Co to je a jak se chová infračervené záření

Co to je a jak se chová infračervené záření

V dnešním díle si jednoduchou a srozumitelnou formou objasníme, co to je infračervené záření, jak se chová, a jak ho lze využít k fotografování.

Elektromagnetické spektrum

Základní charakteristikou elektromagnetického vlnění je tzv. vlnová délka, označovaná většinou λ (lambda) a měřená ve vhodných délkových jednotkách (v případě viditelného světla nanometry, tj. 10-9 m). Velmi jednoduše řečeno, vlnová délka nám říká, jak „dlouhá je vzdálenost mezi dvěma hřbety vln“. Analogickou veličinou je frekvence – veličina říkající nám, kolikrát vlna kmitne za 1 sekundu.

Roztřídíme-li si vlnové délky záření vydávaného určitým zdrojem a zjistíme-li si intenzity záření na těchto jednotlivých vlnových délkách, dostaneme tzv. spektrum. Na obr. č. 1 je schematicky naznačen obor vlnových délek celého elektromagnetického spektra – od nejkratších po ty nejdelší. Uzounkou oblast mezi 400 až 700 nm můžeme vnímat zrakem a tento obor elektromagnetického záření jsme nazvali světlo.

Obr. 1: Elektromagnetické spektrum

Světlo, infračervené záření a teplo

Jakmile bylo prokázáno, že elektromagnetické spektrum za hranicemi viditelného světla kontinuálně pokračuje ke kratším i delším vlnovým délkám, bylo třeba tato záření nějak pojmenovat. Řešení se nabízelo přímo samo a vznikly tak termíny pro záření ultrafialové („nad fialovou“, zkratka UV z anglického ultraviolet) a infračervené („pod červenou“, zkratka IR z anglického infrared). Připomeňme ještě, že UV záření má větší energii než světlo a IR záření menší energii.

Empirické zkušenosti získané při jednouchých pokusech naznačovaly, že viditelné a infračervené záření spolu úzce souvisí a navíc souvisí s vjemem tepla. Představme si těleso, jehož teplotu můžeme měnit v širokém rozpětí – např. vlákno žárovky. Při opravdu velmi malém procházejícím proudu se vlákno chová spíše jako odporový drát a zahřeje se. Zvýšíme-li procházející proud, zvýší se i jeho teplota, vlákno začne temně rudě žhnout a v jeho blízkosti máme pocit sálajícího tepla. Teplo se přitom šíří i ve vakuu – šíření není tedy způsobené ohřevem okolního vzduchu, nýbrž zářením. Při větší proudu se vlákno rozžhaví a vydává žluté světlo, při ještě větším proudu se vlákno rozžhaví více a vydává oslňující bílé světlo

Tyto empirické poznatky dlouhou doby zaměstnávaly fyziky, kteří je nebyli schopni uspokojivě vysvětlit. Na začátku minulého století se fyzika s tímto problémem dostala do opravdových potíží a vžil se termín „ultrafialová katastrofa“. Pak ovšem přišli pánové Planck a Einstein a nebohou fyziku zachránili kvantovou teorií.

Při největším možném zjednodušení lze celou věc vysvětlit takto: mějme těleso, které energii pouze vyzařuje – tzv. absolutně černé těleso. Z vnějšku dodaná energie (např. elektrická použitá k jeho žhavení) způsobí zvýšení intenzity pohybu molekul tvořící těleso. Rychleji kmitající a vibrující částice mají teď více energie, jsou proto méně stabilní a rády by se této přebytečné energie zbavily. Jak to udělají? Vyzáří ji! Při vzájemných srážkách molekuly přecházejí na nižší vibrační a rotační energetické hladiny a přebytečnou energii vyzařují do okolního prostředí jako záření. A teď pozor: energie, kterou částice při srážce ztratí se rovná energii vzniklého kvanta záření. Čili hodně rozkmitané atomy a molekuly vyzařují vysokoenergetické kvanta, tj. viditelné světlo a UV záření. Málo rozkmitané molekuly vyzařují nízkoenergetické kvanta, tj. IR záření.

Důsledek je následující: při absolutní nule by se zastavil pohyb atomů a molekul a těleso by nevydávalo žádné elektromagnetické záření. Každé těleso, jehož teplota je vyšší než absolutní nula, však vyzařuje elektromagnetické záření. Vlnová délka tohoto záření závisí na teplotě. Čím je teplota tělesa vyšší, tím je vlnová délka vydávaného záření kratší. Při nízkých teplotách vydává těleso tzv. daleké IR záření. Při vyšších teplotách vydává těleso blízké IR záření a my vnímáme sálavé teplo. Při teplotě okolo 600°C vydává těleso mohutný tok blízkého IR záření a začíná vydávat červené světlo – my vnímáme rudé žhnutí a silné tepelné sálání. Při teplotách okolo 2000°C vydává těleso mohutný zářivý tok v IR i viditelné oblasti.

Zde je dobré připomenout dobře známou teplotu chromatičnosti světelných zdrojů. Řekneme-li, že žárovka má teplotu chromatičnosti 3200 K (Kelvinů), myslíme tím, že vydávané světlo má stejné spektrální složení jako světlo vydávané absolutně černým tělesem žhaveným na teplotu 3200 K. Z předchozích odstavců je doufám jasné, proč vyšší teplota chromatičnosti znamená vyšší podíl modrého, tj. krátkovlnného světla.

Již krátce po objevení IR záření byly konány pokusy o jeho zachycení a vizualizaci. K tomuto problému je možno přistupovat v zásadě dvěma způsoby.

Fotografování v daleké IR oblasti – termografie

Při tomto způsobu vizualizace se zachycuje vlastní IR záření, které vydávají tělesa s teplotou vyšší než absolutní nula. K tomuto účelu se používají drahá elektronická zařízení, která složitými detektory zachycují vlastní IR záření teplých těles, převádějí je na elektrické signály a dnes většinou také digitalizují. Z principu věci je zřejmé, že snímače IR záření musí být chlazené na teplotu podstatně nižší, než je teplota těles, která mají být zobrazena. V opačném případě by snímač sám sebe „závojoval“, čili zahltil by se svým vlastním tepelným zářením.

Tato zařízení jsou opravdu velmi drahá (desítky tisíc dolarů) a našla proto jen několik specifických aplikací. Používají se samozřejmě ve vojenství, kdy zejména teplé motory vozidel dávají dobře odlišitelný signál od studeného pozadí. Pro vojáky je také důležitá skutečnost, že tato metoda je pasivní – sledovaný cíl je pouze pozorován, nemusí být ozářen. Jako příklad civilní aplikace je možno uvést zjišťování tepelných úniků z budov a podobně. Na obr. č. 2 je snímek rozvodného transformátoru pořízený v daleké IR oblasti. Falešné barvy korespondují s jeho povrchovou teplotou. Obr. č. 3 schematicky naznačuje princip snímání vlastního tepelného záření těles v daleké IR oblasti: studené pozadí (1) vydává dlouhovlnné IR záření. O něco teplejší těleso (2) vydává taktéž dlouhovlnné záření, ale s kratší vlnovou délkou. IR kamera (3) je schopna toto záření zachytit a vizualizovat ve falešných barvách (4).

Obr. 2: Vlastní tepelné záření transformátoru.

Obr. 3: Princip snímání vlastního tepelného záření těles v daleké IR oblasti

Fotografování v blízké IR oblasti – IR fotografie

Druhou možností jak využít IR záření k fotografování je použití principu známého z klasické fotografie v viditelném světle. Fotografované předměty jsou ozářeny IR zářením. Předměty odráží IR záření v různé míře, takže získáme obraz ve stupních šedé, přičemž odstín šedé koresponduje s odrazivostí předmětu v IR oblasti.

Snímače použité při tomto uspořádání mohou být podstatně jednodušší. Pokud se snímaná scéna ozařuje velmi krátkovlnným IR zářením, jehož vlnová délka je řádově kratší, než vlnová délka vlastního IR záření vydávaného snímanými tělesy, nemusí být snímače chlazené. Je dokonce možné vyrobit fotografické emulze, které jsou zcitlivěné pro velmi krátkovlnnou IR oblast – oblast ležící těsně za červeným koncem viditelného spektra. A právě tyto filmy se používají pro obrazovou IR fotografii.

Obr. 4. Princip snímání v krátkovlnném odraženém IR záření

Na obr. č. 4 je vysvětlen princip snímání v krátkovlnné IR oblasti: zdroj IR záření (1) ozařuje snímanou scénu krátkovlnným IR zářením, jehož vlnová délka je blízká červenému světlu. Připomeňme, že červené světlo má cca 650 nm a IR záření používané v této technice mívá 750 – 1000 nm. Snímané objekty (2, 3) se liší svou odrazivostí pro IR záření. Intenzita odraženého záření je tedy modulována odrazivostí snímaných předmětů, vlnová délka dopadajícího a odraženého záření se však nemění! Modulované IR záření dopadá na detektor (film) (4) a je vizualizováno vyvoláním (5). Na výsledné fotografii odpovídají nejsvětlejší místa objektům, které nejvíce odrážejí dopadající záření.

V dalších dílech se tedy budeme zabývat výhradně fotografováním v odraženém krátkovlnném IR záření.