赤外線とは何ですか?

赤外線とは、肉眼では見えないが、物理的には熱として感じることができる物体から放出されるエネルギー波です。このエネルギー波の長さ(波長)は、700ナノメートル(周波数430 THz)から可視光スペクトルで1ミリメートル(300 GHz)までです。

赤外線とは何かを最初に理解するには、その起源から始めなければなりません。

赤外線は人類に、人間の目が見ることができるものを超えて見る能力と、人が以前に足を踏み入れた場所を超えて探索する能力を与えました。軍事的観点から民間人の観点から、赤外線技術の適用は無視できないほど有用です。何千マイルも上の天体をよりはっきりと見たいと思っていた人が赤外線に出くわしたのは偶然ではありません。人間の無知の最も暗いシナリオのいくつかに光を当てるように人間を駆り立てたのは、この好奇心旺盛な精神です。

赤外光の性質を調べることは、私たちの側で大いに有利です。これにより、赤外線技術のアプリケーションでより優れた視点が得られます。そのような知識は、私たちが熱技術の使用を地球の最も遠い隅にさえ人間の最も挑戦的な努力に拡張することを可能にするはずです。または地球を超えて。人が宇宙の遠い隅に彼の範囲を拡大しているので。 1800年代に赤外線に出くわした科学者である世界的に有名な天文学者ウィリアム・ハーシェル卿は、それを見たことがなかったかもしれません。しかし、彼の発見は、私たちの既知の宇宙の征服への道を、1つ以上の方法で開いた。

起動するには、光の性質が人間の目で見ることができるものを超えていることを知ってください。虹は、光がどれほど美しいかを示す最も素晴らしいデモンストレーションかもしれませんが、全体像ではありません。完全ではありません。紫外線や赤外線は、このような鮮やかな色の配列では見ることができません。

portrait of sir Hershel

興味深いことに、サー・フレデリック・ウィリアム・ハーシェル(1738-1822)は、熟練したミュージシャンである父親の足跡をたどってミュージシャンとしてのキャリアをスタートさせました。ドイツのハノーバーで生まれたウィリアムは、オーボエを演奏するハノーバーのガードバンドに参加しました。彼は音楽の教職に就き、1755年にイギリスに移住することができました。彼はバースに定住しました。

しかし、ウィリアムを世界的なセンセーションにしたのは彼の趣味でした。彼の前の偉人(アイザックニュートン卿、ガリレオガリレイ)のように、ウィリアムは天の研究、または天文学に非常に魅了されました。 34歳のとき、ドイツの移民は小さな望遠鏡と一緒に天文学に関する本を購入しました。その小さな行為は、音楽教師の人生のターニングポイントになるでしょう。

ハーシェルはニュートンの望遠鏡の設計を研究し、それらを改良して、自分で鏡を鋳造および研磨しました。その過程で、彼ははるかに強力な望遠鏡を製作し、「さらに」進んで、私たちの既知の宇宙の天体を調査できるようにしました。

それから、フレデリック・ウィリアム・ハーシェルをイギリスの王であるジョージ3世の私的な天文学者にする画期的な出来事が起こりました。ウィリアムは1781年に天王星を発見し、一人で働いていました。

最終的に、彼は騎士になり、王立学会のフェローとして認められました。名誉と財政的支援が続いた。最終的に、彼は1820年に設立された権威ある英国王立天文学会の初代会長になりました。今日、彼は妹のキャロラインとともに、星の研究に徹底的な数学的アプローチを採用し、現代天文学の柱の1つと見なされています。

しかし Sir Frederick William Herschel’s 人類への貢献は天文学で終わったわけではありません。星の研究は、さらに実用的な発明である熱技術に拍車をかけました。

1800年、ウィリアムは太陽光線の実験を開始しました。彼はさまざまなフィルターを使用し、各フィルターでさまざまな色がどのように生成されるかを見ました。

最後に、彼は何世紀も前のニュートンの実験によく似たプリズムを使用しました。今回、彼は温度計を使用して、生成された虹の各色の温度を記録しました。これは後に電磁スペクトルと呼ばれる現象です。

ハーシェルは、温度計をその虹の紫色の部分から赤色の部分に移動すると、温度が上昇することを観察しました。

驚いたことに、彼は、太陽の光から生成された虹の赤い部分を超えた領域がはるかに高い温度を記録していることを発見しました。この光は電磁スペクトルの赤色光の下にあるため、「赤外線」と呼ばれていました。言及された領域は目に見えず、目に見える色を生成しません。しかし、その部分の熱上昇を感じることができたので、彼はそれを「放射熱」と呼んだ。

注意します、 多くの現代イギリスの科学者 ハーシェルが光と熱を一つの実体として結合することに反対しました。現時点では、電磁スペクトルの概念は孵化していない。ウィリアムでさえ、2つのエンティティ間の関係についてあまり確信がありませんでした。最終的に、彼は天文学に戻り、光の性質に関する彼の研究はやや決定的ではありませんでした。

現在、欧州宇宙機関の赤外線天文台はハーシェルにちなんで名付けられています。

赤外線の性質

rainbow on the left with colour spectrum on the right

赤外線(IR)は、しばしば赤外線および赤外線放射と呼ばれ、可視光よりも長い波長を持つ電磁放射(EMR)です。

赤外線は人間の目には見えないことを理解してください。虹は、プリズムを通過する光のように、光が水滴に当たったときに生成される電磁エネルギーの全スペクトルです。各色は異なる波長を表します。

ただし、ヘッシェルの実験のように、虹は赤外線を表示しません。赤外線は存在しますが、見えません。あなたは虹の色だけを見るそれらの波長の順序、最長から最短:

  • オレンジ

  • インディゴと

  • バイオレット

そのリストは、人間の目にも見えない太陽からの紫外線が長波長の赤外線よりも波長が短いことを示しています。

私たちの目の錐体は、スペクトル内または380〜700ナノメートルの放射線を受け取ることができます。そのため、虹の中に赤から紫、そしてその間のすべての色が見えます。

 

ただし、赤外線(IR)の波長は700ナノメートルより長くなります。それは1ミリメートルにもなることができます。しかし、赤外線が見える可能性はわずかです。

EMまたは電磁スペクトルについて考えてみてください。その一部が表示されます。虹は私たちにこれを示しています(プリズム実験の可視光もそうです)。バイオレットは、最短波長の可視スペクトルの一部です。それを超えて紫外線があります。 Ultraはラテン語で「beyond」または「above」を意味するため、EMスペクトルでは紫外線は紫より上です。そして、紫外線の波長は380ナノメートルより短いので、私たちはそれを見ることができません。

EMスペクトルのもう一方の端は赤色です。それは可視スペクトルの中で最も長い波長を持っています。赤の隣は赤外線スペクトルです。赤外線はラテン語で「下」を意味するため、赤外線は文字通り赤より下です。そして、その波長は可視スペクトルよりも長いので、私たちもそれを見ることができません。

ただし、赤外線が見える場合は一定の条件があります。特別にパルスされたレーザーから、最大1050nmの波長のIRが観測されています。これについての具体的な科学的説明は完全には調査されていません。

したがって、技術的には、IR波長は700ナノメートル(周波数430 THz)から1ミリメートル(周波数300 GHz)の波長です。室温に近い温度では、放出される熱エネルギーのすべてではないにしてもほとんどが赤外線放射であることに注意してください。 EMスペクトルのすべての波と同様に、IRは放射エネルギーであり、ハーチェルの放射エネルギー理論にスポットを当てています。さらに、量子粒子である光子と同じように動作します。

これは可視赤外光の状況を説明するかもしれません。専門家は、複数の赤外線光子が一度に目に当たると、人間の目で赤外線を見ることができると信じています。

したがって、赤外線の存在は熱の存在を意味します。物体が高温になるほど、赤外線放射が多くなります。猛暑の太陽ははるかに長い赤外線を持っています。強烈な熱のもう一つの源は火です。

地球上のすべての物体が熱の形で赤外線を放射することに注意してください。逆に、人間は赤外線を利用することを学びました。スマートテレビのリモコンを使用するときは、赤外線、つまりハーシェルが「放射熱」と呼んでいるものを使用しています。

他の放射エネルギーとの比較

colour spectrum graph


赤外線は、すべてのタイプのEM放射を含む、より大きな電磁(EM)スペクトルの一部です。注意すべきは、どんな放射線も広がるという特徴を持っているということです。つまり、ランプからの光はEM放射(可視光)ですが、昔ながらのラジオから出てくる音楽も別のEM放射です。

赤外線自体は、特定の波長に応じて3つの主要な部分に細分されます。それらの帯域幅は次のとおりです。

  • 近赤外線(NIR):0.75 –3μmの波長

  • 中赤外線(MWIR):3〜50μmの波長

  • 遠赤外線(FIR):波長50〜1000μm


これらの数値はISO20473で指定されているとおりです。ただし、天文学やその他の国際機関は異なる分割スキームを遵守しています。

赤外線のすぐ隣にはマイクロ波放射があり、家庭でポップコーンを調理するために使用される電子レンジで人気があります。マイクロ波放射の波長は約1メートルから1ミリメートルの範囲で、周波数は300 MHz(1 m)から300 GHz(1 mm)の範囲です。

マイクロ波のマイクロ波は、EMスペクトルのマイクロ波放射に続く電波と比較して波長が短いことを示しています。電波は、最低30ヘルツから最高300ギガヘルツの周波数を運びます。

EM領域間の境界はかなり恣意的であり、さまざまな形式の調査で異なる可能性があることに注意してください。それは1つの電磁スペクトルに属しているため、さまざまな形の放射線が互いにフェードインし、虹の色のように相互接続されます。

X線放射は、EMスペクトルの紫外線放射の隣にあります。そのため、10ピコメートルから10ナノメートルの範囲の波長は、紫外線の波長よりもさらに短くなります。しかし、X線は非常に強力な透過エネルギーです。

最後に、最も強力なエネルギー形態であるガンマ線は、X線よりもさらに短い波長を持っています。その光子は非常に強力であるため、ガンマ線は核爆弾の破壊兵器として広く使用されています。

NASAは  ガンマ線の最大の発生器 宇宙そのものです。

一方、太陽からの赤外線は、地球の加熱の49%を占めています。

しかし、惑星に到達する残りの熱はどうですか?

注意すべき点として、「放射熱」の発生源は赤外線だけではありません。すべての電磁帯域幅は、それらを吸収するすべての表面を加熱します。したがって、地球に影響を与える残りの熱は、適切に吸収されてから再び放射される可視光によって引き起こされます。今回はより長い波長で。


ナイトビジョンと比較して

binocular view of night vision vs infrared

暗視は不思議なものです。多くの映画で取り上げられている暗視ゴーグルとその暗闇での視力は、多くの映画ファンの想像力をかき立てています。

しかし、暗視は赤外線熱画像技術とどのように比較されますか?どのデバイスが夜間の運転を改善するのに役立つかを知りたいので、知りたいと思うかもしれません。

暗視は、軍隊でしばらくの間独占的に使用されてきました。しかし、今日では、暗視技術が可能なスマートフォンがあります。

暗視は、1つの例外を除いて、標準のカメラと同じテクノロジーを使用することを知ってください。暗視カメラはより大きな倍率で動作します。したがって、これらは暗い環境でわずかな光の存在を吸収することができます。キャプチャされると、この光は拡大され、緑がかった色合いの画像として描かれます。

したがって、暗視は「イメージインテンシファイア」としてより適切に説明できます。そして、これは暗視と熱赤外線技術が異なるところです。

暗視は、最小の光線がなければ真っ暗な暗闇では役に立たなくなります。その効果は、光の存在が減少するにつれて急激に低下します。したがって、暗視を使用した軍事作戦が、月が暗い雲に遮られた状態で行われると、視界が損なわれる可能性があります。

しかし、赤外線カメラがそれを助けることができない場合はそうではありません。

サーマルカメラは赤外線スキャン技術を使用しています。このように、それはそれらの前のオブジェクトの熱特性を測定することができます。次に、これらの熱特性は、どの部分が最も高温で、どの部分が最も低温であるかを示す画像に変換されます。オブジェクトが高温になるほど、サーマルスキャンで明るく表示されます。

さて、これはすべて、赤外線カメラが物体の存在を知るために光を必要としないことを意味します。熱や赤外線を検出できるため、物体の存在を知るために可視光は必要ありません。したがって、最も激しい嵐や最も激しい天候でさえ、離れた場所から温度を決定する能力に影響を与えることはありません。

そのため、真っ暗な夜でも、赤外線カメラで物体の存在を判断できます。またはそのことについては、写真の中に生きている個人の存在。

さらに良いことに、今日の熱スキャン技術は、1000フィート先以上をスキャンすることができます。これにより、暗視装置と比較して、夜間の運転時に理想的なツールになります。


今日の赤外線放射の最も一般的な使用法

infrared popular uses graph

多くの技術は、赤外線放射の背後にある科学を使用しています。今日最も有名なのは熱画像技術です。


赤外線サーモグラフィ(IR T)は、熱画像または赤外線画像とも呼ばれ、離れた場所から物体の温度を測定するために使用されてきました。当初、この技術は軍によって最大化されました。それからそれは消防と産業目的に流れ落ちました。しばらくして、赤外線技術は最終的に大衆に到達しました。

今日、赤外線画像技術は、製造コストが大幅に削減されたおかげで、建物や住宅の検査における標準的なツールになりました。これは、サーマルカメラと呼ばれる便利なポータブルカメラの形をしています。

熱画像技術の利点は、2020年初頭から世界を揺るがしたCOVID-19パンデミックの際に最大限に活用されました。熱画像技術は、ウイルスの急速な増殖を制限する上で不可欠なツールになりました。

赤外線カメラは、安全な距離から熱エネルギーを検出することにより、パンデミック時に運営されているほぼすべての施設(政府機関から企業、家庭まで)の標準ツールになっています。

サーマルカメラは、電磁スペクトルの近赤外線(NIR)および中赤外線(MWIR)の範囲で動作し、およそ900〜14,000ナノメートルまたは0.9〜1.4μmです。

軍隊では、熱探知ミサイルは赤外線追跡を使用し、赤外線ホーミングとも呼ばれていました。これらのミサイルは、別の高温の物体からの熱放出を標的にするため、ヒートシーカーと呼ばれます。

赤外線の他の一般的な用途は、赤外線サウナなどの意図的な熱源としてです。また、航空機の翼から氷を取り除くためにも使用されています。

業界では、赤外線加熱を次のようなさまざまな製造プロセスで使用することで、これに負けないようにしています。

  • 印刷乾燥

  • プラスチック溶接

  • アニーリング

  • プラスチックの成形

  • コーティングの硬化

今日、多くの暗視装置は赤外線検出機能を備えています。これは、従来の暗視装置が可視光が不十分な状況で物体を検出できないことを相殺するためです。

芸術では、赤外線反射法は絵画の信憑性を決定することができます。赤外線が絵画を破壊することなく下にある層を明らかにすると、アーティストのアンダードロー(スケッチとアウトライン)が表示されます。その過程で、専門家は特定の絵がマスターの作品なのか偽物なのかを知るでしょう。

同様に、古代の書かれた文書やオブジェクトは、赤外線を使用して認証できます。この例は、死海文書です。

そして、フレデリック・ウィリアム・ハーシェル卿の調査結果は、現在、天文学の標準的な方法論です。NASAは赤外線技術を使用しています 惑星、星、星雲などの天体の熱の有無を判断するため。

宇宙赤外線望遠鏡は、赤外線天文学を最大限に活用してきました。たとえば、赤外線は、原始星や若い星が可視光を発する前であっても、それらを検出するのに役立ちます。

 

ハーシェルは生涯それを見たことがなかったかもしれませんが、彼の作品は天文学への情熱のために実を結びました。結局、彼は正しかった。何世紀も前の彼の光プリズム実験は、これまで以上に人類に利益をもたらしました。さらに、今日の科学者は、宇宙を探索するという人間の夢を続けることができました。簡単に言えば、それは驚くべき熱放射です!


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