Infrarossi (Infrared)

infrarossi (IR), noti anche come luce infrarossa, costituiscono una forma di radiazione elettromagnetica (EMR) caratterizzata da lunghezze d'onda superiori a quelle della luce visibile ma più corte delle microonde. Questa banda spettrale inizia a lunghezze d’onda immediatamente superiori a quelle della luce rossa – le onde più lunghe all’interno dello spettro visibile – rendendo l’IR impercettibile alla visione umana. Secondo gli standard ISO e CIE, l'IR comprende tipicamente lunghezze d'onda che vanno da circa 780 nm (380 THz) a 1 mm (300 GHz). La radiazione infrarossa è convenzionalmente classificata in IR termica a lunghezza d'onda maggiore, proveniente da emettitori terrestri, e IR a lunghezza d'onda più corta, o IR vicino, che costituisce una componente dello spettro solare. Le lunghezze d'onda all'interno della gamma IR più lunga (30–100 μm) sono occasionalmente classificate nella banda di radiazione terahertz. La stragrande maggioranza della radiazione del corpo nero emessa da oggetti a temperatura ambiente rientra nello spettro IR. Come modalità EMR, l'IR trasmette energia e quantità di moto, esercita pressione di radiazione e mostra caratteristiche coerenti sia con il comportamento ondulatorio che con le proprietà simili a particelle, in particolare come un fotone.

L'emissione di calore invisibile dagli incendi è stata riconosciuta da secoli; nel 1681, il pioniere sperimentatore Edme Mariotte dimostrò che il vetro, nonostante la sua trasparenza alla luce solare, bloccava efficacemente il calore radiante. Nel 1800, l'astronomo Sir William Herschel identificò la radiazione infrarossa come una componente spettrale invisibile con energia inferiore rispetto alla luce rossa, rilevandone la presenza attraverso il suo impatto termico su un termometro. Successive indagini, basate sul lavoro di Herschel, hanno rivelato che oltre la metà dell'energia totale del Sole che raggiunge la Terra arriva sotto forma di radiazione infrarossa. L'equilibrio tra la radiazione infrarossa assorbita ed emessa influenza in modo significativo il sistema climatico della Terra.

Le molecole emettono o assorbono la radiazione infrarossa durante le transizioni nei loro movimenti rotatorio-vibrazionali. Questa radiazione eccita le modalità vibrazionali molecolari attraverso alterazioni del momento dipolare, stabilendo così un prezioso intervallo di frequenze per studiare questi stati energetici nelle molecole che possiedono un'appropriata simmetria. La spettroscopia a infrarossi è una tecnica che analizza l'assorbimento e la trasmissione dei fotoni all'interno dello spettro infrarosso.

La radiazione infrarossa trova ampia utilità nei settori industriale, scientifico, militare, commerciale e medico. I sistemi di visione notturna che impiegano un'illuminazione attiva nel vicino infrarosso consentono l'osservazione di individui o animali mantenendo l'occultamento dell'osservatore. L’astronomia a infrarossi sfrutta telescopi dotati di sensori per attraversare regioni cosmiche opache e polverose, comprese le nubi molecolari, facilitando il rilevamento di corpi celesti come i pianeti e l’osservazione di oggetti con elevato spostamento verso il rosso dagli stadi nascenti dell’universo. Le termocamere a infrarossi vengono utilizzate per identificare la dissipazione del calore nei sistemi isolati, monitorare le variazioni del flusso sanguigno cutaneo, aiutare nelle operazioni antincendio e individuare i componenti elettrici surriscaldati. Sia le applicazioni militari che quelle civili comprendono l'acquisizione di bersagli, la sorveglianza, le capacità di visione notturna, i meccanismi di homing e i sistemi di tracciamento. La radiazione primaria emessa dagli esseri umani a temperatura corporea normale avviene a lunghezze d'onda di circa 10 μm. Le applicazioni civili si estendono ulteriormente all'analisi dell'efficienza termica, alla sorveglianza ambientale, alle ispezioni delle infrastrutture industriali, all'identificazione di operazioni di coltivazione illecite, alla misurazione remota della temperatura, alla trasmissione di dati wireless a corto raggio, all'analisi spettroscopica e alla previsione meteorologica.

Definizione e relazione dello spettro elettromagnetico

Una definizione universalmente accettata per l'esatto intervallo spettrale della radiazione infrarossa rimane sfuggente. Convenzionalmente, si ritiene che la sua estensione si estenda dal confine rosso nominale dello spettro visibile, a 780 nm, fino a 1 mm. Questo intervallo di lunghezze d'onda è correlato a una gamma di frequenze compresa tra circa 430 THz e 300 GHz. Il segmento delle microonde dello spettro elettromagnetico si trova oltre la gamma degli infrarossi. Tuttavia, la radiazione terahertz viene progressivamente classificata all'interno della banda delle microonde anziché dell'infrarosso, spostando così il limite superiore della banda dell'infrarosso a 0,1 mm (3 THz).

Caratteristiche

La luce solare, che possiede una temperatura effettiva di 5.780 K (5.510 °C, 9.940 °F), comprende radiazioni dello spettro quasi termico, con gli infrarossi che rappresentano poco più della metà della sua composizione totale. Al suo zenit, la radiazione solare fornisce un irraggiamento superiore a 1 kW per metro quadrato al livello del mare. Questa distribuzione di energia comprende 527 W di radiazioni infrarosse, 445 W di luce visibile e 32 W di radiazioni ultraviolette. Praticamente tutta la radiazione infrarossa solare rientra nello spettro del vicino infrarosso, caratterizzato da lunghezze d'onda inferiori a 4μm.

A temperature significativamente più basse rispetto alla superficie solare, la superficie terrestre emette radiazioni termiche principalmente nello spettro del medio infrarosso, caratterizzato da lunghezze d'onda considerevolmente più lunghe di quelle riscontrate nella luce solare. Sia la radiazione del corpo nero che quella termica sono fenomeni continui, che emettono attraverso l'intero spettro elettromagnetico. Tra le fonti naturali di radiazione termica, solo i fulmini e gli incendi generano una notevole energia visibile; tuttavia, gli incendi emettono prevalentemente radiazioni infrarosse anziché luce visibile.

Regioni spettrali

Gli oggetti in genere emettono radiazioni infrarosse attraverso un ampio spettro di lunghezze d'onda; tuttavia, le applicazioni pratiche spesso si concentrano su una regione spettrale limitata, poiché i sensori sono progettati per rilevare la radiazione entro larghezze di banda specifiche. Secondo la legge di spostamento di Wien, la radiazione termica infrarossa presenta una lunghezza d'onda di emissione di picco che è inversamente proporzionale alla temperatura assoluta dell'oggetto. Lo spettro infrarosso è spesso segmentato in bande più strette, sebbene gli schemi di divisione specifici varino a seconda del dominio di applicazione.

Limite visibile

La radiazione infrarossa è convenzionalmente definita come radiazione elettromagnetica con lunghezze d'onda superiori a quelle percepibili dall'occhio umano. Tuttavia, non esiste un limite definitivo di lunghezza d'onda per la visione umana, poiché la sensibilità oculare diminuisce progressivamente oltre i 700 nm circa. Di conseguenza, lunghezze d'onda leggermente più lunghe di questa soglia possono essere percepite se la loro intensità è sufficientemente elevata, nonostante siano classificate come infrarossi dalle definizioni standard. Ad esempio, la luce laser nel vicino infrarosso può apparire come un debole bagliore rosso e rappresenta un potenziale pericolo a causa della sua capacità di trasmettere una notevole energia. In circostanze specifiche, gli esseri umani possono persino rilevare la radiazione infrarossa del laser pulsato con lunghezze d'onda che si estendono fino a 1.050 nm.

Schema di suddivisione comunemente utilizzato

Uno schema di suddivisione prevalente include:

La banda combinata del vicino infrarosso (NIR) e dell'infrarosso a onde corte (SWIR) è talvolta denominata infrarosso riflesso, mentre la banda dell'infrarosso a onde medie (MWIR) e dell'infrarosso a onde lunghe (LWIR) è spesso designata come infrarosso termico.

Schema divisione CIE

La Commissione Internazionale per l'Illuminazione (CIE) ha proposto la seguente divisione in tre bande per la radiazione infrarossa:

Schema ISO 20473

ISO 20473 delinea il successivo schema di classificazione:

Schema della divisione astronomica

Gli astronomi classificano comunemente lo spettro infrarosso nei seguenti segmenti:

Queste classificazioni non sono definite in modo rigido e possono differire a seconda delle varie pubblicazioni. Ognuna di queste tre regioni viene utilizzata per osservare intervalli di temperatura distinti, facilitando così lo studio di diversi ambienti cosmici.

In astronomia, il sistema fotometrico predominante assegna lettere maiuscole a varie regioni spettrali in base ai filtri utilizzati. Nello specifico, I, J, H e K indicano le lunghezze d'onda del vicino infrarosso, mentre L, M, N e Q corrispondono alla regione del medio infrarosso. Queste designazioni sono ampiamente riconosciute in relazione alle finestre atmosferiche e compaiono spesso nei titoli di numerose pubblicazioni accademiche.

Schema della divisione della risposta del sensore

Un terzo schema di classificazione segmenta la banda dell'infrarosso in base alle caratteristiche operative dei diversi rilevatori:

• Vicino infrarosso (NIR): compreso tra 0,7 e 1,0 μm, questo intervallo si estende dal limite approssimativo della sensibilità dell'occhio umano al limite operativo dei rilevatori al silicio.
• Infrarossi a onde corte (SWIR): comprendendo da 1,0 a 3 μm, questa regione si estende dal limite del rilevatore di silicio alla finestra atmosferica degli infrarossi a onde medie (MWIR). I rilevatori di arseniuro di indio e gallio (InGaAs) funzionano tipicamente fino a circa 1,8 μm, mentre per questo intervallo spettrale vengono utilizzati rilevatori di sale di piombo meno sensibili. I rilevatori di tellururo di mercurio-cadmio (MCT) raffreddati criogenicamente sono in grado di rilevare radiazioni nell'intervallo 1,0-2,5 μm.
• Infrarosso a onde medie (MWIR): compresa tra 3 e 5 μm, questa banda è caratterizzata da una finestra atmosferica e viene rilevata da materiali come antimoniuro di indio (InSb), tellururo di mercurio-cadmio (HgCdTe) e, in parte, seleniuro di piombo (PbSe).
• Infrarossi a onda lunga (LWIR): con un'estensione compresa tra 8 e 12 μm, o talvolta tra 7 e 14 μm, questa finestra atmosferica è generalmente coperta da rilevatori di HgCdTe e microbolometri.
• Infrarosso a onda molto lunga (VLWIR): estendendosi da 12 a circa 30 μm, questa regione viene rilevata utilizzando silicio drogato.

La regione del vicino infrarosso rappresenta la gamma spettrale con lunghezze d'onda più vicine a quelle percepibili dall'occhio umano. Al contrario, le regioni del medio e del lontano infrarosso sono progressivamente più distanti dallo spettro visibile. Le definizioni alternative si basano su meccanismi fisici distinti, come picchi di emissione, bande specifiche o assorbimento di acqua, mentre le classificazioni più recenti sono guidate da considerazioni tecniche, incluso l'intervallo di sensibilità dei comuni rilevatori al silicio (fino a circa 1.050 nm) e dei rilevatori InGaAs (che in genere iniziano la sensibilità intorno a 950 nm e si estendono tra 1.700 e 2.600 nm, a seconda della loro configurazione specifica). Attualmente non esistono standard internazionali per queste specifiche specifiche.

Il confine preciso tra luce visibile e infrarossa rimane indefinito, con vari standard che in genere collocano l'inizio della radiazione infrarossa tra 700 nm e 800 nm. La sensibilità oculare umana diminuisce significativamente per lunghezze d'onda superiori a 700 nm, rendendo le lunghezze d'onda più lunghe in gran parte impercettibili nelle scene illuminate da fonti convenzionali. Tuttavia, le radiazioni del vicino infrarosso (NIR) molto intense, come quelle dei laser, dei LED o della luce del giorno filtrata, possono essere rilevate fino a circa 780 nm e vengono percepite come rosse. Inoltre, potenti sorgenti luminose che emettono lunghezze d'onda fino a 1.050 nm possono apparire come un debole bagliore rosso, ponendo sfide per l'illuminazione NIR in ambienti con scarsa illuminazione; questo problema viene tipicamente mitigato attraverso tecniche di illuminazione indiretta. In particolare, il fogliame mostra un'elevata riflettività nello spettro NIR. Eliminando la dispersione della luce visibile attorno a un filtro a infrarossi e consentendo l'adattamento oculare all'immagine estremamente fioca trasmessa attraverso un filtro fotografico visivamente opaco che passa l'IR, gli osservatori possono percepire l'effetto legno, caratterizzato da fogliame luminoso nell'infrarosso.

Bande di telecomunicazione

Nei sistemi di comunicazione ottica, lo spettro infrarosso utilizzato è segmentato in sette bande distinte, una classificazione basata sulla disponibilità di sorgenti luminose, sulle proprietà dei materiali trasmittenti/assorbenti (ad esempio, fibre ottiche) e sulle caratteristiche del rilevatore.

La banda C predomina nelle reti di telecomunicazioni a lunga distanza. Al contrario, le bande S ed L si basano su tecnologie meno mature e di conseguenza presentano un'implementazione più limitata.

Calore

Sebbene la radiazione infrarossa sia comunemente definita "radiazione di calore", è importante notare che tutte le onde elettromagnetiche, indipendentemente dalla frequenza, inducono riscaldamento nelle superfici che le assorbono. La radiazione infrarossa solare contribuisce per circa il 49% al riscaldamento della Terra, mentre la restante parte è attribuita all'assorbimento della luce visibile seguito dalla riemissione a lunghezze d'onda maggiori. Ad esempio, la luce visibile o i laser ultravioletti possono carbonizzare la carta e gli oggetti incandescenti emettono radiazioni visibili. Gli oggetti a temperatura ambiente emettono principalmente radiazioni nella banda da 8 a 25 μm; tuttavia, questo fenomeno non è fondamentalmente distinto dalla luce visibile emessa da corpi incandescenti o dalla radiazione ultravioletta proveniente da fonti ancora più calde (fare riferimento alla radiazione del corpo nero e alla legge di spostamento di Wien).

Il calore rappresenta l'energia in transito, guidata da un differenziale di temperatura. A differenza della conduzione o convezione termica, la radiazione termica possiede la capacità unica di propagarsi attraverso il vuoto. Questa radiazione è definita da uno specifico spettro multilunghezza d'onda, originato dalle vibrazioni molecolari all'interno di un oggetto ad una particolare temperatura. Mentre la radiazione termica può essere emessa attraverso l’intero spettro elettromagnetico, a temperature estremamente elevate, i suoi spettri associati si estendono significativamente oltre l’infrarosso, comprendendo le regioni visibili, ultraviolette e persino dei raggi X (ad esempio, la corona solare). Di conseguenza, la comune associazione della radiazione infrarossa con la radiazione termica è semplicemente casuale, derivante dalle temperature relativamente basse prevalenti vicino alla superficie terrestre.

Per comprendere le emissioni infrarosse degli oggetti è necessario comprendere il concetto di emissività. L'emissività quantifica come la radiazione termica di una superficie diverge da quella di un corpo nero ideale. Ad esempio, due oggetti alla stessa temperatura fisica possono presentare immagini infrarosse diverse se la loro emissività varia. Nello specifico, data un'impostazione di emissività fissa, gli oggetti con emissività maggiore verranno registrati come più caldi, mentre quelli con emissività inferiore appariranno più freddi, presupponendo che l'ambiente ambientale sia più freddo degli oggetti osservati. Gli oggetti che mostrano un'emissività imperfetta possiedono anche proprietà riflettenti e/o trasparenti, che portano alla riflessione o trasmissione parziale della temperatura ambientale circostante attraverso l'oggetto. Al contrario, in un ambiente più caldo, un oggetto con emissività inferiore, pur trovandosi alla stessa temperatura, apparirebbe probabilmente più caldo di una controparte più emissiva. Di conseguenza, una selezione imprecisa dell'emissività e la mancata considerazione della temperatura ambiente daranno luogo a misurazioni errate quando si utilizzano termocamere e pirometri a infrarossi.

Applicazioni

Visione notturna

La radiazione infrarossa viene utilizzata nelle apparecchiature per la visione notturna durante i periodi di illuminazione visibile insufficiente. I dispositivi per la visione notturna funzionano convertendo i fotoni della luce ambientale in elettroni, che vengono successivamente amplificati attraverso processi chimici ed elettrici e quindi riconvertiti in luce visibile. Le fonti di luce a infrarossi possono integrare la luce ambientale disponibile per la conversione da parte di questi dispositivi, migliorando così la visibilità nell'oscurità senza utilizzare una fonte di luce visibile.

È fondamentale differenziare l'applicazione della luce a infrarossi e dei dispositivi per la visione notturna dall'imaging termico, che genera immagini basate sulle variazioni della temperatura superficiale rilevando la radiazione infrarossa (calore) emessa dagli oggetti e dall'ambiente circostante.

Termografia

La radiazione infrarossa può essere utilizzata per accertare a distanza la temperatura degli oggetti, a condizione che la loro emissività sia nota. Questa tecnica è denominata termografia; per oggetti estremamente caldi nello spettro del vicino infrarosso (NIR) o visibile, si parla di pirometria. Sebbene la termografia (immagine termica) sia utilizzata principalmente nei settori militare e industriale, la tecnologia sta penetrando sempre più nel mercato consumer, in particolare come termocamere a infrarossi nelle automobili, grazie a sostanziali riduzioni dei costi di produzione.

Le termocamere percepiscono le radiazioni nella gamma infrarossa dello spettro elettromagnetico (circa 9.000-14.000 nm o 9-14 μm) e generano immagini corrispondenti. Poiché tutti gli oggetti emettono radiazioni infrarosse proporzionalmente alla loro temperatura, secondo la legge sulla radiazione del corpo nero, la termografia consente la percezione di un ambiente indipendentemente dall'illuminazione visibile. La quantità di radiazione emessa da un oggetto è direttamente proporzionale alla sua temperatura, facilitando così la visualizzazione delle differenze di temperatura.

Imaging iperspettrale

Un'immagine iperspettrale costituisce un cubo di dati che racchiude uno spettro continuo attraverso un ampio intervallo spettrale in ciascun pixel. L'imaging iperspettrale sta diventando sempre più significativo nel campo della spettroscopia applicata, in particolare nelle regioni spettrali del vicino infrarosso (NIR), dell'infrarosso a onde corte (SWIR), dell'infrarosso a onde medie (MWIR) e dell'infrarosso a onde lunghe (LWIR). Le applicazioni comuni comprendono misurazioni biologiche, mineralogiche, di difesa e industriali.

L'imaging iperspettrale a infrarossi termici può essere condotto in modo analogo utilizzando una fotocamera termografica, con la differenza fondamentale che ogni pixel contiene uno spettro completo dell'infrarosso a onde lunghe (LWIR). Di conseguenza, l'identificazione chimica di un oggetto può essere eseguita senza richiedere una fonte di luce esterna, come il Sole o la Luna. Tali telecamere sono comunemente utilizzate nelle misurazioni geologiche, nella sorveglianza esterna e nelle applicazioni di veicoli aerei senza pilota (UAV).

Altre tecniche di imaging

Nella fotografia a infrarossi, vengono utilizzati filtri a infrarossi per registrare lo spettro del vicino infrarosso. Le fotocamere digitali spesso incorporano dispositivi di blocco degli infrarossi. Tuttavia, le fotocamere digitali e i cellulari con fotocamera più economici possiedono filtri meno efficienti e sono in grado di percepire un'intensa radiazione nel vicino infrarosso, che si manifesta come un colore bianco-viola brillante. Questo effetto è particolarmente evidente quando si fotografano soggetti in prossimità di fonti di infrarossi intensi, come le lampade, dove l'interferenza infrarossa risultante può ridurre la qualità dell'immagine. Un'altra tecnica, nota come imaging a raggi T, utilizza radiazioni del lontano infrarosso o terahertz. La scarsità di fonti potenti può rendere la fotografia terahertz più ardua rispetto a molte altre tecniche di imaging a infrarossi. Recentemente, l'imaging a raggi T ha raccolto una notevole attenzione grazie ai recenti progressi, inclusa la spettroscopia nel dominio del tempo terahertz.

Tracciamento

Il tracciamento a infrarossi, noto anche come homing a infrarossi, costituisce un sistema di guida missilistica passiva che utilizza la radiazione infrarossa emessa da un bersaglio come guida. I missili che impiegano la ricerca dell'infrarosso sono spesso chiamati "cercatori di calore" perché l'infrarosso viene emesso intensamente da fonti termiche. Numerosi oggetti, tra cui corpi umani, motori di veicoli e aerei, producono calore, creando così un contrasto termico con sfondi più freddi.

Riscaldamento

La radiazione infrarossa può fungere da fonte di calore intenzionale. Viene utilizzato, ad esempio, nelle saune a infrarossi per riscaldare gli occupanti. Può anche essere utilizzato in altre applicazioni di riscaldamento, ad esempio per facilitare la rimozione del ghiaccio dalle ali degli aerei (sghiacciamento).

Il riscaldamento a infrarossi sta inoltre guadagnando sempre più importanza nei processi di produzione industriale, ad esempio nella polimerizzazione del rivestimento, nello stampaggio della plastica, nella ricottura, nella saldatura della plastica e nell'asciugatura della stampa. In queste applicazioni, i riscaldatori a infrarossi fungono da alternative ai forni a convezione e ai metodi di riscaldamento per contatto.

Raffreddamento

Una vasta gamma di tecnologie esistenti e proposte sfruttano le emissioni infrarosse per il raffreddamento di edifici e altri sistemi. La regione dell’infrarosso a onda lunga (LWIR), che si estende da 8 a 15 μm, è particolarmente vantaggiosa perché parte della radiazione a queste lunghezze d’onda può fuoriuscire nello spazio attraverso la finestra dell’infrarosso dell’atmosfera. Questo meccanismo consente alle superfici di raffreddamento radiativo diurno passivo (PDRC) di raggiungere temperature di raffreddamento sub-ambientali anche sotto l’irradiazione solare diretta, facilitando così la dissipazione del calore dalla Terra allo spazio esterno senza richiedere input di energia o generare sostanze inquinanti. Le superfici PDRC sono progettate per massimizzare la riflettanza solare a onde corte, riducendo così al minimo l'assorbimento di calore, sostenendo allo stesso tempo un robusto trasferimento di calore mediante radiazione termica infrarossa a onda lunga (LWIR). Su scala globale, questo metodo di raffreddamento è stato ipotizzato come una strategia per mitigare e potenzialmente invertire il riscaldamento globale, con alcune proiezioni che suggeriscono che una copertura della superficie globale dell'1-2% potrebbe essere sufficiente per riequilibrare i flussi di calore globali.

Comunicazioni

La trasmissione di dati a infrarossi (IR) trova applicazione anche nella comunicazione a corto raggio tra periferiche di computer e assistenti digitali personali. Questi dispositivi in ​​genere aderiscono agli standard promulgati dalla Infrared Data Association (IrDA). I telecomandi e i dispositivi IrDA utilizzano diodi emettitori di luce a infrarossi (LED) per emettere radiazioni infrarosse, che possono essere focalizzate da una lente in un raggio diretto puntato su un rilevatore. Questo raggio è modulato, cioè si accende e si spegne rapidamente, secondo un codice specifico che poi il ricevitore interpreta. Per considerazioni pratiche, viene comunemente utilizzato l'infrarosso molto vicino (sotto gli 800 nm). Questa lunghezza d'onda viene rilevata in modo efficiente da fotodiodi al silicio economici, che convertono la radiazione incidente in corrente elettrica. Il segnale elettrico risultante viene quindi elaborato attraverso un filtro passa-alto, che preserva le pulsazioni rapide provenienti dal trasmettitore IR attenuando al contempo la radiazione infrarossa a variazione lenta proveniente da sorgenti ambientali. I sistemi di comunicazione a infrarossi sono particolarmente vantaggiosi per le applicazioni interne in ambienti densamente popolati. Poiché la radiazione IR non penetra nelle pareti, impedisce l'interferenza con altri dispositivi situati nelle stanze adiacenti. Gli infrarossi rimangono il metodo predominante per i telecomandi per il funzionamento degli apparecchi elettronici. Protocolli specifici di controllo remoto a infrarossi, come RC-5 e SIRC, facilitano la comunicazione tramite segnali a infrarossi.

La comunicazione ottica nello spazio libero che utilizza laser a infrarossi offre un metodo relativamente economico per stabilire collegamenti di comunicazione in ambienti urbani, raggiungendo velocità fino a 4 gigabit/s, soprattutto se confrontato con i costi di implementazione del cavo in fibra ottica. Tuttavia, questo vantaggio è compensato dal potenziale danno da radiazioni. Una preoccupazione significativa è che l'occhio umano non è in grado di rilevare la radiazione infrarossa, il che significa che le risposte protettive naturali come il battito delle palpebre o la chiusura degli occhi, che potrebbero altrimenti mitigare o prevenire i danni, potrebbero non verificarsi.

I laser a infrarossi fungono da fonte di luce per i sistemi di comunicazione in fibra ottica. Per le fibre di silice standard, le lunghezze d'onda vicine a 1.330 nm (che offrono una dispersione minima) o 1.550 nm (che forniscono una trasmissione ottimale) sono considerate le selezioni più adatte.

La trasmissione di dati IR di versioni audio di segnali stampati è attualmente oggetto di studio come tecnologia di assistenza per persone ipovedenti, in particolare nel quadro del progetto Segnaletica acustica a infrarossi a distanza. Il processo di trasmissione dei dati a infrarossi tra dispositivi viene talvolta definito "trasmissione".

Gli infrarossi vengono occasionalmente utilizzati per applicazioni audio assistive, fungendo da alternativa ai tradizionali circuiti di induzione audio.

Spettroscopia

La spettroscopia vibrazionale infrarossa è una tecnica utilizzata per l'identificazione molecolare attraverso l'analisi dei legami chimici che li costituiscono. Ogni legame chimico all'interno di una molecola presenta una frequenza vibrazionale caratteristica. I gruppi atomici all'interno di una molecola (ad esempio CH₂) possono possedere varie modalità di oscillazione, derivanti dai movimenti collettivi di allungamento e flessione del gruppo. Se un'oscillazione induce un cambiamento nel momento di dipolo della molecola, questa assorbirà un fotone di frequenza corrispondente. Le frequenze vibrazionali della maggior parte delle molecole si allineano con quelle della luce infrarossa. Questa tecnica viene tipicamente applicata per analizzare composti organici, utilizzando la radiazione della banda del medio infrarosso, in particolare tra 4.000 e 400 cm⁻¹. Successivamente viene registrato uno spettro completo che descrive in dettaglio tutte le frequenze di assorbimento all'interno di un campione. Questo spettro fornisce informazioni sulla composizione del gruppo chimico del campione e sulla sua purezza; ad esempio, un campione idratato presenterà un'ampia banda di assorbimento OH intorno a 3200 cm⁻¹. L'unità utilizzata per la radiazione in questo contesto, cm⁻¹, è nota come numero d'onda spettroscopico, che rappresenta la frequenza divisa per la velocità della luce nel vuoto.

Metrologia a film sottile

Nel settore dei semiconduttori, la radiazione infrarossa funge da strumento diagnostico per materiali come film sottili e strutture di trincee periodiche. La misurazione della riflettanza della luce dalla superficie di un wafer semiconduttore consente la determinazione dell'indice di rifrazione (n) e del coefficiente di estinzione (k) attraverso l'applicazione delle equazioni di dispersione di Forouhi-Bloomer. Inoltre, la riflettanza infrarossa facilita la valutazione delle dimensioni critiche, della profondità e degli angoli delle pareti laterali nelle strutture di trincee con proporzioni elevate.

Meteorologia

I satelliti meteorologici, dotati di radiometri a scansione, generano immagini termiche o a infrarossi, che consentono ad analisti esperti di accertare altitudini e classificazioni delle nuvole, calcolare le temperature della terra e delle acque superficiali e individuare le caratteristiche della superficie oceanica. Questa scansione funziona tipicamente nell'intervallo 10,3-12,5 μm, utilizzando i canali IR4 e IR5.

Le nuvole ad alta quota e dalla sommità fredda, inclusi cicloni e formazioni cumulonembi, sono spesso renderizzate in rosso o nero. Al contrario, le nuvole più calde e più basse come gli strati o gli stratocumuli appaiono in blu o grigio, con i tipi di nuvole intermedi rappresentati dalle tonalità corrispondenti. Le temperature elevate della superficie terrestre sono indicate dalla colorazione grigio scuro o nera. Una limitazione delle immagini a infrarossi è la loro incapacità di rappresentare chiaramente le nuvole basse, come strati o nebbia, a causa della loro somiglianza termica con la superficie terrestre o marina adiacente. Tuttavia, analizzando la differenza di luminosità tra il canale IR4 (10,3–11,5 μm) e il canale del vicino infrarosso (1,58–1,64 μm), è possibile differenziare le nuvole basse, generando così un'immagine satellitare nebbia. Il vantaggio principale dell'imaging a infrarossi risiede nella sua capacità di funzionamento notturno, facilitando l'osservazione ininterrotta dei modelli meteorologici.

Le immagini a infrarossi sono in grado di illustrare vortici o vortici oceanici e di mappare le correnti, come la Corrente del Golfo, che offre un'utilità significativa al settore della navigazione marittima. Sia le operazioni di pesca commerciale che le imprese agricole traggono vantaggio dalla conoscenza della temperatura del terreno e dell’acqua, contribuendo rispettivamente alla protezione dal gelo dei raccolti e al miglioramento delle catture marine. Inoltre, i fenomeni di El Niño sono rilevabili attraverso questo metodo. L'applicazione di tecniche di digitalizzazione a colori consente la trasformazione delle immagini termiche in scala di grigi in colori, semplificando così l'identificazione dei dati pertinenti.

Alcuni satelliti meteorologici sono attrezzati per acquisire immagini del canale primario del vapore acqueo, che opera tra 6,40 e 7,08 μm, che rivela il contenuto di umidità atmosferica.

Climatologia

In climatologia, la radiazione infrarossa atmosferica viene continuamente monitorata per identificare i modelli nel trasferimento di energia tra la Terra e la sua atmosfera. Tali tendenze offrono informazioni cruciali sulle alterazioni prolungate del clima terrestre. Insieme alla radiazione solare, costituisce un parametro fondamentale studiato nella ricerca sul riscaldamento globale.

In questo ambito di ricerca viene utilizzato un pirgeometro per condurre misurazioni continue all'aperto. Questo strumento funziona come un radiometro a infrarossi a banda larga, mostrando sensibilità alla radiazione infrarossa nell'intervallo approssimativo compreso tra 4,5 μm e 50 μm.

Astronomia

Gli astronomi utilizzano componenti ottici, come specchi, lenti e rilevatori digitali a stato solido, per osservare gli oggetti celesti all'interno del segmento infrarosso dello spettro elettromagnetico. Di conseguenza, questa pratica è classificata sotto l'astronomia ottica. Per la formazione dell'immagine, gli elementi costitutivi di un telescopio a infrarossi devono essere meticolosamente schermati da fonti termiche e i suoi rilevatori vengono raffreddati utilizzando elio liquido.

L'efficacia dei telescopi a infrarossi terrestri è sostanzialmente limitata dal vapore acqueo atmosferico, che attenua una frazione della radiazione infrarossa extraterrestre al di fuori di specifiche finestre atmosferiche. Questo impedimento può essere parzialmente mitigato posizionando osservatori telescopi ad altitudini elevate o dispiegando telescopi tramite palloni aerostatici o aerei. I telescopi spaziali sono esentati da questo vincolo, rendendo lo spazio esterno l'ambiente ottimale per l'astronomia a infrarossi.

Il segmento infrarosso dello spettro elettromagnetico offre numerosi vantaggi distinti per l'osservazione astronomica. All’interno della nostra galassia, nubi molecolari fredde e opache di gas e polvere emettono radiazioni termiche quando illuminate da stelle incorporate. Il rilevamento a infrarossi facilita anche l'identificazione delle protostelle prima della loro emissione di luce visibile. Poiché le stelle irradiano una percentuale minore della loro energia nello spettro infrarosso, gli oggetti freddi vicini, come i pianeti, diventano più distinguibili. (Al contrario, nello spettro della luce visibile, il bagliore stellare tipicamente oscura la luce riflessa da un corpo planetario.)

La radiazione infrarossa si rivela determinante nell'osservazione dei nuclei delle galassie attive, spesso oscurate da gas e polvere. Inoltre, le galassie distanti che mostrano un significativo spostamento verso il rosso mostrano un picco spettrale spostato verso lunghezze d'onda maggiori, rendendole più suscettibili all'osservazione a infrarossi.

Pulizia

La pulizia a infrarossi costituisce una metodologia utilizzata da alcuni scanner cinematografici, cinematografici e a superficie piana per mitigare o eliminare l'impatto di polvere e graffi sull'output finale scansionato. Questo processo funziona acquisendo un canale infrarosso ausiliario dalla scansione, mantenendo gli stessi parametri di posizione e risoluzione dei tre canali di colore visibili (rosso, verde e blu). L'integrazione del canale infrarosso con i canali visibili facilita il rilevamento preciso di graffi e particelle di polvere. Dopo la loro identificazione, queste imperfezioni possono essere corrette mediante aggiustamenti del ridimensionamento o impiegando tecniche di pitturazione.

Conservazione e analisi dell'arte

La riflettografia a infrarossi offre un metodo non distruttivo per esaminare i dipinti ed esporre gli strati sottostanti, in particolare il disegno preliminare dell'artista o il contorno guida. I conservatori d'arte utilizzano questa tecnica per analizzare le discrepanze tra gli strati pittorici visibili e il disegno sottostante o gli strati intermedi; tali modifiche, quando eseguite dall'artista originale, sono denominate pentimenti. Questa visione analitica è fondamentale per determinare l'autenticità di un dipinto come opera originale rispetto a una copia e per valutare eventuali alterazioni derivanti da un restauro eccessivo. Tipicamente, una maggiore incidenza di pentimenti è correlata a una maggiore probabilità che il dipinto sia la versione primaria. Inoltre, fornisce preziose prospettive sulle metodologie artistiche. La riflettografia spesso rivela l'applicazione da parte dell'artista del nero carbone, che mostra una forte visibilità nei riflettogrammi, a condizione che non fosse incorporato anche nello strato di fondo sottostante del dipinto. La riflettografia a infrarossi può essere implementata utilizzando fotocamere digitali commerciali modificate che operano nella regione spettrale del vicino infrarosso (NIR) o strumenti specializzati progettati per la regione spettrale dell'infrarosso a onde corte (SWIR). La recente espansione della riflettografia nella regione spettrale dell'infrarosso a onde medie (MWIR) ha dimostrato efficacia nel discernere sottili variazioni nei materiali di superficie.

Inoltre, la riflettografia del vicino infrarosso (NIR) può produrre risultati soddisfacenti se condotta con le fotocamere degli smartphone.

I progressi nello sviluppo delle fotocamere sensibili agli infrarossi ora consentono il rilevamento e la visualizzazione non solo di pitture di fondo e pentimenti ma anche di composizioni complete successivamente sovraverniciate dall'artista. Esempi illustrativi includono Donna che stira e Stanza blu di Picasso, in cui l'analisi a infrarossi ha rivelato un ritratto maschile sotto la superficie attualmente riconosciuta in entrambe le opere.

Conservatori e scienziati applicano in modo simile tecniche a infrarossi a diversi artefatti, in particolare documenti scritti antichi come i Rotoli del Mar Morto, i testi romani della Villa dei Papiri e i manoscritti della Via della Seta scoperti nelle Grotte di Dunhuang. Il pigmento nero carbone comunemente utilizzato negli inchiostri mostra una visibilità eccezionale all'esame a infrarossi.

Sistemi biologici

Le vipere possiedono un paio di fosse sensibili agli infrarossi situate sulla testa. Tuttavia, la precisa sensibilità termica di questo meccanismo di rilevamento biologico a infrarossi rimane oggetto di indagini in corso.

Ulteriori organismi che possiedono organi termorecettivi includono pitoni (famiglia Pythonidae), alcuni boa (famiglia Boidae), il comune pipistrello vampiro (Desmodus rotundus), varie specie di coleotteri gioiello (Melanophila acuminata), farfalle dalla pigmentazione scura (Pachliopta aristolochiae e Troides rhadamantus plateni) e potenzialmente insetti ematofagi (Triatoma infestans). I serpenti crotalini e boidi utilizzano i loro organi fossa sensibili agli infrarossi per rilevare le emissioni termiche delle loro prede, facilitando così l'identificazione e la cattura. Allo stesso modo, le fossette sensibili agli infrarossi del comune pipistrello vampiro (Desmodus rotundus) aiutano a localizzare le aree ricche di sangue sui suoi ospiti a sangue caldo. Lo scarabeo gioiello, Melanophila acuminata, utilizza organi a infrarossi per rilevare gli incendi boschivi, depositando successivamente le sue uova su alberi recentemente carbonizzati. I termorecettori situati sulle ali e sulle antenne delle farfalle dai pigmenti scuri, come Pachliopta aristolochiae e Troides rhadamantus plateni, forniscono protezione contro i danni termici durante l'esposizione al sole. Inoltre, si ipotizza che i termorecettori consentano agli insetti ematofagi (Triatoma infestans) di individuare gli ospiti a sangue caldo rilevando il calore corporeo emesso.

Alcuni funghi, tra cui Venturia inaequalis, necessitano di illuminazione nel vicino infrarosso per l'espulsione delle spore.

Nonostante si credesse da tempo che la visione nel vicino infrarosso (780-1.000 nm) fosse irraggiungibile a causa del rumore visivo del pigmento, la percezione della luce nel vicino infrarosso è stata documentata nella carpa comune e in tre specie di ciclidi. I pesci utilizzano il NIR per l'acquisizione delle prede e la guida al nuoto fototattico. Questa sensibilità NIR nei pesci potrebbe essere cruciale in ambienti scarsamente illuminati, come al crepuscolo o in acque superficiali torbide.

Fotobiomodulazione

La luce del vicino infrarosso, nota anche come fotobiomodulazione, viene utilizzata nella gestione terapeutica delle ulcere orali indotte dalla chemioterapia e per favorire la guarigione delle ferite. La ricerca preliminare suggerisce anche il suo potenziale nei trattamenti contro il virus dell’herpes. Le attuali iniziative di ricerca studiano i suoi effetti neuroprotettivi sul sistema nervoso centrale, in particolare attraverso la sovraregolazione della citocromo c ossidasi e altri potenziali percorsi biologici.

Pericoli per la salute

Le intense radiazioni infrarosse incontrate in specifici ambienti industriali ad alto calore comportano rischi oculari, che potrebbero portare a danni agli occhi o cecità per le persone esposte. Data la natura invisibile di queste radiazioni, in questi ambienti sono obbligatori occhiali protettivi specifici per gli infrarossi.

Storia scientifica

La scoperta della radiazione infrarossa è attribuita all'astronomo William Herschel all'inizio del XIX secolo. Herschel presentò le sue scoperte alla Royal Society di Londra nel 1800. Utilizzò un prisma per rifrangere la luce solare e identificò la radiazione infrarossa, situata oltre la porzione rossa dello spettro, osservando un aumento della temperatura su un termometro. Sorpreso da questo risultato, li chiamò “Raggi Calorifici”. Il termine "infrarosso" è emerso più tardi nel XIX secolo, derivato dal prefisso latino infra-, che significa "sotto", poiché rappresenta la luce posizionata sotto il rosso nello spettro elettromagnetico. In precedenza, un esperimento condotto nel 1790 da Marc-Auguste Pictet aveva già dimostrato la riflessione e la focalizzazione del calore radiante utilizzando specchi, anche senza la presenza di luce visibile.

Le principali pietre miliari storiche includono:

• 1830: Leopoldo Nobili sviluppa il primo rilevatore a infrarossi a termopila.
• 1840: John Herschel genera la prima immagine termica, successivamente denominata termogramma.
• 1860: Gustav Kirchhoff articola il teorema del corpo nero, espresso come ${\displaystyle E=J(T,n)}$.
• 1873: Willoughby Smith identifica il fenomeno della fotoconduttività nel selenio.
• 1878: Samuel Pierpont Langley inventò il bolometro iniziale, uno strumento in grado di rilevare piccole fluttuazioni di temperatura e, di conseguenza, la potenza emessa da sorgenti nel lontano infrarosso.
• 1879: La legge di Stefan-Boltzmann è stata formulata empiricamente, affermando che la potenza irradiata da un corpo nero è direttamente proporzionale a T⁴.
• 1880 e 1890: Lord Rayleigh e Wilhelm Wien fornirono indipendentemente soluzioni parziali all'equazione del corpo nero; tuttavia, entrambi i modelli mostravano divergenze in regioni specifiche dello spettro elettromagnetico. Questa questione irrisolta divenne nota come "catastrofe ultravioletta e catastrofe infrarossa".
• 1892: Willem Henri Julius pubblica gli spettri infrarossi di 20 composti organici, che vengono misurati utilizzando un bolometro ed espressi in unità di spostamento angolare.
• 1901: Max Planck introduce l'equazione e il teorema del corpo nero, risolvendo il problema esistente quantizzando le transizioni energetiche ammissibili.
• 1905: Albert Einstein avanza la teoria che spiega l'effetto fotoelettrico.
• 1905–1908: William Coblentz pubblicò spettri infrarossi per vari composti chimici, espressi in unità di lunghezza d'onda (micrometri), all'interno del suo lavoro intitolato Investigations of Infra-Red Spectra.
• 1917: Theodore Case sviluppò il rilevatore di solfuro di tallo, che facilitò la creazione del primo dispositivo di ricerca e tracciamento a infrarossi in grado di rilevare velivoli a una distanza di un miglio (1,6 km).
• 1935: i sali di piombo furono utilizzati per i primi sistemi di guida missilistica durante la seconda guerra mondiale.
• 1938: Yeou Ta teorizzò che l'effetto piroelettrico potrebbe essere sfruttato per il rilevamento della radiazione infrarossa.
• 1945: viene introdotto il sistema d'arma a infrarossi Zielgerät 1229 "Vampir", che segna il primo dispositivo a infrarossi portatile progettato per applicazioni militari.
• 1952: Heinrich Welker sintetizza con successo cristalli di antimoniuro di indio (InSb).
• Anni '50 e '60: Fred Nicodemenus, G. J. Zissis e R. Clark stabilirono la nomenclatura e le unità radiometriche, mentre Robert Clark Jones definì D*.
• 1958: W. D. Lawson, affiliato al Royal Radar Constitutionment di Malvern, scoprì le proprietà di rilevamento a infrarossi del tellururo di mercurio-cadmio (HgCdTe).
• 1958: vengono sviluppati i missili Falcon e Sidewinder, che incorporano la tecnologia a infrarossi.
• Durante gli anni '60, Paul Kruse e il suo gruppo di ricerca presso l'Honeywell Research Center hanno dimostrato l'efficacia del tellururo di mercurio-cadmio (HgCdTe) come composto per il rilevamento a infrarossi.
• Nel 1962, J. Cooper presentò una dimostrazione di rilevamento piroelettrico.
• W. G. Evans identificò i termocettori infrarossi all'interno di uno scarabeo pirofilo nel 1964.
• L'anno 1965 ha segnato numerosi progressi significativi: la pubblicazione del primo manuale sugli infrarossi (IR); l'introduzione dei primi imager commerciali da parte di Barnes e Agema (successivamente integrati in FLIR Systems Inc.); l'uscita del testo fondamentale di Richard Hudson; lo sviluppo dell'F4 TRAM FLIR da parte di Hughes; e il lavoro pionieristico in fenomenologia di Fred Simmons e AT Stair. Allo stesso tempo, l'esercito americano istituì il suo laboratorio per la visione notturna, ora noto come Night Vision and Electronic Sensors Directorate (NVESD), dove Rachets successivamente sviluppò modelli per il rilevamento, il riconoscimento e l'identificazione.
• Nel 1970, Willard Boyle e George E. Smith, lavorando presso i Bell Labs, proposero il dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) per l'applicazione nella tecnologia dei telefoni con immagini.
• La direzione per la visione notturna e i sensori elettronici (NVESD) ha avviato il programma del modulo comune nel 1973.
• Nel 1978, l'astronomia dell'imaging a infrarossi era maturata in modo significativo, portando alla progettazione di nuovi osservatori e all'inaugurazione dell'Infrared Telescope Facility (IRTF) sul Mauna Kea. Durante questo periodo, furono fabbricati array 32 × 32 e 64 × 64 utilizzando antimoniuro di indio (InSb), tellururo di mercurio-cadmio (HgCdTe) e altri materiali avanzati.
• Il 14 febbraio 2013, i ricercatori hanno sviluppato con successo un impianto neurale in grado di conferire ai ratti la capacità di percepire la luce infrarossa. Questa svolta ha rappresentato il primo esempio in cui si sono forniti agli organismi viventi capacità sensoriali completamente nuove, invece di limitarsi a sostituire o migliorare quelle preesistenti.

Note

Note

Riferimenti

Infrarossi: una prospettiva storica.

• Infrared: A Historical Perspective Archiviato il 7 agosto 2007 in Internet Archive (Omega Engineering)
• Infrared Data Association, un'organizzazione di standardizzazione dedicata all'interconnessione di dati a infrarossi.
• Protocollo SIRC.
• Costruzione di un ricevitore infrarossi USB per il controllo remoto di personal computer.
• Onde infrarosse: una spiegazione dettagliata della luce infrarossa.
• Articolo originale di Herschel del 1800 che annuncia la scoperta della luce infrarossa.
• La biblioteca termografica: una raccolta di termogrammi.
• La riflettografia dell'infrarosso nell'analisi dei dipinti.
• Fate, Molly. "Tecniche e applicazioni - Capacità analitiche della riflettografia a infrarossi: la prospettiva di uno storico dell'arte". In *Esame scientifico dell'arte: tecniche moderne di conservazione e analisi*, Sackler NAS Colloquium, 2005.