Infravermelho (Infrared)

Infravermelho (IR), também conhecido como luz infravermelha, constitui uma forma de radiação eletromagnética (EMR) caracterizada por comprimentos de onda superiores aos da luz visível, mas mais curtos que as microondas. Esta banda espectral começa em comprimentos de onda que ultrapassam imediatamente os da luz vermelha – as ondas mais longas dentro do espectro visível – tornando o IR imperceptível à visão humana. De acordo com os padrões ISO e CIE, o IR normalmente abrange comprimentos de onda que variam de aproximadamente 780 nm (380 THz) a 1 mm (300 GHz). A radiação infravermelha é convencionalmente categorizada em IR térmico de comprimento de onda mais longo, originado de emissores terrestres, e IR de comprimento de onda mais curto, ou IR próximo, que forma um componente do espectro solar. Comprimentos de onda dentro da faixa IR mais longa (30–100 μm) são ocasionalmente classificados na banda de radiação terahertz. A grande maioria da radiação de corpo negro emitida por objetos à temperatura ambiente está dentro do espectro IR. Como modalidade EMR, o IR transmite energia e momento, exerce pressão de radiação e exibe características consistentes tanto com comportamento ondulatório quanto com propriedades semelhantes a partículas, especificamente como um fóton.

A emissão de calor invisível de incêndios foi reconhecida há séculos; em 1681, o experimentador pioneiro Edme Mariotte demonstrou que o vidro, apesar da sua transparência à luz solar, bloqueava eficazmente o calor radiante. Em 1800, o astrônomo Sir William Herschel identificou a radiação infravermelha como um componente espectral invisível com energia mais baixa que a luz vermelha, detectando sua presença através de seu impacto térmico em um termômetro. Investigações subsequentes, baseadas no trabalho de Herschel, revelaram que mais de metade da energia total do Sol que chega à Terra chega como radiação infravermelha. O equilíbrio entre a radiação infravermelha absorvida e emitida influencia significativamente o sistema climático da Terra.

As moléculas emitem ou absorvem radiação infravermelha durante as transições em seus movimentos rotacionais-vibracionais. Esta radiação excita modos vibracionais moleculares através de alterações no momento dipolar, estabelecendo assim uma valiosa faixa de frequência para investigar estes estados de energia em moléculas que possuem simetria apropriada. A espectroscopia infravermelha é uma técnica que analisa a absorção e transmissão de fótons dentro do espectro infravermelho.

A radiação infravermelha encontra ampla utilidade nos domínios industrial, científico, militar, comercial e médico. Os sistemas de visão noturna que empregam iluminação ativa no infravermelho próximo permitem a observação de indivíduos ou animais, mantendo a ocultação do observador. A astronomia infravermelha utiliza telescópios equipados com sensores para atravessar regiões cósmicas opacas e empoeiradas, incluindo nuvens moleculares, facilitando a detecção de corpos celestes como planetas e a observação de objetos altamente deslocados para o vermelho dos estágios iniciais do universo. Câmeras infravermelhas de imagem térmica são implantadas para identificar a dissipação de calor em sistemas isolados, monitorar variações do fluxo sanguíneo cutâneo, auxiliar em operações de combate a incêndios e identificar componentes elétricos superaquecidos. As aplicações militares e civis abrangem aquisição de alvos, vigilância, capacidades de visão noturna, mecanismos de localização e sistemas de rastreamento. A radiação primária emitida pelos humanos à temperatura corporal normal ocorre em comprimentos de onda aproximados de 10 μm. As aplicações civis estendem-se ainda à análise de eficiência térmica, vigilância ambiental, inspeções de infraestrutura industrial, identificação de operações de cultivo ilícitas, medição remota de temperatura, transmissão de dados sem fio de curto alcance, análise espectroscópica e previsão meteorológica.

Definição e relação do espectro eletromagnético

Uma definição universalmente aceita para a faixa espectral precisa da radiação infravermelha permanece indefinida. Convencionalmente, considera-se que a sua extensão abrange desde o limite vermelho nominal do espectro visível, a 780 nm, até 1 mm. Este intervalo de comprimento de onda se correlaciona com uma faixa de frequência de aproximadamente 430 THz a 300 GHz. O segmento de microondas do espectro eletromagnético está além da faixa infravermelha. No entanto, a radiação terahertz está sendo progressivamente classificada dentro da banda de microondas em vez de infravermelha, mudando assim o limite superior da banda infravermelha para 0,1 mm (3 THz).

Características

A luz solar, possuindo uma temperatura efetiva de 5.780 K (5.510 °C, 9.940 °F), compreende radiação de espectro quase térmico, com o infravermelho representando pouco mais da metade de sua composição total. No seu auge, a radiação solar fornece uma irradiância superior a 1 kW por metro quadrado ao nível do mar. Esta distribuição de energia inclui 527W de radiação infravermelha, 445W de luz visível e 32W de radiação ultravioleta. Praticamente toda a radiação infravermelha solar cai dentro do espectro do infravermelho próximo, caracterizado por comprimentos de onda menores que 4μm.

A temperaturas significativamente mais baixas do que a superfície solar, a superfície da Terra emite radiação térmica principalmente no espectro do infravermelho médio, caracterizado por comprimentos de onda consideravelmente mais longos do que os encontrados na luz solar. Tanto o corpo negro quanto a radiação térmica são fenômenos contínuos, emitindo-se em todo o espectro eletromagnético. Entre as fontes naturais de radiação térmica, apenas os relâmpagos e os incêndios florestais geram energia visível substancial; no entanto, os incêndios emitem predominantemente radiação infravermelha em vez de luz visível.

Regiões Espectrais

Os objetos normalmente emitem radiação infravermelha em um amplo espectro de comprimentos de onda; no entanto, as aplicações práticas concentram-se frequentemente numa região espectral limitada, uma vez que os sensores são concebidos para detectar radiação dentro de larguras de banda específicas. De acordo com a lei de deslocamento de Wien, a radiação infravermelha térmica exibe um comprimento de onda de pico de emissão que é inversamente proporcional à temperatura absoluta do objeto. O espectro infravermelho é frequentemente segmentado em bandas mais estreitas, embora os esquemas de divisão específicos variem dependendo do domínio de aplicação.

Limite visível

A radiação infravermelha é convencionalmente definida como radiação eletromagnética com comprimentos de onda superiores aos perceptíveis ao olho humano. No entanto, não existe um limite definitivo de comprimento de onda para a visão humana, uma vez que a sensibilidade ocular diminui progressivamente além de aproximadamente 700 nm. Consequentemente, comprimentos de onda ligeiramente superiores a este limiar podem ser percebidos se a sua intensidade for suficientemente alta, apesar de serem categorizados como infravermelhos pelas definições padrão. Por exemplo, a luz laser infravermelha próxima pode aparecer como um brilho vermelho fraco e representa um perigo potencial devido à sua capacidade de transmitir energia substancial. Em circunstâncias específicas, os humanos podem até detectar radiação infravermelha de laser pulsado com comprimentos de onda que se estendem até 1.050 nm.

Esquema de subdivisão comumente usado

Um esquema de subdivisão predominante inclui:

A banda combinada de infravermelho próximo (NIR) e infravermelho de ondas curtas (SWIR) é ocasionalmente chamada de infravermelho refletido, enquanto a banda de infravermelho de onda média (MWIR) e de onda longa (LWIR) é frequentemente designada como infravermelho térmico.

Esquema de Divisão CIE

A Comissão Internacional de Iluminação (CIE) propôs a seguinte divisão em três bandas para a radiação infravermelha:

Esquema ISO 20473

A ISO 20473 descreve o esquema de classificação subsequente:

Esquema de Divisão Astronômica

Os astrônomos geralmente categorizam o espectro infravermelho nos seguintes segmentos:

Essas classificações não são definidas de forma rígida e podem diferir entre diversas publicações. Cada uma dessas três regiões é empregada para observar faixas de temperatura distintas, facilitando assim o estudo de diversos ambientes cósmicos.

Na astronomia, o sistema fotométrico predominante atribui letras maiúsculas a várias regiões espectrais com base nos filtros empregados. Especificamente, I, J, H e K denotam comprimentos de onda do infravermelho próximo, enquanto L, M, N e Q correspondem à região do infravermelho médio. Estas designações são amplamente reconhecidas em relação às janelas atmosféricas e aparecem frequentemente nos títulos de numerosas publicações académicas.

Esquema de Divisão de Resposta do Sensor

Um terceiro esquema de classificação segmenta a banda infravermelha de acordo com as características operacionais dos diferentes detectores:

• Infravermelho próximo (NIR): abrangendo de 0,7 a 1,0 μm, esse intervalo se estende desde o limite aproximado da sensibilidade do olho humano até o corte operacional dos detectores de silício.
• Infravermelho de ondas curtas (SWIR): Abrangendo 1,0 a 3 μm, esta região se estende desde o corte do detector de silício até a janela atmosférica do infravermelho de ondas médias (MWIR). Os detectores de arsenieto de índio e gálio (InGaAs) normalmente operam até aproximadamente 1,8 μm, enquanto detectores de sal de chumbo menos sensíveis são utilizados para esta faixa espectral. Os detectores de telureto de mercúrio e cádmio (MCT) resfriados criogenicamente são capazes de detectar radiação na faixa de 1,0–2,5 μm.
• Infravermelho de onda média (MWIR): variando de 3 a 5 μm, esta banda é caracterizada por uma janela atmosférica e é detectada por materiais como antimoneto de índio (InSb), telureto de mercúrio e cádmio (HgCdTe) e, em parte, seleneto de chumbo (PbSe).
• Infravermelho de onda longa (LWIR): abrangendo 8 a 12 μm, ou às vezes 7 a 14 μm, essa janela atmosférica é normalmente coberta por detectores e microbolômetros de HgCdTe.
• Infravermelho de onda muito longa (VLWIR): estendendo-se de 12 a aproximadamente 30 μm, esta região é detectada usando silício dopado.

A região do infravermelho próximo representa a faixa espectral com comprimentos de onda mais próximos daqueles perceptíveis pelo olho humano. Por outro lado, as regiões do infravermelho médio e distante estão progressivamente mais distantes do espectro visível. Definições alternativas são baseadas em mecanismos físicos distintos, como picos de emissão, bandas específicas ou absorção de água, enquanto classificações mais recentes são orientadas por considerações técnicas, incluindo a faixa de sensibilidade de detectores de silício comuns (até aproximadamente 1.050 nm) e detectores InGaAs (que normalmente começam a sensibilidade em torno de 950 nm e se estendem entre 1.700 e 2.600 nm, dependendo de sua configuração específica). Atualmente, não existem padrões internacionais para essas especificações específicas.

A fronteira precisa entre luz visível e infravermelha permanece indefinida, com vários padrões normalmente situando o início da radiação infravermelha entre 700 nm e 800 nm. A sensibilidade ocular humana diminui significativamente para comprimentos de onda superiores a 700 nm, tornando comprimentos de onda mais longos praticamente imperceptíveis em cenas iluminadas por fontes convencionais. No entanto, a radiação infravermelha próxima (NIR) altamente intensa, como a de lasers, LEDs ou luz diurna filtrada, pode ser detectada até aproximadamente 780 nm e é percebida como vermelha. Além disso, fontes de luz poderosas que emitem comprimentos de onda de até 1.050 nm podem aparecer como um brilho vermelho fraco, representando desafios para a iluminação NIR em ambientes com pouca luz; esse problema é normalmente mitigado por meio de técnicas de iluminação indireta. Notavelmente, a folhagem apresenta alta refletividade no espectro NIR. Ao eliminar o vazamento de luz visível ao redor de um filtro infravermelho e permitir a adaptação ocular à imagem extremamente fraca transmitida através de um filtro fotográfico de passagem de infravermelho visualmente opaco, os observadores podem perceber o efeito Madeira, caracterizado por folhagens brilhantes no infravermelho.

Bandas de Telecomunicações

Em sistemas de comunicação óptica, o espectro infravermelho utilizado é segmentado em sete bandas distintas, uma classificação baseada na disponibilidade de fontes de luz, nas propriedades dos materiais de transmissão/absorção (por exemplo, fibras ópticas) e nas características do detector.

A banda C predomina nas redes de telecomunicações de longa distância. Em contraste, as bandas S e L dependem de tecnologias menos maduras e, consequentemente, apresentam uma implantação mais limitada.

Calor

Embora a radiação infravermelha seja comumente chamada de “radiação de calor”, é importante observar que todas as ondas eletromagnéticas, independentemente da frequência, induzem aquecimento nas superfícies que as absorvem. A radiação infravermelha solar contribui com aproximadamente 49% para o aquecimento da Terra, sendo o restante atribuído à absorção de luz visível seguida de reemissão em comprimentos de onda mais longos. Por exemplo, a luz visível ou os lasers ultravioleta podem carbonizar o papel e os objetos incandescentes emitem radiação visível. Objetos à temperatura ambiente emitem principalmente radiação na faixa de 8 a 25 μm; no entanto, este fenómeno não é fundamentalmente distinto da luz visível emitida por corpos incandescentes ou da radiação ultravioleta de fontes ainda mais quentes (consulte a radiação do corpo negro e a lei de deslocamento de Wien).

O calor representa a energia em trânsito, impulsionada por um diferencial de temperatura. Em contraste com a condução térmica ou convecção, a radiação térmica possui a capacidade única de se propagar através do vácuo. Esta radiação é definida por um espectro específico de múltiplos comprimentos de onda, originado das vibrações moleculares dentro de um objeto a uma determinada temperatura. Embora a radiação térmica possa ser emitida através de todo o espectro eletromagnético, em temperaturas extremamente altas, seus espectros associados estendem-se significativamente além do infravermelho, abrangendo regiões visíveis, ultravioleta e até mesmo de raios X (por exemplo, a coroa solar). Consequentemente, a associação comum da radiação infravermelha com a radiação térmica é mera coincidência, decorrente das temperaturas comparativamente baixas prevalecentes perto da superfície da Terra.

Compreender as emissões infravermelhas dos objetos requer a compreensão do conceito de emissividade. A emissividade quantifica como a radiação térmica de uma superfície diverge daquela de um corpo negro ideal. Por exemplo, dois objetos a uma temperatura física idêntica podem apresentar imagens infravermelhas diferentes se as suas emissividades variarem. Especificamente, dada uma configuração de emissividade fixa, os objetos com emissividade mais alta serão registrados como mais quentes, enquanto aqueles com emissividade mais baixa parecerão mais frios, assumindo que o ambiente ambiente é mais frio do que os objetos observados. Objetos que exibem emissividade imperfeita também possuem propriedades reflexivas e/ou transparentes, levando à reflexão parcial ou à transmissão da temperatura ambiente circundante através do objeto. Por outro lado, num ambiente mais quente, um objecto com menor emissividade, apesar de estar à mesma temperatura, provavelmente pareceria mais quente do que um objecto mais emissivo. Consequentemente, a seleção imprecisa da emissividade e a falha em levar em conta as temperaturas ambientes produzirão medições errôneas ao empregar câmeras infravermelhas e pirômetros.

Aplicativos

Visão noturna

A radiação infravermelha é empregada em equipamentos de visão noturna durante períodos de iluminação visível insuficiente. Os dispositivos de visão noturna funcionam convertendo fótons da luz ambiente em elétrons, que são posteriormente amplificados por meio de processos químicos e elétricos e depois reconvertidos em luz visível. As fontes de luz infravermelha podem complementar a luz ambiente disponível para conversão por esses dispositivos, melhorando assim a visibilidade no escuro sem utilizar uma fonte de luz visível.

É crucial diferenciar a aplicação de luz infravermelha e dispositivos de visão noturna da imagem térmica, que gera imagens com base nas variações de temperatura da superfície, detectando a radiação infravermelha (calor) emitida por objetos e seu ambiente circundante.

Termografia

A radiação infravermelha pode ser utilizada para determinar remotamente a temperatura de objetos, desde que sua emissividade seja conhecida. Esta técnica é denominada termografia; para objetos extremamente quentes no infravermelho próximo (NIR) ou espectro visível, isso é denominado pirometria. Embora a termografia (imagem térmica) seja empregada principalmente nos setores militar e industrial, a tecnologia está penetrando cada vez mais no mercado consumidor, principalmente como câmeras infravermelhas em automóveis, devido a reduções substanciais nas despesas de fabricação.

As câmeras termográficas percebem a radiação dentro da faixa infravermelha do espectro eletromagnético (aproximadamente 9.000–14.000 nm ou 9–14 μm) e geram imagens correspondentes. Como todos os objetos emitem radiação infravermelha proporcionalmente às suas temperaturas, de acordo com a lei da radiação do corpo negro, a termografia permite a percepção de um ambiente independentemente da iluminação visível. A quantidade de radiação emitida por um objeto é diretamente proporcional à sua temperatura, facilitando assim a visualização dos diferenciais de temperatura.

Imagem hiperespectral

Uma imagem hiperespectral constitui um cubo de dados que abrange um espectro contínuo através de uma ampla faixa espectral em cada pixel. A imagem hiperespectral está se tornando cada vez mais significativa no campo da espectroscopia aplicada, especificamente nas regiões espectrais do infravermelho próximo (NIR), infravermelho de onda curta (SWIR), infravermelho de onda média (MWIR) e infravermelho de onda longa (LWIR). As aplicações comuns abrangem medições biológicas, mineralógicas, de defesa e industriais.

A imagem hiperespectral infravermelha térmica pode ser conduzida de forma análoga usando uma câmera termográfica, com a principal distinção sendo que cada pixel contém um espectro completo de infravermelho de onda longa (LWIR). Consequentemente, a identificação química de um objeto pode ser realizada sem a necessidade de uma fonte de luz externa, como o Sol ou a Lua. Essas câmeras são comumente empregadas em medições geológicas, vigilância externa e aplicações de veículos aéreos não tripulados (UAV).

Outras técnicas de imagem

Na fotografia infravermelha, filtros infravermelhos são empregados para registrar o espectro do infravermelho próximo. As câmeras digitais freqüentemente incorporam bloqueadores infravermelhos. No entanto, câmeras digitais e telefones com câmera mais econômicos possuem filtros menos eficientes e são capazes de perceber intensa radiação infravermelha próxima, manifestando-se como uma cor branco-púrpura brilhante. Este efeito é particularmente evidente ao fotografar motivos próximos de fontes infravermelhas intensas, como lâmpadas, onde a interferência infravermelha resultante pode degradar a qualidade da imagem. Outra técnica, conhecida como imagem de raios T, utiliza radiação infravermelha ou terahertz. A escassez de fontes potentes pode tornar a fotografia em terahertz mais árdua do que muitas outras técnicas de imagem infravermelha. Recentemente, a imagem por raios T atraiu atenção significativa devido aos avanços recentes, incluindo a espectroscopia no domínio do tempo terahertz.

Rastreamento

O rastreamento infravermelho, também conhecido como homing infravermelho, constitui um sistema passivo de orientação de mísseis que utiliza a radiação infravermelha emitida por um alvo para orientação. Mísseis que empregam busca por infravermelho são freqüentemente chamados de "buscadores de calor" porque o infravermelho é emitido intensamente por fontes térmicas. Vários objetos, incluindo corpos humanos, motores de veículos e aeronaves, produzem calor, criando assim um contraste térmico contra fundos mais frios.

Aquecimento

A radiação infravermelha pode servir como fonte de calor intencional. Por exemplo, é empregado em saunas infravermelhas para aquecimento dos ocupantes. Também pode ser utilizado em outras aplicações de aquecimento, como para facilitar a remoção de gelo das asas de aeronaves (descongelamento).

O aquecimento infravermelho também está ganhando cada vez mais destaque nos processos de fabricação industrial, por exemplo, na polimerização de revestimentos, moldagem de plástico, recozimento, soldagem de plástico e secagem de impressão. Nessas aplicações, os aquecedores infravermelhos servem como alternativas aos fornos de convecção e aos métodos de aquecimento por contato.

Resfriamento

Uma gama diversificada de tecnologias existentes e propostas aproveita as emissões infravermelhas para resfriar edifícios e outros sistemas. A região do infravermelho de ondas longas (LWIR), abrangendo 8–15 μm, é particularmente vantajosa porque alguma radiação nesses comprimentos de onda pode escapar para o espaço através da janela infravermelha da atmosfera. Este mecanismo permite que superfícies de resfriamento radiativo diurno passivo (PDRC) atinjam temperaturas de resfriamento subambientais, mesmo sob irradiação solar direta, facilitando assim a dissipação de calor da Terra para o espaço sideral sem exigir entrada de energia ou gerar poluentes. As superfícies PDRC são projetadas para maximizar a refletância solar de ondas curtas, minimizando assim a absorção de calor e, ao mesmo tempo, sustentando uma robusta transferência de calor por radiação térmica infravermelha de ondas longas (LWIR). À escala global, este método de arrefecimento foi proposto como uma estratégia para mitigar e potencialmente reverter o aquecimento global, com certas projeções sugerindo que uma cobertura de superfície global de 1-2% poderia ser suficiente para reequilibrar os fluxos de calor globais.

Comunicações

A transmissão de dados por infravermelho (IR) também encontra aplicação na comunicação de curto alcance entre periféricos de computador e assistentes digitais pessoais. Esses dispositivos normalmente aderem aos padrões promulgados pela Infrared Data Association (IrDA). Os controles remotos e os dispositivos IrDA empregam diodos emissores de luz infravermelha (LEDs) para emitir radiação infravermelha, que pode ser focada por uma lente em um feixe direcionado direcionado a um detector. Este feixe é modulado, ou seja, é ligado e desligado rapidamente, de acordo com um código específico que o receptor interpreta. Por considerações práticas, o infravermelho muito próximo (abaixo de 800 nm) é comumente utilizado. Este comprimento de onda é detectado de forma eficiente por fotodiodos de silício de baixo custo, que convertem a radiação incidente em corrente elétrica. O sinal elétrico resultante é então processado através de um filtro passa-alta, que preserva as pulsações rápidas originadas do transmissor IR enquanto atenua a radiação infravermelha que varia lentamente das fontes ambientais. Os sistemas de comunicação por infravermelho são particularmente vantajosos para aplicações internas em ambientes densamente povoados. Como a radiação infravermelha não penetra nas paredes, evita interferência com outros dispositivos localizados em salas adjacentes. O infravermelho continua sendo o método predominante para controles remotos operarem aparelhos eletrônicos. Protocolos específicos de controle remoto infravermelho, como RC-5 e SIRC, facilitam a comunicação por meio de sinais infravermelhos.

A comunicação óptica em espaço livre empregando lasers infravermelhos oferece um método comparativamente econômico para estabelecer links de comunicação em ambientes urbanos, alcançando velocidades de até 4 gigabit/s, especialmente quando comparada com o custo de implantação de cabo de fibra óptica. No entanto, esta vantagem é compensada pelo potencial de danos por radiação. Uma preocupação significativa é que o olho humano não consegue detectar a radiação infravermelha, o que significa que respostas de proteção naturais, como piscar ou fechar os olhos, que poderiam mitigar ou prevenir danos, podem não ocorrer.

Os lasers infravermelhos servem como fonte de luz para sistemas de comunicação de fibra óptica. Para fibras de sílica padrão, comprimentos de onda próximos a 1.330 nm (oferecendo dispersão mínima) ou 1.550 nm (fornecendo transmissão ideal) são considerados as seleções mais adequadas.

A transmissão de dados IR de versões de áudio de sinais impressos está atualmente sob investigação como uma tecnologia assistiva para indivíduos com deficiência visual, especificamente no âmbito do projeto Remote Infrared Audible Signage. O processo de transmissão de dados infravermelhos entre dispositivos é ocasionalmente denominado "transmissão".

O infravermelho é ocasionalmente empregado para aplicações de áudio assistido, servindo como uma alternativa aos loops de indução de áudio tradicionais.

Espectroscopia

A espectroscopia vibracional no infravermelho é uma técnica empregada para identificação molecular através da análise de suas ligações químicas constituintes. Cada ligação química dentro de uma molécula exibe uma frequência vibracional característica. Grupos atômicos dentro de uma molécula (por exemplo, CH₂) podem possuir vários modos de oscilação, decorrentes dos movimentos coletivos de alongamento e flexão do grupo. Caso uma oscilação induza uma mudança no momento dipolar da molécula, ela absorverá um fóton de frequência correspondente. As frequências vibracionais da maioria das moléculas se alinham com as da luz infravermelha. Esta técnica é normalmente aplicada para analisar compostos orgânicos, utilizando radiação da banda do infravermelho médio, especificamente entre 4.000 e 400 cm⁻¹. Um espectro abrangente detalhando todas as frequências de absorção dentro de uma amostra é posteriormente registrado. Este espectro fornece informações sobre a composição do grupo químico da amostra e sua pureza; por exemplo, uma amostra hidratada exibirá uma ampla banda de absorção de OH em torno de 3200 cm⁻¹. A unidade empregada para radiação neste contexto, cm⁻¹, é conhecida como número de onda espectroscópico, que representa a frequência dividida pela velocidade da luz no vácuo.

Metrologia de filme fino

No setor de semicondutores, a radiação infravermelha serve como ferramenta de diagnóstico para materiais como filmes finos e estruturas de trincheiras periódicas. A medição da refletância da luz da superfície de um wafer semicondutor permite a determinação do índice de refração (n) e do coeficiente de extinção (k) através da aplicação das equações de dispersão de Forouhi-Bloomer. Além disso, a refletância infravermelha facilita a avaliação de dimensões críticas, profundidade e ângulos de parede lateral em estruturas de valas de alta proporção.

Meteorologia

Satélites meteorológicos, equipados com radiômetros de varredura, geram imagens térmicas ou infravermelhas, o que permite que analistas qualificados determinem as altitudes e classificações das nuvens, calculem as temperaturas da terra e da água superficial e identifiquem as características da superfície oceânica. Essa varredura normalmente opera na faixa de 10,3–12,5 μm, utilizando canais IR4 e IR5.

Nuvens de alta altitude com topo frio, incluindo ciclones e formações cumulonimbus, são frequentemente renderizadas em vermelho ou preto. Por outro lado, nuvens mais quentes e mais baixas, como estratos ou estratocúmulos, aparecem em azul ou cinza, com os tipos de nuvens intermediários representados em tons correspondentes. As temperaturas elevadas da superfície terrestre são indicadas pela coloração cinza escuro ou preto. Uma limitação das imagens infravermelhas é a sua incapacidade de representar claramente nuvens baixas, como estratos ou neblina, devido à sua semelhança térmica com a superfície terrestre ou marítima adjacente. No entanto, analisando o diferencial de brilho entre o canal IR4 (10,3–11,5 μm) e o canal do infravermelho próximo (1,58–1,64 μm), nuvens baixas podem ser diferenciadas, gerando assim uma imagem de satélite de névoa. O principal benefício das imagens infravermelhas reside na sua capacidade de operação noturna, facilitando a observação ininterrupta de padrões climáticos.

As imagens infravermelhas são capazes de ilustrar redemoinhos ou vórtices oceânicos e mapear correntes, como a Corrente do Golfo, que oferece utilidade significativa para o setor de transporte marítimo. Tanto as operações de pesca comercial como as empresas agrícolas beneficiam do conhecimento das temperaturas da terra e da água, ajudando na protecção das culturas contra geadas e melhorando as capturas marinhas, respectivamente. Além disso, os fenómenos do El Niño são detectáveis ​​através deste método. A aplicação de técnicas de digitalização em cores permite a transformação de imagens térmicas em tons de cinza em cores, simplificando assim a identificação de dados pertinentes.

Alguns satélites meteorológicos estão equipados para obter imagens do canal primário de vapor de água, operando entre 6,40 e 7,08 μm, que revela o conteúdo de umidade atmosférica.

Climatologia

Na climatologia, a radiação infravermelha atmosférica é monitorada continuamente para identificar padrões na transferência de energia entre a Terra e sua atmosfera. Tais tendências oferecem informações cruciais sobre alterações prolongadas no clima da Terra. Juntamente com a radiação solar, constitui um parâmetro fundamental investigado na investigação do aquecimento global.

Um pirgeómetro é utilizado neste domínio de investigação para realizar medições contínuas ao ar livre. Este instrumento funciona como um radiômetro infravermelho de banda larga, exibindo sensibilidade à radiação infravermelha na faixa aproximada de 4,5 μm a 50 μm.

Astronomia

Os astrônomos utilizam componentes ópticos, como espelhos, lentes e detectores digitais de estado sólido, para observar objetos celestes no segmento infravermelho do espectro eletromagnético. Consequentemente, esta prática é categorizada na astronomia óptica. Para a formação de imagens, os elementos constituintes de um telescópio infravermelho devem ser meticulosamente protegidos de fontes térmicas, e seus detectores são resfriados com hélio líquido.

A eficácia dos telescópios infravermelhos terrestres é substancialmente limitada pelo vapor de água atmosférico, que atenua uma fração da radiação infravermelha extraterrestre fora de janelas atmosféricas específicas. Este impedimento pode ser parcialmente mitigado situando observatórios telescópicos em altitudes elevadas ou implantando telescópios através de balões ou aeronaves. Os telescópios espaciais estão isentos desta restrição, tornando o espaço exterior o ambiente ideal para a astronomia infravermelha.

O segmento infravermelho do espectro eletromagnético oferece diversas vantagens distintas para a observação astronômica. Dentro da nossa galáxia, nuvens moleculares frias e opacas de gás e poeira emitem radiação térmica quando iluminadas por estrelas embutidas. A detecção infravermelha também facilita a identificação de protoestrelas antes de sua emissão de luz visível. À medida que as estrelas irradiam uma proporção menor da sua energia no espectro infravermelho, os objetos frios próximos, como os planetas, tornam-se mais discerníveis. (Por outro lado, no espectro de luz visível, o brilho estelar normalmente obscurece a luz refletida de um corpo planetário.)

A radiação infravermelha é fundamental na observação dos núcleos de galáxias ativas, frequentemente obscurecidas por gás e poeira. Além disso, galáxias distantes que exibem um desvio para o vermelho significativo exibem um pico espectral deslocado para comprimentos de onda mais longos, tornando-as mais receptivas à observação infravermelha.

Limpeza

A limpeza por infravermelho constitui uma metodologia empregada por determinados scanners de filmes, filmes e de mesa para mitigar ou eliminar o impacto de poeira e arranhões na saída final digitalizada. Este processo opera adquirindo um canal infravermelho auxiliar da varredura, mantendo parâmetros posicionais e de resolução idênticos aos dos três canais de cores visíveis (vermelho, verde e azul). A integração do canal infravermelho com os canais visíveis facilita a detecção precisa de arranhões e partículas de poeira. Após a sua identificação, estas imperfeições podem ser corrigidas através de ajustes de escala ou através do emprego de técnicas de pintura.

Conservação e análise de arte

A reflectografia infravermelha oferece um método não destrutivo para examinar pinturas e expor camadas subjacentes, especificamente o desenho preliminar ou o esboço orientador do artista. Os conservadores de arte empregam esta técnica para analisar discrepâncias entre as camadas visíveis de tinta e o desenho subjacente ou estratos intermediários; tais modificações, quando executadas pelo artista original, são denominadas pentimenti. Esta visão analítica é crucial para determinar a autenticidade de uma pintura como obra original versus cópia, e para avaliar quaisquer alterações resultantes de restauração excessiva. Normalmente, uma maior incidência de pentimenti está correlacionada com uma maior probabilidade de a pintura ser a versão primária. Além disso, fornece perspectivas valiosas sobre metodologias artísticas. A reflectografia frequentemente revela a aplicação do negro de fumo pelo artista, que apresenta forte visibilidade nos reflectogramas, desde que também não tenha sido incorporado à camada de base subjacente da pintura. A reflectografia infravermelha pode ser implementada usando câmeras digitais comerciais modificadas operando na região espectral do infravermelho próximo (NIR) ou instrumentos especializados projetados para a região espectral do infravermelho de ondas curtas (SWIR). A recente expansão da reflectografia na região espectral do infravermelho de onda média (MWIR) demonstrou eficácia no discernimento de variações sutis em materiais de superfície.

Além disso, a reflectografia no infravermelho próximo (NIR) pode produzir resultados satisfatórios quando conduzida com câmeras de smartphones.

Avanços no desenvolvimento de câmeras sensíveis ao infravermelho agora permitem a detecção e visualização não apenas de pinturas de base e pentimenti, mas também de composições completas posteriormente pintadas pelo artista. Exemplos ilustrativos incluem Woman Ironing e Blue Room de Picasso, nos quais a análise infravermelha revelou um retrato masculino abaixo da superfície atualmente reconhecida em ambas as obras de arte.

Conservadores e cientistas aplicam de forma semelhante técnicas infravermelhas a diversos artefatos, particularmente documentos escritos antigos, como os Manuscritos do Mar Morto, os textos romanos da Vila dos Papiros e os manuscritos da Rota da Seda descobertos nas cavernas de Dunhuang. O pigmento negro de fumo comumente empregado em tintas exibe visibilidade excepcional sob exame infravermelho.

Sistemas biológicos

As víboras possuem um par de covas sensíveis ao infravermelho localizadas em suas cabeças. No entanto, a sensibilidade térmica precisa deste mecanismo biológico de detecção por infravermelho continua a ser um assunto de investigação contínua.

Organismos adicionais que possuem órgãos termorreceptivos incluem pítons (família Pythonidae), certas jiboias (família Boidae), o morcego vampiro comum (Desmodus rotundus), várias espécies de besouros-joia (Melanophila acuminata), borboletas de pigmentação escura (Pachliopta aristolochiae e Troides rhadamantus plateni) e potencialmente insetos hematófagos (Triatoma infestans). As cobras crotalinas e boid utilizam seus órgãos de fossa sensíveis ao infravermelho para detectar as emissões térmicas de suas presas, facilitando assim a identificação e a captura. Da mesma forma, as fossas sensíveis ao infravermelho do morcego vampiro comum (Desmodus rotundus) ajudam a localizar áreas ricas em sangue nos seus hospedeiros de sangue quente. O besouro-jóia, Melanophila acuminata, utiliza órgãos infravermelhos para detectar incêndios florestais, depositando subsequentemente os seus ovos em árvores recentemente carbonizadas. Termorreceptores situados nas asas e antenas de borboletas de pigmentação escura, como Pachliopta aristolochiae e Troides rhadamantus plateni, fornecem proteção contra danos térmicos durante o aquecimento solar. Além disso, supõe-se que os termorreceptores permitem que insetos hematófagos (Triatoma infestans) identifiquem hospedeiros de sangue quente, detectando o calor corporal emitido.

Certos fungos, incluindo Venturia inaequalis, necessitam de iluminação infravermelha próxima para a ejeção de esporos.

Apesar da antiga crença de que a visão no infravermelho próximo (780–1.000 nm) era inatingível devido ao ruído visual do pigmento, a percepção da luz no infravermelho próximo foi documentada na carpa comum e em três espécies de ciclídeos. Os peixes utilizam o NIR para aquisição de presas e orientação de natação fototática. Esta sensibilidade NIR em peixes pode ser crucial em ambientes com pouca luz, como durante o crepúsculo ou em águas superficiais turvas.

Fotobiomodulação

A luz infravermelha próxima, também conhecida como fotobiomodulação, é empregada no tratamento terapêutico de ulcerações orais induzidas por quimioterapia e para promover a cicatrização de feridas. Pesquisas preliminares também sugerem seu potencial em tratamentos contra o vírus do herpes. As iniciativas de investigação atuais investigam os seus efeitos neuroprotetores no sistema nervoso central, particularmente através da regulação positiva da citocromo c oxidase e outras vias biológicas potenciais.

Perigos para a saúde

A radiação infravermelha intensa encontrada em ambientes industriais específicos de alto calor representa riscos oculares, podendo causar danos oculares ou cegueira nos indivíduos expostos. Dada a natureza invisível desta radiação, óculos de proteção especializados contra infravermelho são obrigatórios nessas situações.

História Científica

A descoberta da radiação infravermelha é atribuída ao astrônomo William Herschel no início do século XIX. Herschel apresentou suas descobertas à Royal Society de Londres em 1800. Ele empregou um prisma para refratar a luz solar e identificou a radiação infravermelha, situada além da porção vermelha do espectro, observando a elevação da temperatura em um termômetro. Surpreso com o resultado, ele os designou de “Raios Caloríficos”. O termo "infravermelho" surgiu no final do século XIX, derivado do prefixo latino infra-, que significa "abaixo", pois representa a luz posicionada abaixo do vermelho no espectro eletromagnético. Antes disso, um experimento realizado em 1790 por Marc-Auguste Pictet já havia demonstrado a reflexão e o foco do calor radiante usando espelhos, mesmo sem a presença de luz visível.

Os principais marcos históricos incluem:

• 1830: Leopoldo Nobili desenvolveu o primeiro detector infravermelho de termopilha.
• 1840: John Herschel gerou a primeira imagem térmica, posteriormente denominada termograma.
• 1860: Gustav Kirchhoff articulou o teorema do corpo negro, expresso como ${\displaystyle E=J(T,n)}$.
• 1873: Willoughby Smith identificou o fenômeno da fotocondutividade no selênio.
• 1878: Samuel Pierpont Langley inventou o bolômetro inicial, um instrumento capaz de detectar pequenas flutuações de temperatura e, consequentemente, a saída de energia de fontes de infravermelho distante.
• 1879: A lei de Stefan-Boltzmann foi formulada empiricamente, afirmando que a potência irradiada por um corpo negro é diretamente proporcional a T⁴.
• 1880 e 1890: Lord Rayleigh e Wilhelm Wien forneceram independentemente soluções parciais para a equação do corpo negro; entretanto, ambos os modelos exibiram divergências em regiões específicas do espectro eletromagnético. Esta questão não resolvida ficou conhecida como "catástrofe ultravioleta e catástrofe infravermelha".
• 1892: Willem Henri Julius publicou os espectros infravermelhos de 20 compostos orgânicos, que foram medidos usando um bolômetro e expressos em unidades de deslocamento angular.
• 1901: Max Planck introduziu a equação e o teorema do corpo negro, resolvendo o problema existente ao quantizar as transições de energia permitidas.
• 1905: Albert Einstein avançou a teoria que explica o efeito fotoelétrico.
• 1905–1908: William Coblentz publicou espectros infravermelhos para vários compostos químicos, expressos em unidades de comprimento de onda (micrômetros), em seu trabalho intitulado Investigations of Infra-Red Spectra.
• 1917: Theodore Case desenvolveu o detector de sulfeto taloso, que facilitou a criação do primeiro dispositivo infravermelho de busca e rastreamento capaz de detectar aeronaves a um alcance de 1,6 km (1 milha).
• 1935: Sais de chumbo foram utilizados nos primeiros sistemas de orientação de mísseis durante a Segunda Guerra Mundial.
• 1938: Yeou Ta teorizou que o efeito piroelétrico poderia ser aproveitado para detecção de radiação infravermelha.
• 1945: O sistema de armas infravermelhas Zielgerät 1229 "Vampir" foi introduzido, marcando o primeiro dispositivo infravermelho portátil projetado para aplicações militares.
• 1952: Heinrich Welker sintetizou com sucesso cristais de antimoneto de índio (InSb).
• 1950 e 1960: Fred Nicodemenus, G. J. Zissis e R. Clark estabeleceram a nomenclatura e as unidades radiométricas, enquanto Robert Clark Jones definiu D*.
• 1958: W. D. Lawson, afiliado ao Royal Radar establishment em Malvern, descobriu as propriedades de detecção infravermelha do telureto de mercúrio e cádmio (HgCdTe).
• 1958: Os mísseis Falcon e Sidewinder foram desenvolvidos, incorporando tecnologia infravermelha.
• Durante a década de 1960, Paul Kruse e sua equipe de pesquisa do Honeywell Research Center demonstraram a eficácia do telureto de mercúrio e cádmio (HgCdTe) como composto para detecção infravermelha.
• Em 1962, J. Cooper apresentou uma demonstração de detecção piroelétrica.
• W. G. Evans identificou termorreceptores infravermelhos dentro de um besouro pirófilo em 1964.
• O ano de 1965 marcou vários avanços significativos: a publicação do primeiro manual de infravermelho (IR); a introdução dos primeiros geradores de imagens comerciais da Barnes and Agema (posteriormente integrados na FLIR Systems Inc.); o lançamento do texto seminal de Richard Hudson; o desenvolvimento do F4 TRAM FLIR da Hughes; e trabalho pioneiro em fenomenologia de Fred Simmons e A. T. Stair. Ao mesmo tempo, o Exército dos EUA estabeleceu seu laboratório de visão noturna, agora conhecido como Diretoria de Visão Noturna e Sensores Eletrônicos (NVESD), onde Rachets posteriormente desenvolveu modelos para detecção, reconhecimento e identificação.
• Em 1970, Willard Boyle e George E. Smith, trabalhando no Bell Labs, propuseram o dispositivo de carga acoplada (CCD) para aplicação na tecnologia de telefone com imagem.
• A Diretoria de Visão Noturna e Sensores Eletrônicos (NVESD) iniciou o programa de módulo comum em 1973.
• Em 1978, a astronomia de imagens infravermelhas havia amadurecido significativamente, levando ao planejamento de novos observatórios e à inauguração do Infrared Telescope Facility (IRTF) em Mauna Kea. Durante este período, matrizes 32 × 32 e 64 × 64 foram fabricadas utilizando antimoneto de índio (InSb), telureto de mercúrio e cádmio (HgCdTe) e outros materiais avançados.
• Em 14 de fevereiro de 2013, pesquisadores desenvolveram com sucesso um implante neural capaz de dotar ratos com a capacidade de perceber luz infravermelha. Esta descoberta representou o primeiro exemplo de dotar os organismos vivos de capacidades sensoriais inteiramente novas, em vez de meramente substituir ou melhorar as pré-existentes.

Notas

Notas

Referências

Infravermelho: uma perspectiva histórica.

• Infravermelho: uma perspectiva histórica arquivada em 07/08/2007 na Wayback Machine (Omega Engineering)
• Infrared Data Association, uma organização de padrões dedicada à interconexão de dados por infravermelho.
• Protocolo SIRC.
• Construção de um receptor infravermelho USB para controle remoto de computadores pessoais.
• Ondas infravermelhas: uma explicação detalhada da luz infravermelha.
• Artigo original de Herschel de 1800 anunciando a descoberta da luz infravermelha.
• A Biblioteca Termográfica: Uma Coleção de Termogramas.
• Reflectografia infravermelha na análise de pinturas.
• Faries, Molly. "Técnicas e aplicações - capacidades analíticas da reflectografia infravermelha: a perspectiva de um historiador de arte." Em *Exame Científico de Arte: Técnicas Modernas em Conservação e Análise*, Sackler NAS Colloquium, 2005.