Infrarotstrahlung und das elektromagnetische Spektrum

Das menschliche Auge ist auf die Wahrnehmung sichtbaren Lichts beschränkt, das nur einen kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums ausmacht. Außerhalb dieses Bereichs besteht der größte Teil des Spektrums aus unsichtbarer Strahlung, die zusätzliche Informationen trägt. Infrarotstrahlung ist ein wichtiger Bestandteil dieses Spektrums – ebenso wie Radiowellen, Mikrowellen, ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung. Diese verschiedenen Formen elektromagnetischer Energie werden anhand ihrer Wellenlänge klassifiziert. Infrarotstrahlung erstreckt sich im elektromagnetischen Spektrum ungefähr von 0,7 µm bis 1000 µm und liegt zwischen dem sichtbaren Licht und den Mikrowellen. Für die Temperaturmessung ist typischerweise der Bereich zwischen 0,5 und 14 µm von Bedeutung.

Nach dem Einteilungsschema auf Grundlage der Sensorantwort wird dieser Infrarotbereich entsprechend dem Ansprechverhalten verschiedener Detektoren und den atmosphärischen Fenstern unterteilt. Der für die berührungslose Temperaturmessung relevante Infrarot-Wellenlängenbereich wird in Nahinfrarot (NIR), kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR), mittelwelligen Infrarotbereich (MWIR) und langwelligen Infrarotbereich (LWIR) unterteilt. Das Nahinfrarot ist der Wellenlängenbereich, der dem vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Spektrum am nächsten liegt. Der mittel- und langwellige Infrarotbereich liegt zunehmend weiter vom sichtbaren Spektrum entfernt. Der mittel- und langwellige Bereich wird häufig als „thermisches Infrarot“ bezeichnet, während NIR und SWIR zusammen mitunter als „reflektiertes Infrarot“ bezeichnet werden. Die folgende Tabelle zeigt die Wellenlängenbereiche dieser Spektralbänder.

Abbildung 1 zeigt das atmosphärische Infrarotfenster. Das atmosphärische Infrarotfenster ist ein Spektralbereich, in dem die Erdatmosphäre nur wenig Wärmestrahlung absorbiert, sodass Infrarotenergie in den Weltraum entweichen kann. Wasserdampf (H₂O), Kohlendioxid (CO₂) und Ozon (O₃) bestimmen die Grenzen dieses Fensters. Die CO₂-Absorption bei 14,7 µm legt die langwellige Grenze fest, während die Schwingungsbanden des Wasserdampfs die kurzwellige Grenze bestimmen. Ozon absorbiert stark bei 9,6 µm und blockiert dadurch die Transmission teilweise. Die Konzentration von Wassermolekülen kann das Fenster verengen oder schließen und damit Infrarotmessungen beeinflussen.

Das Infrarotspektrum stellt anschaulich dar, wie sich die Intensitäten elektromagnetischer Wellen über verschiedene Wellenlängen verteilen. Obwohl sie sich unterscheiden, folgen alle elektromagnetischen Wellen denselben grundlegenden physikalischen Prinzipien: Beugung, Brechung, Reflexion und Polarisation. Unter normalen Bedingungen breiten sie sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. In linearen Medien kann ein Wellenmuster als Überlagerung einzelner sinusförmiger Komponenten beschrieben werden. Der konstante Zusammenhang zwischen der Wellenlänge λ und der Frequenz f wird durch die folgende Gleichung beschrieben, wobei v die Lichtgeschwindigkeit im Medium bezeichnet. Dieses Prinzip ist grundlegend für das Verhalten aller Arten elektromagnetischer Strahlung [1,2,3]:

[math]\upsilon=\lambda \cdot f[/math]