Energie elektromagnetických oscilátorů (= objektů, u nichž dochází k periodickým změnám velikosti elektrické intenzity E a magnetické indukce B, příkladem je třeba kmitající dipól) se může šířit prostorem jako elektromagnetické záření. O tomto záření říkáme, že má tzv. duální charakter, za určitých podmínek se totiž projevuje jako proud částic látky ( fotony : částicový korpuskulární charakter), za jiných jako vlnění (vlnový charakter). Základní charakteristikou c elektromagnetického vlnění je vlnová délka λ nebo frekvence ν ( ), vlnění se šíří ve vakuu rychlostí světla, tj. c = 299792458 ms -1 310 8 ms -1. Přenášená elektromagnetická energie není libovolně dělitelná, ale úzce souvisí s frekvencí vlnění. Při dané frekvenci je nejmenší možná hodnota elektromagnetické energie (kvantum vlnění) energie jednoho fotonu, hc E h, kde h je Planckova konstanta h = 6,62606910-34 Js. Energie E ν je tak třetí charakteristikou záření. Chování objektů ve vesmíru vůči elektromagnetickému záření popisujeme vyjádřením, že vysílají (emitují), odrážejí (reflektují) nebo propouštějí záření (transmise = opak absorpce). Zastoupení jednotlivých vlnových délek v pozorovaném záření přicházejícím od objektu je dáno materiálovým složením objektu. Podle původu záření rozlišujeme dva typy spekter: Je-li spektrum tvořeno především tepelným zářením vyzařovaným samotným objektem, jedná se o emisní spektrum. Některá tělesa emitují víceméně souhlasně se zářením absolutně černého tělesa. Je-li spektrum tvořeno především zářením pozadí, které objekt zčásti propouští a zčásti pohlcuje, jedná se o absorpční spektrum. Elektromagnetická spektroskopie je odvětví fyziky zabývající se charakterizováním látek pomocí jejich spekter. Seřazením vlnových délek záření vydávaného určitým zdrojem a zjištěním intenzity záření na jednotlivých vlnových délkách, dostaneme tzv. elektromagnetické spektrum příslušného zdroje. Na obrázku 1 jsou schematicky naznačeny jednotlivé obory vlnových délek celého elektromagnetického spektra. Úzkou oblast ve vlnovém rozsahu mezi 10-6 až 10-7 m, kterou můžeme vnímat zrakem, nazýváme světlo. Anglické názvosloví pro ostatní druhy záření seřazené podle klesající frekvence je uvedeno v následující tabulce: Elektromagnetické spektrum γ HX SX EUV NUV VR NIR MIR FIR GAMA HARD X SOFT EXTREME NEAR UV VISIBLE NEAR MODERATE FAR IR od 300EHz 30 EHz 3 EHz 300 PHz 30 PHz PHz 3 PHz 300 THz 30 THz do 30 EHz 3 EHz 300PHz 30 PHz 3 PHz 300THz 30 THz 300 GHz λ ~ pm ~ nm ~ μm E ν ~ MeV ~ kev ~ ev Radiové vlny EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF ULF SLF ELF MICROWAVES ULTRA VERY HIGH MIDDLE LOW SUPER EXTREMELY 300GHz 30GHz 3 GHz 300MHz 30MHz 3 MHz 300kHz 30kHz 3kHz 300Hz 30 Hz 30 GHz 3 GHz 300MHz 30MHz 3 MHz 300kHz 30 khz 3 khz 300Hz 30 Hz 3 Hz 1
Roentgenové Obr.1 elektromagnetické spektrum dle vlnových délek Přestože rozčlenění jednotlivých druhů elektromagnetické energie je vymezeno přesně, ve skutečnosti se jednotlivé oblasti vzájemně překrývají. Např. některé nízkoenergetické paprsky mají ve skutečnosti větší vlnovou délku než vysokoenergetické RTG záření. Mezi jednotlivými typy elektromagnetického záření skutečně neexistují přesně definované hranice, některé vlnové délky vykazují vlastnosti dvou oblastí spektra. Např. červené světlo se podobá infračervenému svou schopností rezonance vůči některým chemickým vazbám. Vedle úseku světelného záření, charakterizovaného vlnovými délkami asi od 380 do 780 nm, existuje na obě strany od viditelné části energetického slunečního spektra celá řada dalších druhů záření: ultrafialové UV (ultraviolet) (objeveno německým zakladatelem fotochemie J.W.Ritterem 1801), X-paprsky, a kosmické záření na jedné straně, na druhé infračervené záření a rádiové vlny. Přehled základních vlastností jednotlivých druhů elektromagnetického záření Radiové vlny se používají především k přenosu dat prostřednictvím modulace. Používají se dva základní druhy modulace: frekvenční (FM), kdy se v určitém rozsahu mění kmitočet nosné vlny podle nízkofrekvenčního (NF) signálu a amplitudová, kdy se podle přenášeného NF signálu mění amplituda (velikost a tím intenzita) nosné vlny. Vlnová délka radiových vln se pohybuje v rozmezí od několika km do řádově asi mm. Jsou vyzařovány anténami, jejichž délka je úměrná délce nosné vlny. Supervysoké a extrémně vysoké frekvence (viz tabulka - SHF a EHF) neboli mikrovlny tvoří další část radiového spektra. Jedná se o elektromagnetické vlny s vlnovou délkou v rozmezí od 1 m do 1 mm. Název tedy nesouvisí přímo s velikostí vlnové délky, ale se skutečností, že vlnová délka je podstatně menší než vlnová délka běžných radiových vln používaných pro komunikační účely. V kapalinách jsou velmi dobře absorbovány polárními molekulami, mechanizmus ohřívání, ale nelze vysvětlit jako prostou absorpci energie fotonů. Mikrovlnný ohřev je primárně založen na tom, že molekuly látek se stálými dipólovými momenty se natáčejí do směru elektrického pole tak, aby dosáhly stavu s minimální energií. Ve snaze sledovat okamžitý směr rychle se měnícího vnějšího pole se tedy tyto molekuly rozkmitávají. Přitom dochází ke kolizím a tření se sousedním molekulami, tedy ke vzniku tepla. Je-li rychlost změny směru vnějšího pole srovnatelná s dobou, kterou potřebují molekuly k tomu, aby se natočily do příslušného směru (tzv. relaxační doba, závislá např. na teplotě, viskozitě a dalších parametrech), a odpovídá vlastní frekvenci kmitání molekuly, podstatná část mikrovlnné energie se přemění v teplo, což vede ke zvýšení teploty. Zdrojem mikrovlnného záření jsou různé typy elektronek, pracujících na principu pohybu elektronů emitovaných do vakua, jejichž pohyb je řízen vnějším elektrickým nebo magnetickým polem (magnetron, klystron, gyrotron), případně polovodičová zařízení (transistory, tunelové diody, Gunnovy diody) nebo masery. 2
Infračervené záření IR (infra-red), které bylo objeveno britským astronomem Williamem Fredericem Herschelem 1800, se dělí z technologického hlediska dle vlnového rozsahu na pásma A, B, C (hranice jednotlivých pásem nejsou vymezena jednoznačně): krátkovlnné pásmo (A) od 120 do 300 THz (0,8 až 2,5 μm) svými fyzikálními vlastnostmi se blíží viditelnému záření střední pásmo (B) od 30 do 120 THz (2,5 až 10 μm) oblast silného tepelného vyzařování, výrazná absorpce na molekulárních vibračních hladinách vzdálená IR (C) od 300 GHz (1 mm) do 30 THz (10 μm) - nejnižší část pásma lze ještě zahrnout do mikrovln, záření je výrazně absorbováno tzv. rotačními módy plynných molekul, molekulárními pohyby v kapalinách i fonony v pevných látkách. Díky přítomnosti vodních par je téměř zcela absorbováno zemskou atmosférou s výjimkou určitých "oken" (viz obr. 2), která umožňují částečný průchod některých vlnových délek a jsou využívána v astronomii. Obr. 2 grafické znázornění propustnosti zemské atmosféry pro různé vlnové délky elektromagnetického záření Po infračerveném záření následuje viditelné světlo. Jedná se o oblast, v níž Slunce a hvězdy jemu podobné vyzařují největší část svého záření. Zároveň je to rovněž oblast největší citlivosti lidského zrakového orgánu. Viditelné záření je absorbováno a emitováno při přechodech elektronů v molekulách a atomech z jedné energetické hladiny na druhou. Barva červená oranžová žlutá zelená azurová modrá fialová Vlnová délka ~625 až 740 nm ~590 až 625 nm ~ 565 až 590 nm ~ 520 až 565 nm ~ 500 až 520 nm ~ 430 až 500 nm ~ 380 až 430 nm Frekvence 480 až 405 THz ~ 510 až 480 THz ~ 530 až 510 THz ~ 580 až 530 THz ~ 600 až 580 THz ~ 700 až 600 THz ~ 790 až 700 THz Viditelné světlo o vlnových délkách 400-800 nm je ta část spektra, na niž je citlivé lidské oko. pozn.: Dnes se z praktického důvodu pro oblast optiky a optoelektroniky - přestože vlastní význam slova "optos" spočívá ve viditelnosti - zahrnuje do společného označení pod výraz "optické záření" nejen krátký úsek okem vnímaného elektromagnetického záření, ale i obě hraniční oblasti, tj. IR a UV.) 3
Ultrafialové záření je velmi energetické, v důsledku toho narušuje chemické vazby, zvyšuje reaktivitu molekul nebo působí jejich ionizaci, podstatně mění jejich obecné vlastnosti. V důsledku přílišného opálení způsobeného ničivým vlivem UV záření na kožní buňky může docházet ke vzniku rakoviny kůže, pokud dojde k poškození buněčné DNA. Většina UV záření emitovaného Sluncem je pohlcena ozónovou vrstvou. Roentgenové záření vzniká v důsledku dopadu katodového záření na těžké kovy nebo např. při brždění urychlených elektronů v betatronu (při přechodu elektronu z vnější dráhy na vnitřní dochází k vyzáření přebytečné energie ve formě fotonu X záření). Měkké záření se používá k diagnostice (lékařství, defektoskopie), tvrdé při jaderném výzkumu nebo v astronomii při pozorování černých děr a neutronových hvězd. záření je tvořeno fotony nejvyšších energií, dolní hranice jejich vlnových délek není vymezena. V astronomii se toto záření využívá při studiu vysokoenergetických objektů, v mikrofyzice díky své vysoké pronikavosti a souvislosti s výzkumem radioizotopů. Vlnovou délku záření lze s vysokou přesností měřit pomocí Comptonova rozptylu. Důležité vztahy a pojmy z optiky Index lomu Zákon lomu Ohyb na štěrbině c n v n sin n sin 1 2 Dopadá - li kolmo na úzkou štěrbinu šířky d rovinná monochromatická vlna, nastane ohyb. Na stínítku pak pozorujeme světlé proužky oddělené minimy intenzity záření, pro něž platí sin k d kde je vlnová délka dopadajícího světla, je úhel, pod kterým pozorujeme minimum, k = 1, 2 a určuje, kolikáté minimum pozorujeme, znaménko určuje polohu od osy, kde pozorujeme nulté maximum. Ohyb světla na optické mřížce k sin kn Vztah platí pro polohu maxim! a 4
Důležité vztahy a pojmy z kvantové optiky Rentgenová difrakce Optické prvky z jakéhokoliv materiálu nelámou ani nerozptylují rentgenové paprsky, protože jejich index lomu je pro všechny látky téměř roven jedné. Naopak při velmi šikmém dopadu se paprsky od všech látek odrážejí. Max von Laue přišel s nápadem použít pro rentgenové paprsky jako mřížky krystaly, jejichž pravidelná struktura vykazuje odpovídající rozměry pro tento úkol (mřížková konstanta je řádově shodná s vlnovou délkou záření). Vlnová délka rentgenového záření je toti6 srovnatelná s meziatomovými (meziontovými) vzdálenostmi v krystalech (10 10 až 10 9 m). To umožňuje použít k charakterizaci krystalových struktur difrakci rentgenového záření na přirozených krystalových rovinách (W.L. a W. H. Bragg 1913). dopadající vlna odražená vlna Comptonův rozptyl Záření s vysokou energií (řádově několik desítek kev) při průchodu prostředím tvořeným lehkými atomy (tj. s nižšími protonovými čísly) podléhá absorpci. Při tomto typu absorpce narazí foton záření gama nebo rentgenového záření na elektron, který uvolní z jeho dráhy. Při této pružné srážce předá foton svou energii elektronu, ten si část ponechá ve formě kinetické energie (začne se pohybovat), zbytek se vyzáří ve formě rozptýleného záření o větší vlnové délce. Ze zákona zachování hybnosti plyne, že čím víc energie získal elektron od fotonu, tím víc se směr jeho pohybu blíží směru pohybu původního fotonu, rozptýlený foton v tomto případě vykazuje větší úhel rozptylu. Při předání menší části energie je tomu naopak: odchýlení dráhy elektronu (po srážce s fotonem) od původního směru fotonu je větší, odchýlení fotonu je menší. Matematicky lze tento jev popsat rovnicí: h 1 cos m c e m e klidová hmotnost elektronu 9,10910-31 kg, θ - úhel rozptylu fotonu, h - Planckova konstanta 6,6310-34 J s nebo 4,1410-15 ev s, c - rychlost světla - 310 8 m/s. d Braggova rovnice: Dvě rovnoběžné roviny krystalů a na ně dopadá rtg záření. Dopadající paprsky jsou spolu ve fázi. Na první rovinu dopadne horní paprsek, je rozptýlen (odražen). Dolní paprsek je rozptýlen na druhé rovině. Aby i po rozptylu (odrazu) byly oba paprsky ve fázi, musí být vzdálenost, kterou urazí dolní paprsek navíc oproti hornímu (BC+CD), rovna celočíselnému násobku n vlnové délky λ dopadajícího záření: BC + CD = nλ = 2 d sin Θ kde Θ je úhel, pod nímž dopadají paprsky na rovinu krystalu (pozor! Jiné označení než při odrazu a lomu světla!) a d je vzdálenost mezi sousedními vrstvami krystalu. Jsou-li oba paprsky ve fázi, pak spolu interferují ( konstruktivní interference - sčítají se) => zesilují se. 5
Fotoelektrický jev Při zkoumání vzájemného působení elektromagnetického záření a kovových materiálů bylo zjištěno, že dopadající záření uvolňuje z povrchu některých látek elektrony, které pak mohou přenášet elektrický proud v obvodu. Je zřejmé, že v důsledku absorpce záření v materiálu dochází k uvolňování elektronů z povrchu kovu. Tento jev byl nazván fotoelektrický jev (fotoefekt), protože elektrony opouštějí materiál, jedná se o vnější fotoelektrický jev. Na základě mnoha experimentů byly vysledovány tyto zákonitosti: 1. Pro každý kov existuje mezní (charakteristická) frekvence 0, při které k fotoemisi dochází. Je-li < 0, k fotoelektrickému jevu nedochází. Pro mezní vlnovou délku je nerovnost opačná. 2. Elektrický proud (počet emitovaných elektronů) je přímo úměrný intenzitě dopadajícího záření. 3. Rychlost emitovaných elektronů (tedy i jejich kinetická energie) je přímo úměrná frekvenci dopadajícího záření, závisí na materiálu katody a nezávisí na intenzitě dopadajícího záření. Klasická fyzika nedokázala uspokojivě vysvětlit závislost na frekvenci a nezávislost energie elektronů na intenzitě dopadajícího záření. Vysvětlení podal v roce 1905 Albert Einstein. Předpokládal, že elektromagnetická vlna o frekvenci a vlnové délce je soubor částic, světelných kvant o určité energii a hybnosti. Pro tato kvanta platí: E h h E h p mc c 2 c c Při fotoelektrickém jevu každé kvantum záření předá svou energii pouze jednomu elektronu, který ji využije k uvolnění z kovu (výstupní práce A v ) a na zvýšení své kinetické energie. Einsteinova rovnice fotoelektrického jevu pak má tvar: c 1 2 h h Av Ek Av mev 2, resp. c h h 0 Av. 0 Pozn.: Vztah v závorce platí pro mezní fotoelektrický jev, kdy je energie fotonu právě rovna výstupní práci. Je-li > 0, nemá kvantum záření dostatečnou energii na uvolnění elektronu z kovu. Je-li 0, elektrony se ihned (časová prodleva řádově 10-9 s odpovídá době interakce mezi fotonem a elektronem) uvolňují, jejich počet (velikost fotoproudu) závisí na počtu dopadajících kvant, tj. na intenzitě záření. Malou výstupní práci mají kovy se slabě vázanými elektrony (např. u cesia fotoefekt nastává ve viditelné oblasti 0 = 642 nm), zinek ( 0 = 310 nm) nebo stříbro ( 0 = 264 nm) mají výstupní práci větší a k fotoefektu dochází až v ultrafialové oblasti. K analogickému jevu dochází též u polovodičů (vnitřní fotoelektrický jev). V tomto případě však elektrony pouze opouštějí silové pole svého vlastního jádra, ale zůstávají uvnitř materiálu jako vodivostní elektrony, jsou tedy schopny vést proud, roste vodivost materiálu. Fotoelektrický jev se uplatňuje v optoelektrických zařízeních, automatizačních soustavách, snímacích elektronkách televizních kamer, slunečních bateriích apod. Nejčastěji se využívá vnitřní fotoelektrický jev v polovodičových součástkách fotorezistor a fotodioda. Fotoelektrický jev je jedním ze základních mechanismů, jimiž krátkovlnné elektromagnetické záření předává svou energii látce. 6
Infračervené záření, jeho vlastnosti a využití Viditelné a IR záření, vjem tepla, energie fotonu Empirické zkušenosti získané při jednoduchých pokusech naznačují, že viditelné a IR záření spolu úzce souvisí a navíc souvisí s vjemem tepla. Mějme těleso, jehož teplotu můžeme měnit v širokém rozpětí např. vlákno žárovky. Při velmi malém procházejícím proudu se vlákno chová jako odporový drát a zahřeje se. Zvýšíme-li procházející proud, zvýší se i jeho teplota, vlákno začne temně rudě žhnout, v jeho blízkosti máme pocit sálajícího tepla. Teplo se přitom šíří i ve vakuu šíření není tedy způsobené ohřevem okolního vzduchu, ale zářením. Při větší proudu se vlákno rozžhaví a vydává žluté světlo, při ještě větším proudu se rozžhaví více a vydává oslňující bílé světlo... Jev je důsledkem zákonů pro sdílení tepla zářením, velmi zjednodušeně ho lze vysvětlit takto: Mějme těleso, které energii pouze vyzařuje (absolutně černé těleso). Z vnějšku dodaná energie (např. elektrická použitá k jeho žhavení) způsobí zvýšení intenzity pohybu molekul tvořící těleso. Rychleji kmitající a vibrující částice mají více energie, jsou proto méně stabilní a rády by se této přebytečné energie zbavily. Při vzájemných srážkách molekuly přecházejí na nižší vibrační a rotační energetické hladiny, přebytečnou energii vyzařují v podobě záření do okolního prostředí. Energie, kterou částice při srážce ztratí, se rovná energii vzniklého kvanta záření. Málo rozkmitané částice vyzařují nízkoenergetická kvanta (IR), hodně rozkmitané atomy a molekuly vyzařují vysokoenergetická kvanta (viditelné světlo, UV záření). Při absolutní nule by se zastavil pohyb atomů a molekul a těleso by nevydávalo žádné elektromagnetické záření. Každé těleso, jehož teplota je vyšší než absolutní nula, však vyzařuje elektromagnetické záření. Vlnová délka tohoto záření závisí na teplotě. Čím je teplota tělesa vyšší, tím je vlnová délka vydávaného záření kratší. Při nízkých teplotách vydává těleso tzv. daleké IR záření. Při vyšších teplotách vydává těleso blízké IR záření a my vnímáme sálavé teplo. Při teplotě okolo 600 C vydává těleso mohutný tok blízkého IR záření a začíná vydávat červené světlo vnímáme rudé žhnutí a silné tepelné sálání. Při teplotách okolo 2000 C vydává těleso mohutný zářivý tok v IR i ve viditelné oblasti. V této souvislosti se zavádí pojem teplota chromatičnosti světelného zdroje. Má-li žárovka teplotu chromatičnosti 3200 K, má jí vydávané světlo stejné spektrální složení jako světlo vydávané absolutně černým tělesem žhaveným na teplotu 3200 K. (Vyšší teplota chromatičnosti znamená vyšší podíl modrého, tj. krátkovlnného světla.) Využití IR záření Již krátce po objevení IR záření byly konány pokusy o jeho zachycení a vizualizaci, tj. jeho převedení na obrazový, okem viditelný, signál. K tomuto problému je možno přistupovat v zásadě dvěma způsoby: Snímá se buď vyzařování infračervených paprsků přímo z povrchu samotného sledovaného objektu, nebo odražené záření z povrchu objektu, kterému je tepelná energie dodávána z nějakého dalšího vnějšího zdroje (zábleskové lampy, halogenové výbojky, infrazářiče, laser). Převáděním vyzařovaného nebo odraženého infračerveného záření povrchu na obrazový signál nebo záznam se zabývá termografie. Obrazový signál se zobrazuje na monitoru v řadě barevných odstínů, z nichž každý znamená určitý teplotní rozsah. Na základě vyhodnocování zobrazených teplotních polí lze pak získat řadu cenných informací o nejrůznějších jevech, které nějakým způsobem souvisejí se změnou teploty, případně o jejich průběhu. Snímací kamery mohou pracovat na principu tepelných snímačů (při absorpci fotonů dochází k oteplení citlivé části senzoru, pohlcená energie se vyhodnocuje nepřímo přes senzory teploty) nebo v provedení jako kvantové snímače s vyhodnocením infračerveného záření cestou fotoelektrického jevu v polovodičích. 7
Obrazový záznam umožňuje zachytit okamžité rozložení teplotních polí využitím citlivosti speciálních fotografických emulzí na různé délky dopadajícího infračerveného záření. A. snímání v daleké IR oblasti Provádí se vizualizace vlastního IR záření těles s teplotou vyšší než absolutní nula. Používaná elektronická zařízení pomocí složitých detektorů zachycují vlastní IR záření teplých těles, převádějí je na elektrické signály a digitalizují. Snímače IR záření musí být chlazené na teplotu podstatně nižší, než je teplota těles, která mají být zobrazena, jinak by snímač sám sebe závojoval, zahltil by se svým vlastním tepelným zářením, proto jsou tato zařízení velmi drahá. Na obrázku je snímek rozvodného transformátoru pořízený v daleké IR oblasti. Falešné barvy korespondují s povrchovou teplotou. Další obrázek schematicky naznačuje princip snímání vlastního tepelného záření těles v daleké IR oblasti: studené pozadí (1) vydává dlouhovlnné IR záření. O něco teplejší těleso (2) vydává také dlouhovlnné záření, ale s kratší vlnovou délkou. IR kamera (3) je schopna toto záření zachytit a vizualizovat je v tzv. falešných barvách (4). B. fotografování v blízké IR oblasti Při fotografování v blízké IR oblasti se používají principy známé z klasické fotografie ve viditelném světle. Fotografované předměty jsou ozářeny IR zářením. Protože odráží IR záření v různé míře, získáme obraz ve stupních šedé, odstín šedé odpovídá odrazivosti předmětu v použité IR oblasti. Snímače použité při tomto uspořádání mohou být podstatně jednodušší. Při ozařování snímané scény velmi krátkovlnným IR zářením s vlnovou délkou řádově kratší, než vlnová délka vlastního IR záření vydávaného snímanými tělesy, nemusí být snímače chlazené. Pro obrazovou IR fotografii se vyrábějí fotografické emulze, zcitlivěné pro velmi krátkovlnnou IR oblast (oblast za červeným koncem viditelného spektra). Princip snímání v krátkovlnné IR oblasti: zdroj IR záření (1) ozařuje snímanou scénu krátkovlnným IR zářením, s vlnovou délkou blízkou červenému světlu (cca 650 nm), IR záření používané v této technice mívá 750 1000 nm. Snímané objekty (2, 3) se liší svou odrazivostí pro IR záření. Intenzita odraženého záření je tedy modulována odrazivostí snímaných předmětů, vlnová délka dopadajícího a odraženého záření se však nemění! Modulované IR záření dopadá na detektor (film) (4) a vyvoláním (5) je vizualizováno. Na fotografii odpovídají nejsvětlejší místa objektům nejvíce odrážejícím dopadající záření. 8
Příklady praktických aplikací IR záření V průmyslu může termografie barevným zobrazením rozložení teplotních polí prokázat řadu užitečných služeb (nedestruktivní defektoskopie, kontrola různých strojních dílů a mechanismů, např. ložisek, kontrola elektrických rozvodů, systémů vytápění, tepelných izolací; ve stavebnictví kontrola obvodových plášťů staveb z hlediska úniků tepla; snímání tepelných obrazů zemského povrchu ve vybraných lokalitách). Pomocí termografie lze zabránit mnoha závadám, ke kterým by mohlo u různých zařízení v provozu dojít. Termografická technika (termovize) je dnes už v mnoha průmyslových odvětvích nepostradatelná. Ve strojírenství patří výhradně termografii např. kontrola lopatek turbín, a to jak kontrola jednotlivých lopatky ještě před jejich osazením do oběžných kol, tak kontrola lopatek po montáži do oběžného kola. Sledují se nejen možné materiálové vady v podobě třeba okem neviditelných trhlinek, ale zároveň i tloušťka a přilnavost keramických vrstev, tloušťka stěny lopatky a průchodnost vzduchových kanálků, potřebných pro chlazení lopatek. Při nejčastěji používané impulsní metodě termografie je sledovaný objekt ozářený krátkým impulsem. Termografický záznam přes infrakameru dovoluje průběžně sledovat tepelné pole povrchové vrstvy při vzestupu teploty i při následném chladnutí. U homogenního materiálu je proces ochlazování povrchu plynulý, rozdílný je při výskytu materiálových vad (např.: nehomogenity materiálu, pórovitost keramické vrstvy, poruchy přilnavosti nebo přítomnost trhlinek či vnitřních dutin). V podstatě analogické je využití termografie v medicíně. Infračervené záření (0,8 30 μm) vyzařuje každý předmět v rozsahu teplot od -40 C výše tedy i člověk. Samotný povrch lidského těla je zdrojem infračerveného záření s intenzitou asi 100 mw/cm 2. Tato hodnota závisí ovšem na celé řadě faktorů, probíhajícím metabolismu nebo činnosti člověka a je odlišná na různých částech těla. Termografie se uplatňuje např. v neurologii a pracovním lékařství (příkladem může být termogram degenerativních změn na přechodu šlach v kost - tzv. tenisový loket), v onkologii při diagnostice kožních nádorů případně nádorů uložených v blízkosti povrchu těla nebo při diagnostice onemocnění štítné žlázy. IR záření z přirozených nebo umělých zdrojů se dnes využívá v řadě oborů lidské činnosti. K sušení, vytápění a ohřevu, v infračervené spektroskopii, ve vojenské technice k navádění raket nebo u přístrojů pro noční vidění, infrafotografii, optoelektronice, pyrometrii, u laserové techniky. (Lasery mohou emitovat záření o různých vlnových délkách od oblasti X-paprsků přes ultrafialové a viditelné pásmo až k vlnovým délkám v infračervené oblasti.) Elektromagnetických vln v oblasti infračerveného záření lze použít vedle ultrazvuku a elektromagnetických vln v oblasti rozhlasových pásem i pro dálkové ovládání, přiřazením různých kanálů je nutno zaručit nemožnost vzájemného rušení mezi jednotlivými oblastmi využití. Optika vysílače rozptyluje paprsek s vyzařovací charakteristikou přibližně kuželového tvaru s vrcholovým úhlem kolem 30. Pro šíření infračerveného záření platí obdobné podmínky jako pro šíření světla - je tedy omezené na konkrétní prostor, ohraničený neprůhlednými překážkami, ale i dosahem vysílače nebo citlivostí přijímače. Pro šíření IR signálu je možné použít i odrazů od pevných předmětů odrážejících světlo. Snímače infračerveného záření patří mezi často používané senzory pro automatizaci procesů u výrobních linek, pro počítání výrobků na dopravním pásu, kontrolu jejich rozměru či počítání otáček. Při tomto užití se senzory - v tomto případě aktivní čidla s infračerveným zdrojem - rozdělují na difuzní, kdy k detekci určité veličiny dochází přerušením toku infrapaprsků mezi vysílačem a přijímačem, nebo reflexní (odrazové). Pro hlídání a regulaci polohy - např. při měření hladin sypkých materiálů nebo měření průměru návinu - jsou vhodné i infrasenzory, pracující na bázi optického principu triangulace. 9
Často se používají i infrasenzory ve smyslu závory s dosahem až několika desítek metrů a infrasenzory s optickou usměrňující soustavou pro automatické ovládání dveří vlaků, autobusů nebo i různých provedení průmyslových vrat. V některých těchto případech je možné použít i pasivních čidel infračerveného záření, které pouze detekují pohybující se předmět s odlišnou teplotou (otevírání automatických dveří v supermarketech, často bývají doplněna alespoň jednoduchým aktivním čidlem, zabraňujícím uzavření dveří, v nichž se někdo zastavil). Na infračerveném záření jsou založené i nejrůznější bezpečnostní zábrany u strojních zařízení, kde lze použít jako zdroje infračervených paprsků jak LED diod, tak i různých typů laserů. Často se využívá infračerveného záření u různých bezpečnostních systémů, jak identifikačních, tak i ochranných u různých strojních mechanismů. Infračerveného záření se využívá i v oboru pyrometrie (bezdotykové měření teplot). Měření povrchové teploty na základě elektromagnetického záření s vlnovou délkou od 0,4 μm do 25 μm mezi tělesem a měřicím přístrojem nebo senzorem pokrývá rozsah od -40 do + 10000 C (0,4-0,78 μm viditelné spektrum, 0,78-1 μm blízké IR, 1-3 μm krátkovlnné IR, 3-5 μm středovlnné a 5-25 μm dlouhovlnné). Mezi výhody takového bezdotykového měření teplot patří možnost měřit pohybující se tělesa, rychlé změny, možnost záznamu obrazu i času. Lze snímat a zobrazovat i teplotní pole celých povrchů těles, objektů i územních celků. Zajímavé je užití infračerveného záření, vedle rtg a UV záření, i v restaurátorském průzkumu uměleckých či historických děl, kde může často pomoci při odkrývání různých pozdních zásahů do těchto děl. V nedávné době se takový průzkum konal cestou zdlouhavého procesu infračervené fotografie, dnes se realizuje pomocí snímání CCD kamerou a elektronickým zpracováním dat. Využívá se rozdílné pohltivosti, propustnosti a odrazivosti infračerveného záření u některých látek, které se ve viditelném světle jeví jako totožné. To umožňuje rozlišit v infračerveném světle některé pigmenty, lazury, přelakované nebo přemalované vrstvy na obrazech, zviditelnit vybledlé malby, vyšetřit pravost podpisů a signatur autorů uměleckých děl. Řada barev se chová odlišně v IR záření než za běžného světla a třeba uhlíkaté pigmenty s amorfní strukturou je možné prostřednictvím infračerveného záření identifikovat i pod nánosem jiných barevných vrstev. Infračerveného záření lze využít ale i v celé řadě jiných oborů. Příkladem mohou být analyzátory plynů, které využívají odlišného absorbování tohoto záření u různých anorganických i organických plynů a par. Infrazáření se osvědčuje i pro přesná kontinuální měření tuhých emisí a prachu v kouřovodech různých spaloven. U tohoto provedení vysílá dioda modulovaný paprsek infračerveného záření na protilehlý odrážeč. Paprsek prochází tam i zpět měřeným prostorem a po dopadu na přijímací diodu se z jeho stavu vyhodnocuje stupeň znečištění prostoru. Měření infračerveného záření se používá také v astronomických měřeních. Kompozice intenzit středního a vzdáleného IR spektra na základě družice Infrared Astronomical Satellite (IRAS) (1983) ve vlnových pásmech 12, 60, a 100 μm. Jednotlivé snímky jsou zakódovány pomocí barevných rozsahů - modře (12µm), zeleně (60µm) a červeně (100µm). Většina záření je tepelné, z mezihvězdného prachu ohřívaného absorpcí světla hvězd, včetně oblastí tvorby hvězd uložených v mezihvězdných mračnech. Snímek je vytvořen z mozaiky snímků z projektu IRAS Sky Survey Atlas. Záření z meziplanetárního prachu ve sluneční soustavě, "zvířetníkové záření", bylo modelováno a odečteno od dat z Atlasu. 10