תת-אדום

הדף "אינפרא אדום" מפנה לכאן. לערך העוסק במכשיר להסרת שיער המכונה "אינפרא אדום", ראו קרן אור (קוסמטיקה).

תמונה של כלב קטן שצולמה בעזרת שימוש באור תת-אדום עם סולם טמפרטורה

קרינה תת-אדומה או אינפרה-אדומה היא קרינה אלקטרומגנטית שאורך הגל שלה ארוך משל האור הנראה, אך קצר משל קרינת מיקרוגל. משמעות השם "אינפרה-אדומה" נעוצה במילה הלטינית infra, שמשמעותה "מתחת". אורכי הגל הכלולים בתחום מוגדרים בדרך כלל כאלה שבין 750 ננומטר (קצה גבול הראיה האנושית) ל-1 מילימטר (גבול תדרי המיקרוגל).

גוף האדם ובעלי חיים פולטים קרינת חום בתחום זה, כיוון שזהו תחום התדרים אותו פולט גוף שחור הנמצא בטמפרטורה של כמה עשרות מעלות צלזיוס.

היסטוריה

את הקרינה תת-אדומה גילה האסטרונום הבריטי ויליאם הרשל בשנת 1800, עת ערך ניסוי בו הצמיד מדחום כספית למנסרה שמפצלת אור לבן לאלומות אור בצבעים שונים. כאשר בדק את הטמפרטורה שמדד המדחום, כתוצאה מהצבעים הפוגעים בו, גילה שגם מעבר לאלומת האור האדום הנשבר דרך המנסרה, עלתה הטמפרטורה במדחום, אף שלא נראה שם צבע כלשהו.

תת-חלוקות של הספקטרום התת-אדום

העברה אטמוספרית בתחום התת-אדום. ניתן לראות את החלונות האטמוספריים, 8-14 מיקרון לדוגמה

קיימות מספר חלוקות נפוצות של הספקטרום התת-אדום, על פי התחומים השונים שמשתמשים בקרינה. התחומים השונים נגזרים מתוך החלונות האטמוספריים (ראו איור) ומתוך הטכנולוגיות שמשמשות ליצירת גלאים.

חלוקת ה-CIE

על פי המונחון של הוועדה הבינלאומית לתאורה (CIE) הספקטרום מתחלק לשלושה תת-תחומים:

• IR-A או תת-אדום קרוב (NIR): ‏750–1400 ננומטר (0.75–1.4 מיקרון), תחום שנקבע על פי בליעת אור באטמוספירה על ידי אדי מים שהיא נמוכה בתחום זה. התחום משמש בסיבים אופטיים עקב הבליעה הנמוכה בתחום זה של הסיליקה ממנה הם עשויים. התחום משמש גם לאמצעי ראיית לילה. מוליך למחצה מסוג סיליקון רגיש עד אורך גל מירבי של 1100 מיקרון, אם הוא מיוצר באופן מתאים.
• IR-B או תת-אדום קצר (SWIR): ‏1.4–3 מיקרון. תחום 1,530–1,560 הוא התחום הדומיננטי בתקשורת סיבים אופטיים לטווח רחוק, עקב הבליעה הנמוכה ביותר של הסיליקה. בתחום זה רגיש המוליך-למחצה מסוג InGaAs (אינדיום-גליום ארסניד).
• IR-C: ‏3–1000 מיקרון (0.003–1 מ"מ).

את תחום C ניתן לחלק לתת-תחומים:

• תת-אדום בינוני (MWIR) או ביניים (IIR): ‏3–8 מיקרון. תחום 3–5 מיקרון מתוכו הוא חלון אטמוספירי המשמש לטילים מונחי חום, בעיקר כאלו המתבייתים על גזי הפליטה של מטוסי סילון, ומאפשר גם תמונה של עצמים סביב טמפרטורת החדר. בתחום זה משמשים גלאי אינדיום-אנטימוניד (InSb).
• תת-אדום ארוך (LWIR) או ביניים (IIR): ‏8–15 מיקרון. תחום זה משמש לתמונות חום. בתחום ה הגלאים הם לרוב גלאים בולומטריים (ראו בהמשך).
• תת-אדום רחוק (FIR) או ביניים (IIR): ‏15–1000 מיקרון. תחום זה חופף את תחום קרינת טרה-הרץ אשר מטופלת לעיתים בתחום התת-אדום ולעיתים בתחום המיקרוגל.

מאפייני תמונות תת-אדום

כאשר צופים בעצם מסוים, הקרינה שנצפית בגלאי היא סכום הקרינה שנפלטת מהעצם (הפליטה העצמית) והחזרה של קרינת הסביבה מהעצם. על פי חוק פלאנק עבור גוף שחור, עצם חם יותר פולט קרינה רבה יותר. חוק זה נכון עבור מרבית הגופים בטבע ומעשה ידי אדם (אם כי קיימות נורות כגון LED אשר פולטות קרינה עם אופי שונה לחלוטין). עוצמת הקרינה הנקלטת בגלאי גדלה לכן עם הטמפרטורה של הסביבה ושל העצם הנצפה. פליטה עצמית תלויה בטמפרטורת החומר אך גם בתכונות החומר ופני השטח שלו. את התכונות הללו מכמתים בגודל שנקרא אמיסיביות ומסומן באות $\varepsilon$, התלוי באורך הגל, טמפרטורת העצם ופני השטח שלו (גם ברמת הליטוש). בנוסחה, סך הקרינה מהעצם היא

$I_{tot}=\varepsilon I +(1-\varepsilon)I_{env}$,

כאשר $I$ היא קרינת העצם ו-$I_{env}$ היא קרינת הסביבה.

תת אדום בינוני ורחוק: "צילום חום"

קרינה תת-אדומה - תצלום של שתי נערות

עבור מרבית העצמים הטבעיים, וגם עבור עצמים מלאכותיים (מלבד משטחים מלוטשים) האמיסיביות קרובה מאוד ל-1 (לרוב מעל 0.9). בתמונה בתת אדום מעל 3 מיקרון, מרבית הקרינה מגיעה מפליטה עצמית של העצמים, ולא מהחזרת אור הסביבה (בתנאי סביבה רגילים), מכיוון שפליטת הסביבה דומה בעוצמתה לפליטת העצם, והאמיסיביות קרובה ל-1: כלומר הגוף בולע את מרבית הקרינה שמגיעה אליו, והקרינה ממנו נובעת מהפליטה העצמית. לכן תמונה באורכי גל כאלו נקראת גם תמונת חום, וגלאים הפועלים בתחום נקראים גם גלאי חום. במקרים רבים עוצמת הקרינה מתכונתית בקירוב לטמפרטורת העצם, ואת הקרינות בנוסחה למעלה מחליפים בטמפרטורות:

$T_{tot}=\varepsilon T +(1-\varepsilon)T_{env}$.

יש לשים לב: תופעה זו נכונה בטמפרטורות הנפוצות בעולם, שהן החל מכמה מאות מעלות מתחת לאפס צלסיוס ועד כמה מאות מעלות צלסיוס. בכמה מאות מעלות גם תמונת אינפרה אדום קרוב תורכב ברובה מפליטה עצמית.

את המאפיינים הללו אפשר לראות בתמונה משמאל: הנשים חמות יותר מהסביבה, ואזורי הפנים ובייחוד העיניים חמים יותר משאר הגוף, למשל הבגדים והשער שהם מבודדי חום. אותם המאפיינים נראים גם בתמונת הכלב שלמעלה.

תת-אדום קרוב

תמונת תת-אדום קרוב מורכבת ברובה מהחזרת אור הסביבה מעצמים, כי הפליטה העצמית של עצמים בטמפרטורת החדר נמוכה מאוד ביחס למקורות תאורה: ביום השמש; בלילה הירח, אור כוכבים ואורות מלאכותיים. תמונת תת-אדום קרוב לכן תהיה שונה לחלוטין מתמונת תת-אדום רחוק שהיא תמונת חום.

בטבע

בעלי חיים שונים מסוגלים לראות אור בתדר תת-אדום. טורפים שונים, למשל, כגון נחש העכסן, משתמשים בראייה בתחום התת-אדום למעקב אחר חום הגוף של טרפם גם בשעות הלילה, או כשהטרף מסתתר בסבך.

גלאי תת-אדום

הגלאים נחלקים לשתי קבוצות עיקריות:

• גלאים פוטו-וולטאים - הם צימוד מוליכים למחצה שהוא צומת PN. חלקיק אור (פוטון) שפוגע באזור הצומת יוצר זרם, שנמדד הופך לתמונה.
• גלאים בולומטריים - גלאים בעלי התנגדות שמשתנה עם שינוי טמפרטורה. הקרינה שפוגעת בגלאי גורמת להתחממותו ולכן לשינוי ההתנגדות שלו, במידה שניתנת למדידה. התקנים רגישים מאוד מסוג זה משמשים בחקר קרינת רקע קוסמית, שהם גלאים מוליכי על בטמפרטורה שהיא על גבול המעבר בין מוליך רגיל למוליך על. במצב זה כל שינוי זעיר בטמפרטורה גורם לשינוי גדול מאוד בהתנגדות. התקנים רגישים פחות מסוג זה משמשים לתמונות בתחום 8-14 מיקרון.

איכות הגלאי נקבעת בעיקר לפי רגישותו, שנמדדת בהפרדת הטמפרטורה שלו, שנקראת NETD ‏- ‎(Noise equivalent Temperature Difference)‎ - כלומר רעש הגלאי כפי שנמדד ביחידות טמפרטורה. זהו בקירוב הפרש הטמפרטורות המינימלי שניתן להבחנה, וככל שהוא נמוך יותר הגלאי רגיש יותר. גלאים בולומטריים רגילים מגיעים לכמה מאיות של מעלה קלווין, בעוד גלאים מוליכי-על מגיעים למיליוניות של מעלה.

גורם נוסף חשוב המשפיע על איכות הגלאי הוא זמן התגובה שלו - גלאי טוב הוא בעל זמן תגובה קצר יותר.

שימושים

• ישומים אזרחיים
  • תקשורת בין מכשירים - תקשורת בין שלט רחוק למכשיר שהוא מפעיל (מכשיר טלוויזיה וכדומה) נעשה באמצעות קרני תת-אדום. העברת מידע נעשית בדרך הזו, גם בין מכשירי טלפון ניידים ומחשבי כף יד ובין התקנים נוספים, לצורך העברת מידע ממכשיר למכשיר, כך למשל אפשר בפלאפונים חכמים להעביר קבצים ממכשיר למכשיר בלחיצת מקש. שלטי הטלוויזיה הראשונים שייצרה חברת זנית, היו מבוססים על אור רגיל, מה שגרם לבעיות לא מעטות, כי הדלקת אור רגילה הייתה מפעילה את הטלוויזיה.
  • תרמוגרפיה הנדסית - בדיקה לא הורסת באמצעות מצלמת תת-אדום מיוחדת, ניתן להבחין בכשלים בבניה, בעיות ניקוז, פיצוץ בצינורות וכדומה.
  • מדידת מרחק - מדידת מרחק של עצמים נעשית באופן שגרתי במצלמות אוטו רפלקס.
  • כיבוי אש - כבאים עושים שימוש במצלמות תרמיות בחדרים אפופי עשן, כמו כן, נעשה שימוש לאחר הכיבוי לאיתור נקודות חמות מאחורי קירות, שעלולות לחדש את השריפה לאחר שכובתה.
  • עכבר מחשב - דגמים המכונים "אופטו-מכניים" משתמשים באור תת-אדום כדי למדוד את מידת התנועה של גלגלים, המסובבים על ידי הכדור שבבסיס העכבר. גם בחלק מהדגמים האופטיים נעשה שימוש באור תת-אדום כדי לשפר את מידת הדיוק של העכבר.
  • תקשורת אופטית - בקווי תקשורת העושים שימוש בסיבים אופטיים, מועבר האות באור תת-אדום.
  • חממות - בחקלאות משתמשים בקרינה התת-אדומה על מנת לחמם את הגידולים. בחממה הבנויה ממראות נכנסת הקרינה בתדירות גבוהה יחסית. המראות משמשות עצם שקוף לתדירות גבוהה, ועצם אטום לתדירות נמוכה. ולכן הקרינה נכנסת, בפנים עוברת הקרינה תמורה, ותדירותה יורדת והיא לא יכולה לצאת, וכך היא נשארת בפנים ומחממת את האוויר.

• יישומים צבאיים
  • ראיית לילה - שימוש נעשה בקרינה התת-אדומה ביישומים צבאיים לראיית לילה. מכיוון שחום הגופים שונה, מצלמות תת-אדום מסוגלות להמיר את הפרשי החום השונים לתמונה. וכך ניתן לראות תמונות שלא ניתן לראות באור רגיל, למשל אדם שמסתתר מאחורי שיח או מנוע מכונית מותנע.
  • הנחיה - כלי נשק מונחים תת-אדום. טילים מונחי תת-אדום מתבייתים על חתימות חום. וכך טיל הנורה לכיוון כללי של מטרה חמה, כמו מטוס או רכב, יכול להתביית אל מנועו. כך למשל טילי כתף מונחי תת-אדום אמורים להתביית על המפלטים הלוהטים של מנועי סילון. אמצעי נגד מוכר, הוא הנור שפולט מטוס קרב, כדי לשבש את ההתבייתות של הטילים עליו.

ראו גם

• על-סגול (אולטרה סגול)
• IrDA
• IRST (מערכת חיפוש ועקיבה תת-אדומה) - מערכת לגילוי ועקיבה אחר עצמים הפולטים קרינת תת-אדומה כגון מטוסי סילון ומסוקים.
• תקשורת אופטית

קישורים חיצוניים

מיזמי קרן ויקימדיה
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: תת-אדום

• תרמוגרפיה תת-אדומה בפורטל בנה ביתך
• עקרונות הפעולה של שלט רחוק, באתר "הארץ"
• עקרונות הצילום האוטומטי, באתר "הארץ"