|
Co to je a jak se chovß infraΦervenΘ zß°enφ
| |
V dneÜnφm dφle si jednoduchou a srozumitelnou formou objasnφme, co to je infraΦervenΘ zß°enφ, jak se chovß, a jak ho lze vyu₧φt k fotografovßnφ. |
ElektromagnetickΘ spektrum
Zßkladnφ charakteristikou elektromagnetickΘho vln∞nφ je tzv. vlnovß dΘlka, oznaΦovanß v∞tÜinou λ (lambda) a m∞°enß ve vhodn²ch dΘlkov²ch jednotkßch (v p°φpad∞ viditelnΘho sv∞tla nanometry, tj. 10-9 m). Velmi jednoduÜe °eΦeno, vlnovß dΘlka nßm °φkß, jak ädlouhß je vzdßlenost mezi dv∞ma h°bety vlnô. Analogickou veliΦinou je frekvence û veliΦina °φkajφcφ nßm, kolikrßt vlna kmitne za 1 sekundu.
Rozt°φdφme-li si vlnovΘ dΘlky zß°enφ vydßvanΘho urΦit²m zdrojem a zjistφme-li si intenzity zß°enφ na t∞chto jednotliv²ch vlnov²ch dΘlkßch, dostaneme tzv. spektrum. Na obr. Φ. 1 je schematicky naznaΦen obor vlnov²ch dΘlek celΘho elektromagnetickΘho spektra û od nejkratÜφch po ty nejdelÜφ. Uzounkou oblast mezi 400 a₧ 700 nm m∙₧eme vnφmat zrakem a tento obor elektromagnetickΘho zß°enφ jsme nazvali sv∞tlo.
 | | Obr. 1: ElektromagnetickΘ spektrum |
Sv∞tlo, infraΦervenΘ zß°enφ a teplo
Jakmile bylo prokßzßno, ₧e elektromagnetickΘ spektrum za hranicemi viditelnΘho sv∞tla kontinußln∞ pokraΦuje ke kratÜφm i delÜφm vlnov²m dΘlkßm, bylo t°eba tato zß°enφ n∞jak pojmenovat. ╪eÜenφ se nabφzelo p°φmo samo a vznikly tak termφny pro zß°enφ ultrafialovΘ (änad fialovouô, zkratka UV z anglickΘho ultraviolet) a infraΦervenΘ (äpod Φervenouô, zkratka IR z anglickΘho infrared). P°ipome≥me jeÜt∞, ₧e UV zß°enφ mß v∞tÜφ energii ne₧ sv∞tlo a IR zß°enφ menÜφ energii.
EmpirickΘ zkuÜenosti zφskanΘ p°i jednouch²ch pokusech naznaΦovaly, ₧e viditelnΘ a infraΦervenΘ zß°enφ spolu ·zce souvisφ a navφc souvisφ s vjemem tepla. P°edstavme si t∞leso, jeho₧ teplotu m∙₧eme m∞nit v ÜirokΘm rozp∞tφ û nap°. vlßkno ₧ßrovky. P°i opravdu velmi malΘm prochßzejφcφm proudu se vlßkno chovß spφÜe jako odporov² drßt a zah°eje se. Zv²Üφme-li prochßzejφcφ proud, zv²Üφ se i jeho teplota, vlßkno zaΦne temn∞ rud∞ ₧hout a v jeho blφzkosti mßme pocit sßlajφcφho tepla. Teplo se p°itom Üφ°φ i ve vakuu û Üφ°enφ nenφ tedy zp∙sobenΘ oh°evem okolnφho vzduchu, n²br₧ zß°enφm. P°i v∞tÜφ proudu se vlßkno roz₧havφ a vydßvß ₧lutΘ sv∞tlo, p°i jeÜt∞ v∞tÜφm proudu se vlßkno roz₧havφ vφce a vydßvß osl≥ujφcφ bφlΘ sv∞tlo...
Tyto empirickΘ poznatky dlouhou doby zam∞stnßvaly fyziky, kte°φ je nebyli schopni uspokojiv∞ vysv∞tlit. Na zaΦßtku minulΘho stoletφ se fyzika s tφmto problΘmem dostala do opravdov²ch potφ₧φ a v₧il se termφn äultrafialovß katastrofaô. Pak ovÜem p°iÜli pßnovΘ Planck a Einstein a nebohou fyziku zachrßnili kvantovou teoriφ.
P°i nejv∞tÜφm mo₧nΘm zjednoduÜenφ lze celou v∞c vysv∞tlit takto: m∞jme t∞leso, kterΘ energii pouze vyza°uje û tzv. absolutn∞ ΦernΘ t∞leso. Z vn∞jÜku dodanß energie (nap°. elektrickß pou₧itß k jeho ₧havenφ) zp∙sobφ zv²Üenφ intenzity pohybu molekul tvo°φcφ t∞leso. Rychleji kmitajφcφ a vibrujφcφ Φßstice majφ te∩ vφce energie, jsou proto mΘn∞ stabilnφ a rßdy by se tΘto p°ebyteΦnΘ energie zbavily. Jak to ud∞lajφ? Vyzß°φ ji! P°i vzßjemn²ch srß₧kßch molekuly p°echßzejφ na ni₧Üφ vibraΦnφ a rotaΦnφ energetickΘ hladiny a p°ebyteΦnou energii vyza°ujφ do okolnφho prost°edφ jako zß°enφ. A te∩ pozor: energie, kterou Φßstice p°i srß₧ce ztratφ se rovnß energii vzniklΘho kvanta zß°enφ. ╚ili hodn∞ rozkmitanΘ atomy a molekuly vyza°ujφ vysokoenergetickΘ kvanta, tj. viditelnΘ sv∞tlo sv∞tlo a UV zß°enφ. Mßlo rozkmitanΘ molekuly vyza°ujφ nφzkoenergetickΘ kvanta, tj. IR zß°enφ.
D∙sledek je nßsledujφcφ: p°i absolutnφ nule by se zastavil pohyb atom∙ a molekul a t∞leso by nevydßvalo ₧ßdnΘ elektromagnetickΘ zß°enφ. Ka₧dΘ t∞leso, jeho₧ teplota je vyÜÜφ ne₧ absolutnφ nula, vÜak vyza°uje elektromagnetickΘ zß°enφ. Vlnovß dΘlka tohoto zß°enφ zßvisφ na teplot∞. ╚φm je teplota t∞lesa vyÜÜφ, tφm je vlnovß dΘlka vydßvanΘho zß°enφ kratÜφ. P°i nφzk²ch teplotßch vydßvß t∞leso tzv. dalekΘ IR zß°enφ. P°i vyÜÜφch teplotßch vydßvß t∞leso blφzkΘ IR zß°enφ a my vnφmßme sßlavΘ teplo. P°i teplot∞ okolo 600░C vydßvß t∞leso mohutn² tok blφzkΘho IR zß°enφ a zaΦφnß vydßvat ΦervenΘ sv∞tlo û my vnφmßme rudΘ ₧hnutφ a silnΘ tepelnΘ sßlßnφ. P°i teplotßch okolo 2000░C vydßvß t∞leso mohutn² zß°iv² tok v IR i viditelnΘ oblasti.
Zde je dobrΘ p°ipomenout dob°e znßmou teplotu chromatiΦnosti sv∞teln²ch zdroj∙. ╪ekneme-li, ₧e ₧ßrovka mß teplotu chromatiΦnosti 3200 K (Kelvin∙), myslφme tφm, ₧e vydßvanΘ sv∞tlo mß stejnΘ spektrßlnφ slo₧enφ jako sv∞tlo vydßvanΘ absolutn∞ Φern²m t∞lesem ₧haven²m na teplotu 3200 K. Z p°edchozφch odstavc∙ je doufßm jasnΘ, proΦ vyÜÜφ teplota chromatiΦnosti znamenß vyÜÜφ podφl modrΘho, tj. krßtkovlnnΘho sv∞tla.
Ji₧ krßtce po objevenφ IR zß°enφ byly konßny pokusy o jeho zachycenφ a vizualizaci. K tomuto problΘmu je mo₧no p°istupovat v zßsad∞ dv∞ma zp∙soby.
Fotografovßnφ v dalekΘ IR oblasti û termografie
P°i tomto zp∙sobu vizualizace se zachycuje vlastnφ IR zß°enφ, kterΘ vydßvajφ t∞lesa s teplotou vyÜÜφ ne₧ absolutnφ nula. K tomuto ·Φelu se pou₧φvajφ drahß elektronickß za°φzenφ, kterß slo₧it²mi detektory zachycujφ vlastnφ IR zß°enφ tepl²ch t∞les, p°evßd∞jφ je na elektrickΘ signßly a dnes v∞tÜinou takΘ digitalizujφ. Z principu v∞ci je z°ejmΘ, ₧e snφmaΦe IR zß°enφ musφ b²t chlazenΘ na teplotu podstatn∞ ni₧Üφ, ne₧ je teplota t∞les, kterß majφ b²t zobrazena. V opaΦnΘm p°φpad∞ by snφmaΦ sßm sebe äzßvojovalô, Φili zahltil by se sv²m vlastnφm tepeln²m zß°enφm.
Tato za°φzenφ jsou opravdu velmi drahß (desφtky tisφc dolar∙) a naÜla proto jen n∞kolik specifick²ch aplikacφ. Pou₧φvajφ se samoz°ejm∞ ve vojenstvφ, kdy zejmΘna teplΘ motory vozidel dßvajφ dob°e odliÜiteln² signßl od studenΘho pozadφ. Pro vojßky je takΘ d∙le₧itß skuteΦnost, ₧e tato metoda je pasivnφ û sledovan² cφl je pouze pozorovßn, nemusφ b²t ozß°en. Jako p°φklad civilnφ aplikace je mo₧no uvΘst zjiÜ¥ovßnφ tepeln²ch ·nik∙ z budov a podobn∞. Na obr. Φ. 2 je snφmek rozvodnΘho transformßtoru po°φzen² v dalekΘ IR oblasti. FaleÜnΘ barvy korespondujφ s jeho povrchovou teplotou. Obr. Φ. 3 schematicky naznaΦuje princip snφmßnφ vlastnφho tepelnΘho zß°enφ t∞les v dalekΘ IR oblasti: studenΘ pozadφ (1) vydßvß dlouhovlnnΘ IR zß°enφ. O n∞co teplejÜφ t∞leso (2) vydßvß taktΘ₧ dlouhovlnnΘ zß°enφ, ale s kratÜφ vlnovou dΘlkou. IR kamera (3) je schopna toto zß°enφ zachytit a vizualizovat ve faleÜn²ch barvßch (4).
| Obr. 2: Vlastnφ tepelnΘ zß°enφ transformßtoru,
© Horizon Energy Systems |
 | | Obr. 3: Princip snφmßnφ vlastnφho tepelnΘho zß°enφ t∞les v dalekΘ IR oblasti |
Fotografovßnφ v blφzkΘ IR oblasti û IR fotografie
Druhou mo₧nostφ jak vyu₧φt IR zß°enφ k fotografovßnφ je pou₧itφ principu znßmΘho z klasickΘ fotografie v viditelnΘm sv∞tle. FotografovanΘ p°edm∞ty jsou ozß°eny IR zß°enφm. P°edm∞ty odrß₧φ IR zß°enφ v r∙znΘ mφ°e, tak₧e zφskßme obraz ve stupnφch ÜedΘ, p°iΦem₧ odstφn ÜedΘ koresponduje s odrazivostφ p°edm∞tu v IR oblasti.
SnφmaΦe pou₧itΘ p°i tomto uspo°ßdßnφ mohou b²t podstatn∞ jednoduÜÜφ. Pokud se snφmanß scΘna oza°uje velmi krßtkovlnn²m IR zß°enφm, jeho₧ vlnovß dΘlka je °ßdov∞ kratÜφ, ne₧ vlnovß dΘlka vlastnφho IR zß°enφ vydßvanΘho snφman²mi t∞lesy, nemusφ b²t snφmaΦe chlazenΘ. Je dokonce mo₧nΘ vyrobit fotografickΘ emulze, kterΘ jsou zcitliv∞nΘ pro velmi krßtkovlnnou IR oblast û oblast le₧φcφ t∞sn∞ za Φerven²m koncem viditelnΘho spektra. A prßv∞ tyto filmy se pou₧φvajφ pro obrazovou IR fotografii.
 | | Obr. 4. Princip snφmßnφ v krßtkovlnnΘm odra₧enΘm IR zß°enφ |
Na obr. Φ. 4 je vysv∞tlen princip snφmßnφ v krßtkovlnnΘ IR oblasti: zdroj IR zß°enφ (1) oza°uje snφmanou scΘnu krßtkovlnn²m IR zß°enφm, jeho₧ vlnovß dΘlka je blφzkß ΦervenΘmu sv∞tlu. P°ipome≥me, ₧e ΦervenΘ sv∞tlo mß cca 650 nm a IR zß°enφ pou₧φvanΘ v tΘto technice mφvß 750 û 1000 nm. SnφmanΘ objekty (2, 3) se liÜφ svou odrazivostφ pro IR zß°enφ. Intenzita odra₧enΘho zß°enφ je tedy modulovßna odrazivostφ snφman²ch p°edm∞t∙, vlnovß dΘlka dopadajφcφho a odra₧enΘho zß°enφ se vÜak nem∞nφ! ModulovanΘ IR zß°enφ dopadß na detektor (film) (4) a je vizualizovßno vyvolßnφm (5). Na v²slednΘ fotografii odpovφdajφ nejsv∞tlejÜφ mφsta objekt∙m, kterΘ nejvφce odrß₧ejφ dopadajφcφ zß°enφ.
V dalÜφch dφlech se tedy budeme zab²vat v²hradn∞ fotografovßnφm v odra₧enΘm krßtkovlnnΘm IR zß°enφ.
| 
