внутренним органам;
  • интенсифицируется процесс детоксикации. Потение и ускоренное кровообращение эффективно очищают организм от накопившихся шлаков и токсинов, в том числе, выводя их из жировой ткани;
  • уменьшаются болевые ощущения от ушибов, застарелых переломов и т.п.

Длинноволновые ИК лучи подавляют болезнетворные микроорганизмы и ионизируют воздух, снижая аллергическую реакцию на пыль. Кожный покров разглаживается, становится более мягким и эластичным.

Деньги

Первое, что приходит на ум для проверки подлинности денег — это УФ излучение. Однако купюры имеют массу спец.элементов, проявляющихся в ИК диапазоне, в том числе и видимых глазом. Об этом на хабре уже

— теперь посмотрим сами:

1000 рублей с фильтрами 760, 850 и 1050нм: лишь отдельные элементы напечатаны краской, поглощающей ИК излучение:
Пятьдесят оттенков инфракрасного / Хабр
Пятьдесят оттенков инфракрасного / Хабр
красный = 940нм, зеленый — 850нм, синий — 625нм (=красный свет):
Пятьдесят оттенков инфракрасного / Хабрпрозрачны для ИК.
Пятьдесят оттенков инфракрасного / Хабр

Теперь, если добавить IR-Cut фильтр — мы увидим только светящиеся антистоксовские метки. Элемент выше «5000» — светится ярче всего, его видно даже при не ярком комнатном освещении и подсветке 4Вт 940нм диодом/фонариком. В этом элементе также красный люминофор — светится несколько секунд после облучения белым светом (или ИК->зеленого от антистоксовского люминофора этой же метки).

Элемент чуть правее «5000» — люминофор, светящийся зеленым некоторое время после облучения белым светом (он ИК излучения не требует).
Пятьдесят оттенков инфракрасного / Хабр

Для чего нужны ик прожекторы?


ИК прожекторы применяются, в основном, для вечерней/ночной подсветки территории в составе систем видеонаблюдения.

Кроме того, их устанавливают совместно с оборудованием видеофиксации на автомагистралях. Это позволяет качественно осветить транспортное средство и избежать аварийной ситуации из-за ослепляющего эффекта, характерного для обычных направленных светильников.

На сегодняшний день большинство инфракрасных прожекторов производится на базе светодиодов. Светодиодное оборудование выгодно отличается от ламповых конкурентов экономичностью, надежностью и безопасностью в эксплуатации, экологичностью и долговечностью.

Звезды

Известно, что небо голубое из-за Рэлеевского рассеяния — соответственно в ИК диапазоне оно имеет намного мЕньшую яркость. Возможно ли увидеть звезды вечером или даже днем на фоне неба?

Фотография первой звезды вечером обычным фотоаппаратом:
Пятьдесят оттенков инфракрасного / Хабр
Пятьдесят оттенков инфракрасного / Хабр
Пятьдесят оттенков инфракрасного / Хабр
Пятьдесят оттенков инфракрасного / Хабр

Зоны возникновения инфракрасного излучения внутри электромагнитного спектра

Инфракрасное излучение обладает некоторыми общими свойствами с солнечной радиацией. Физические свойства инфракрасного излучения достаточно схожи с физическими свойствами света. Однако, большую часть спектра инфракрасного излучения нельзя увидеть человеческим глазом. По сути инфракрасный нагрев лучше всего рассматривать как своего рода энергию или излучение.

Но если выражаться научным языком, то инфракрасное тепло — это волна электромагнитного излучения. В промышленных целях мы используем три основных типа инфракрасного излучения:

  • Коротковолновое (0.78 – 1.4 μm).
  • Средневолновое (1.4 – 3 μm).
  • Длинноволновое (3 – 1000 μm).

Испускательная способность различных материалов

Полированный алюминий 0.09.Полированная латунь 0.03.Полированная бронза 0.10.Углерод (Сажа от свечи) 0.95.Керамика (глазурованный фарфор) 0.92.Полированный хром 0.10.Бетон 0.85.Полированная медь 0.02.Окислённая медь 0.65.

Используя данный закон, мы можем посчитать чистый теплообмен между двумя источника инфракрасного излучения Т1 и Т2. Как следствие, чистый теплообмен будет равен разнице теплового излучения между двумя источниками.

Формула Планка описывает спектральное распределение энергии излучения абсолютного чёрного тела в тепловом равновесии при опрёделённой температуре. Закон назван по имени Макса Планка, немецкого физика, который предложил его в 1900 году.

Если применять данный закон для различных температур, то мы сможем вычислить:

1. Диапазон частот, в которых тепло вырабатывается.
2. Испускательная мощность при определённой длине волны.

Медицина

Инфракрасная физиотерапия успешно используется при лечении различных заболеваний, а также послеоперационной реабилитации. Доказана ее эффективность для борьбы с ожогами и обморожениями разных стадий. После сеансов дозированного облучения наблюдается активизация окислительно-восстановительных процессов, стимуляция функций эндокринных желез, быстрое восстановление капилляров в поврежденной ткани и улучшение коллатерального кровообращения.

Тромболитическое действие терапии препятствует развитию некрозов из-за тромбоза мелких сосудов. Отмечается явно выраженное болеутоляющее и седативное действие. В клинической практике широко применяется низкочастотное ИК излучение для бактерицидной и бактериостатической обработки открытых ран.

Мы эксперты в инфракрасном нагреве

С 2000 года произведено и отгружено более 170 000 нагревателей.

Мы эксперты во всём, что касается производства инфракрасных нагревательных элементов. Мы можем посоветовать Вам, какой тип нагревательных элементов лучше всего подходит для работы с Вашим материалом, ещё на этапе принятия конструкторских решений и на этапе самого производства.

Качественное изготовление и поставка инфракрасных нагревательных элементов могут поспособствовать значительному увеличению эффективности производства примерно на 30%.

При выборе инфракрасного излучателя для определённой задачи нагрева нужно обратить особенное внимание на то, каким образом Ваше вещество поглощает электромагнитное излучение. В идеале, частоты инфракрасного излучения и частоты поглощения веществом электромагнитного излучения должны совпадать, чтобы передача тепла была наиболее эффективной.

Существуют различные варианты того, как инфракрасный нагрев может быть применён относительного определённого вещества. Некоторые вещества лучше поглощают излучение при использовании керамических нагревательных элементов, некоторым нужна высокая мощность галогеновых нагревательных элементов, а с некоторыми в работе используются кварцевые нагревательные элементы из-за их средней мощности. Мы можем изготовить все вышеперечисленные виды инфракрасных нагревательных элементов.

Ниже представлен график, иллюстрирующий мощность излучения наших керамических нагревательных элементов.

Когда речь идёт о длинных волнах, количество сообщаемой энергии будет меньше, так как температура излучателей также будет меньше, поэтому процесс нагрева займёт больше времени. Чем короче длина волны, тем выше будет температура излучателей и мощность инфракрасного излучения будет стремительно повышаться.

Ночной дозор: наночастицы открывают путь к инфракрасному зрению

Человеческий глаз воспринимает свет в очень узком сегменте электромагнитного диапазона. Мы вынуждены защищать чувствительную сетчатку от ультрафиолета и уже давно придумали громоздкие приборы ночного видения, чтобы приподнять завесу темноты. Ученые из Китая и Массачусетса нашли изящное и простое решение для расширения зрения в инфракрасный диапазон: они синтезировали наночастицы размером с пыльцу, конвертирующие инфракрасный свет в видимый — зеленый. Наночастицы вводятся прямо под сетчатку, конъюгируют с фоторецепторами и, подобно миниатюрным антеннам, транслируют видимый свет палочкам и колбочкам. Процедура относительно безопасна и совместима с нормальным дневным зрением. Пока что суперспособность доступна только мышам. Однако авторы обещают, что, усовершенствовав состав наночастиц и сделав их менее токсичными, им удастся получить одобрение FDA и адаптировать их для использования на людях. Наночастицы могут стать первым имплантируемым биосовместимым устройством для расширения человеческих сенсорных возможностей.

«Внимание! Перед применением наночастиц для
инфракрасного зрения проконсультируйтесь с офтальмологом»

Способность видеть за пределами человеческого видимого спектра (380–740 нанометров) доступна только отдельным живым существам, таким как змеи, некоторые насекомые, летучие мыши, а еще раки-богомолы [1]. В то время как ультрафиолетовый свет настолько высокоэнергетичный, что повреждает сетчатку, неспособность видеть ближний инфракрасный (ИК) свет с длиной волны от 800 до 1000 нанометров вызвана слишком малой энергией ИК-фотонов, не позволяющей активировать фоторецепторы и запускать каскад передачи нервного импульса (рис. 1). Теоретически, фоторецепторы млекопитающих могли бы снизить порог возбуждения, но тогда он бы оказался на уровне теплового шума. Зрение бы потеряло разрешение и, вероятно, стало неинтерпретируемым — мы бы трактовали как зрительный сигнал то, что на самом деле является просто тепловым шумом.

Больше про Хуавей:  ТОП-9 лучших Wi-Fi усилителей для дома

Наночастицы (полное название pbUCNP: photoreceptor-binding upconversion nanoparticles), наделившие мышей суперзрением, осуществляют преобразование с повышением частоты (upconversion) [2]: они поглощают фотоны длиной волны 980 нм и излучают уже на длине волны 535 нм, соответствующей видимому зеленому свету (рис. 2). Преобразование с повышением частоты возможно благодаря использованию в наночастицах редкоземельных элементов эрбия и иттербия (оба названы в честь маленькой деревушки в Швеции, где их обнаружили). Чтобы разобраться, как это происходит, давайте вспомним школьную формулу, описывающую энергию фотона:

Мы можем смело игнорировать числитель и вспомнить, что лямбда в знаменателе означает длину волны фотона света. Энергия фотона всегда обратно пропорциональна длине волны, то есть зеленый свет с меньшей длиной волны всегда несет больше энергии, чем красный, а красный, в свою очередь, более энергетичен, чем инфракрасный с его огромной длиной волны. Именно поэтому флуорофоры, используемые для флуоресцентной микроскопии [3], излучают (флуоресцируют) на большей длине волны, чем поглощают, а разница в энергии рассеивается как тепловая (это называется стоксовским сдвигом).

Когда типичный атом поглощает энергию (при ударе о него фотона, например), электроны переходят в более возбужденное энергетическое состояние, и для большинства молекул (включая флуорофоры) это состояние длится миллиардные доли секунды. Но не для редкоземельных элементов! Их электроны способны удерживать высокоэнергетическое состояние миллионные или тысячные доли секунды, и это достаточно длинный промежуток времени, чтобы в атом врезался еще один фотон, и итоговый энергетический «пинок» оказался достаточно сильным для излучения фотона более короткой длины волны (и с большей энергией), как и происходит в случае с конверсией ближнего ИК в зеленый свет. Коротко говоря, наночастица из редкоземельных элементов поглощает несколько фотонов с низкой энергией (инфракрасный свет) и испускает один фотон с более высокой энергией (зеленый свет), благодаря особому свойству редкоземельных металлов. Читателю, заинтересованному в механизмах флуоресценции прочих наночастиц, мы советуем почитать про квантовые точки [4].

Наночастицы с ядром из эрбия и иттербия конъюгировали с конканавалином А (concanavalin A, ConA) — белком, способным связываться с остатками сахаров на внешнем сегменте фоторецепторов — палочек и колбочек, — и вводили под сетчатку (рис. 2). Звучит устрашающе, но на самом деле инъекция под сетчатку — довольно рутинная процедура в офтальмологии, и все мыши полностью восстановились в течение двух дней.

После этого исследователи провели целую серию разнообразных и очень убедительных экспериментов [2], чтобы доказать, что мыши действительно могут различать и интерпретировать ближний ИК-свет (чтобы представить себе работу целиком, посмотрите видео).

Во-первых, только у животных с введенными наночастицами в темноте сужались зрачки в ответ на стимуляцию ближним ИК-светом (рис. 3а). Во-вторых, ученые записали индуцированные зрительные потенциалы в зрительных отделах мозга мышей, что доказало не только восприятие ИК-света на сетчатке, но и его дальнейшую передачу и обработку в мозге (рис. 3б).

Далее последовала серия поведенческих экспериментов. Мыши — ночные животные, и при прочих равных условиях им комфортнее находиться в темных помещениях, чем в освещенных. В эксперименте, где одно отделение клетки освещалось светом с длиной волны 980 нм (воспринимаемым «обычным» глазом как полная тьма), а другое — не освещалось вовсе, супермыши проводили большую часть времени в темной части, в то время как контрольные мыши не различали отсеки (рис. 4).

В другом эксперименте исследователи проверили, насколько хорошо мыши способны ориентироваться, опираясь только на ИК-зрение. Им требовалось найти платформу, скрытую под водой, но подсвечиваемую особым паттерном ИК-света, и мыши с наночастицами обнаруживали подсвеченную платформу быстрее, чем контрольные мыши. Этот эксперимент также доказал, что мыши с инъекцией наночастиц способны не только видеть ИК-свет, но еще и различать его различные паттерны и формы.

Наконец, в третьем эксперименте мышей научили ассоциировать вспышку ИК-света со слабым электрическим шоком (fear conditioning), и каждый раз после вспышки ИК-света мыши с наночастицами демонстрировали реакцию замирания (типичное проявление страха у мышей), предчувствуя удар током, даже если он не следовал за вспышкой.

Наночастицы оказались довольно стабильными и функционировали, по крайней мере, в течение 10 недель. Более того, ученые не заметили негативных эффектов, таких как воспаление, иммунный ответ, отслоение сетчатки или клеточная гибель, что дает наночастицам огромное преимущество по сравнению со многими имплантируемыми устройствами, для которых биологическая несовместимость — обязательный спутник. Тем не менее редкоземельные элементы токсичны и не одобрены для применения на людях, так что авторы обещают разработать более безопасную, «органическую» версию наночастиц, связывающихся с фоторецепторами.

Такие частицы, помимо их очевидного применения для ночного зрения, могут быть адаптированы под таргетную доставку лекарств, и не только в сетчатке, но и во всём организме, так как ИК-свет легко проникает через ткани. Еще одним возможным применением наночастиц, конвертирующих свет, может стать терапия дальтонизма. Возможно, ученым удастся «скрестить» наночастицы с другими высокотехнологичными устройствами для лечения заболеваний сетчатки (про некоторые из них «Биомолекула» писала ранее — «Когда ослепшие прозреют?» [5] и «Оптогенетика голография = прозрение?» [6]). Однако может оказаться, что с применением на людях всё не так просто, как кажется. У человека и приматов в эволюции зрения появилась центральная ямка — зона сетчатки, состоящая в основном из колбочек и имеющая наибольшую плотность фоторецепторов, обеспечивающих наилучшее разрешение. Пока что непонятно, как неравномерное распределение фоторецепторов в сетчатке человека скажется на способности интерпретировать конвертированный свет. Тем не менее это вряд ли остановит трансгуманистов и биохакеров, готовых закапывать в глаза химический аналог хлорофилла, чтобы хотя бы ненадолго вырваться из рамок человеческих возможностей.

  1. Креветки видят по-другому;
  2. Yuqian Ma, Jin Bao, Yuanwei Zhang, Zhanjun Li, Xiangyu Zhou, et. al.. (2022). Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae. Cell;
  3. Флуоресцентные репортеры и их молекулярные репортажи;
  4. Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии;
  5. Когда ослепшие прозреют?;
  6. Оптогенетика голография = прозрение?.

Общая характеристика инфракрасного излучения

Спектр инфракрасного излучения делится на 3 диапазона:

Между ними нет четкой границы, и существуют разные схемы деления спектра инфракрасного излучения.

В таблице представлено деление, которое используется Международной организацией по стандартизации.

Длина инфракрасных волн, которые излучает тело, зависит от температуры нагревания. Чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения.

Инфракрасный спектр имеет большую протяженность, поэтому свойства веществ, расположенные в разных диапазонах, могут в значительной мере различаться.

Свойства ИК-излучения:

  1. Является тепловым излучением и способно нагревать тела.
  2. Обладает типичными для электромагнитных волн явлениями: отражение, интерференция, дифракция.
  3. Источником является любое тело, обладающее температурой выше абсолютного нуля (0 °K или -273,15 °C).
  4. Оказывает воздействие на термоэлементы и фотоматериалы.
  5. Проходит через многие тела, в том числе через туман, дождь, снег.
  6. Поглощаясь веществом, нагревает его.
  7. Изменяет электрическое сопротивление тел.
  8. Не обладает химической активностью.

Человеческий глаз не способен увидеть инфракрасные волны, но ученые нашли способ, как это исправить. Существуют специальные приборы — тепловизоры, с помощью которых можно посмотреть, как выглядит объект в ИК-спектре. Термографические камеры используются в медицине, энергетике, строительстве, охранном и военном деле. Также их широко применяют в научных исследованиях.

Изображение слонов с помощью тепловизора.

Оптика для коротковолнового инфракрасного диапазона (swir) | бик дом оптики

Инфракрасное излучение

В повседневной жизни мы часто встречаемся с электромагнитным световым излучением в различных формах, например: видимый световой спектр, ультрафиолетовый спектр, радиоволны и рентгеновское излучение, которые различаются друг от друга только длиной волны. Инфракрасное излучение как сектор электромагнитного спектра занимает положение между волнами видимого диапазона и радиоволнами.
Пятьдесят оттенков инфракрасного / ХабрВсе физические тела постоянно излучают инфракрасные волны. При нагревании тела излучение становится более интенсивным и смещается в диапазон более коротких волн. (Чем больше температура тела, тем интенсивнее оно излучает более короткие волны инфракрасного диапазона). При умеренных температурах (выше 250 С) интенсивность излучения достигает уровня, определяемого как тепловое излучение. При температурах выше 800 °C интенсивность излучения доходит до такого уровня, который достаточен для преодоления границы видимого диапазона в области красного излучения.

Инфракрасное излучение можно разделить на пять групп в зависимости от длины волны:

АббревиатураДлина волныХарактеристика
Ближний инфракрасный диапазон (NIR)0.75-1.4 мкмБлижний ИК, ограниченный видимым светом и прозрачностью воды, ухудшающейся при 1.45 мкм. В этом диапазоне работают инфракрасные светодиоды, лазеры для систем оптической связи, телевизионные камеры и приборы ночного видения на основе электронно-оптического преобразователя (ЭОП).
Коротковолновый инфракрасный диапазон (SWIR)1.4-3 мкмВ этом диапазоне достигаются более высокие уровни природных контрастов. Типичными сенсорами, используемыми при обычной съемке в SWIR диапазоне, являются сенсоры на основе арсенида индия-галлия (InGaAs), способные захватывать область от 550nm и вплоть до 2.5μm.
Средневолновый инфракрасный диапазон (MWIR)3-8 мкмВ этом диапазоне начинают излучать тела, нагретые до нескольких сотен градусов Цельсия. В этом диапазоне чувствительны тепловые головки самонаведения систем ПВО и тепловизоры.
Длинноволновый инфракрасный диапазон (LWIR)8-15 мкмВ этом диапазоне начинают излучать тела с температурами около нуля градусов Цельсия. В этом диапазоне чувствительны тепловизоры для приборов ночного видения.
Дальний инфракрасный диапазон (FIR)15-1000 мкмИсточниками излучения в этом диапазоне являются лазеры дальнего ИК диапазона.
Больше про Хуавей:  поставили телефон на зарядку он включается и выдает тест Заводского Набора. Что делать не знаем - отключали он не отключается и не перезугружается!

SWIR-диапазон

В отличие от излучения среднего ИК и длинного ИК диапазонов, которые исходят от самих объектов, SWIR излучение близко к видимому диапазону в том, что фотоны либо отражаются, либо поглощаются объектами, и это свойство обеспечивает широкий динамический диапазон, необходимый для изображений с высоким разрешением. Например, атмосферное звездное свечение и ночное сияние являются естественными источниками света SWIR диапазона и великолепной подсветкой объектов при ночной уличной съемке. Для достижения наилучших результатов работы в этом диапазоне важно использовать оптику, имеющую специальное просветляющее покрытие и предназначенную для съемки в SWIR диапазоне. Использование объективов, предназначенных для волн видимого спектра, приводит к получению снимков низкого разрешения с более высокой оптической аберрацией. Одним из главных преимуществ SWIR зрения, которое не реализуется никаким другим прибором, является способность «видеть» сквозь стекло. Это значит, что с SWIR камерами возможно использование обычных, бюджетных объективов практически для всех применений, кроме самых требовательных. В большинстве случаев нет необходимости оснащать SWIR камеры специальной дорогой оптикой или стойкими к внешним воздействиям корпусами, что делает их пригодными к широкому использованию в различных отраслях. Так же данная характеристика позволяет монтировать коротковолновые ИК камеры внутри защитных окон, делая работы по размещению видеосистемы на желаемой платформе чрезвычайно простыми. Так как волны SWIR проходят сквозь стекло, объективы и другие оптические компоненты (оптические фильтры и окна), предназначаемые для SWIR съемки, могут изготавливаться по тем же технологиям, которые используются для компонентов видимого диапазона, что снижает издержки производства и делает возможным использование фильтров и окон в рамках одной системы.

Область применения приборов SWIR многообразна: металлургия, стекольная промышленность (термоскопия нагретых веществ), оборонная промышленность (ночное видение и обнаружение целей в сложных климатических условиях), медицина, наука и биология (лазероскопия), пищевая промышленность (определение влажности), полиграфия (проверка банкнот), проверка произведений искусства, тестирование солнечных батарей и проводников и т.д. Приборы SWIR применяются там, где использование приборов видимого излучения осложнено или невозможно. Водяной пар, туман и такие вещества, как силикон, прозрачны для SWIR волн. Кроме того, цвета, которые являются практически идентичными в видимом диапазоне, легко различаются в диапазоне SWIR.

Как итог, можно подчеркнуть основные преимущества SWIR оборудования:

  • Высокая чувствительность;
  • Высокое разрешение;
  • Способность формировать изображение при свете ночного свечения или сиянии ночного неба;
  • Возможность круглосуточного применения;
  • Возможность скрытой подсветки;
  • Cпособность видеть скрытые лазерные сигналы и маячки;
  • Отсутствие требований для глубокого охлаждения;
  • Возможность использовать серийные бюджетные объективы видимого диапазона;
  • Компактность;
  • Низкое энергопотребление.

Подобрать объективы SWIR диапазона для систем машинного зрения и промышленной автоматизации.

Подобрать длиннофокусные объективы SWIR диапазона для систем видеонаблюдения.

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.

Применение

Благодаря своим свойствам инфракрасное излучение имеет множество применений и оказывает большое влияние на нашу повседневную жизнь. Оно используется в химическом анализе для определения структуры материалов. Оно также используется в терапевтических целях в так называемой диатермии — процедуре, которая заключается во внутреннем прогревании болезненных мышц и суставов.

Оно используется в термолокации для наблюдения за объектами в темноте с помощью ночного зрения, например, наблюдение за летучими мышами в пещере ночью. Поскольку инфракрасное излучение меньше поглощается при прохождении через туман и облака, чем видимое излучение, оно используется для фотографирования объектов на значительном расстоянии.

Тепловизионная камера, используемая, например, военными, также использует инфракрасное излучение. Это излучение также используется в пультах дистанционного управления домашними электронными устройствами (например, телевизором, видеомагнитофоном, дверью гаража, сигнализацией), в управлении трамвайными выключателями.

Приступим к съемке

Панорама днем в ИК: красный канал — с фильтром на 1050нм, зеленый — 850нм, синий — 760нм. Видим, что деревья особенно хорошо отражают именно самый ближний ИК. Цветные облака и цветные пятна на земле — получились из-за движения облаков между кадрами. Отдельные кадры совмещались (если мог быть случайный сдвиг камеры) и сшивались в 1 цветную картинку в CCDStack2 — программа для обработки астрономических фотографий, где цветные снимки часто делают из нескольких кадров с различными фильтрами.

Пятьдесят оттенков инфракрасного / Хабр
Пятьдесят оттенков инфракрасного / Хабр
Пятьдесят оттенков инфракрасного / Хабрдля RFID чипа внутри билета.
Пятьдесят оттенков инфракрасного / Хабр
Пятьдесят оттенков инфракрасного / Хабр

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

Термины, используемые для измерения тепла

Тепловой поток (Φq) рассчитывается как единица мощности на единицу площади и измеряется в Вт/м² или в Вт/см² (ПромНагрев)Джоулях (Дж) или в БТЕ (британская тепловая единица). Джоуль — это единица измерения, которая и используется в термодинамике. БТЕ чаще используется даже в США, несмотря на своё имя. Калории очень редко используются в термодинамике. Мощность нагрева измеряется в Ваттах (Вт) и рассчитывается как 1Дж/сек. Тепловой поток (Φq) рассчитывается как единица мощности на единицу площади и измеряется в Вт/м² или в Вт/см².

Несмотря на то что температуру можно измерять различными единицами, в промышленности чаще всего используют градусы Цельсия (°С). Однако, Кельвины (К) используются в научных целях, так как они помогают сделать более точные измерения, а Фаренгейты (°F) в основном используются в США.

Формулы, законы и принципы

Весь процесс инфракрасного нагрева можно легко и точно описать с помощью специально разработанной терминологии и физических законов. Рассматривая эти формулы и законы, мы можем сразу представить основные сферы применения для инфракрасных излучателей в современном мире.

Вообще, тепло создаётся за счёт разницы температур между объектами. Любой объект с температурой больше чем 0 K (-273.15°C) передаёт инфракрасное излучение, в том случае когда один объект нагрет сильнее чем другой, поток энергии переходит от горячего объекта к более холодному. Поверхность объектов будет играть ключевую роль как в передаче инфракрасного излучения, так и в его поглощении.

1 Звездаслабоватона троечкухорошо!просто отлично! (1 оценок, среднее: 4,00 из 5)
Загрузка...

Расскажите нам ваше мнение:

Ваш адрес email не будет опубликован.