תת-אדום

קרינה תת-אדומה או אינפרא-אדומה היא קרינה אלקטרומגנטית שאורך הגל שלה ארוך משל האור הנראה, אך קצר משל קרינת מיקרוגל. מקור השם "אינפרה-אדום" במילה הלטינית infra, שמשמעותה "מתחת", שכן התדר של הקרינה נמצא מתחת לזו של אור אדום. אורכי הגל הכלולים בתחום מוגדרים בדרך כלל כאלה שבין 750 ננומטר (קצה גבול הראיה האנושית) ועד כ-30,000 ננומטר (30 מיקרון) (גבול תדרי קרינת טרה-הרץ). כל עצם על פני כדור הארץ, ובפרט גוף האדם ובעלי חיים, פולטים קרינת חום בתחום זה, כיוון שלפי חוק פלאנק, זהו תחום התדרים אותו פולט גוף שחור הנמצא בטמפרטורה של כמה עשרות מעלות צלזיוס. זו הסיבה שמצלמות תת-אדום פועלות היטב גם בלילה, ללא קשר למקור תאורה חיצוני. גם לבעלי חיים מסוימים (כגון נחשים) יש חיישנים המסוגלים "לראות" את הקרינה. לקרינה תת-אדומה ישנם שימושים רבים בטכנולוגיה, החל ממצלמות הרואות ביום ובלילה, דרך תקשורת בין מכשירים, ועד לחימום. את הקרינה התת-אדומה גילה האסטרונום הבריטי ויליאם הרשל בשנת 1800, עת ערך ניסוי בו הצמיד מדחום כספית למנסרה שמפצלת אור לבן לאלומות אור בצבעים שונים. כאשר בדק את הטמפרטורה שמדד המדחום, כתוצאה מהצבעים הפוגעים בו, גילה שגם מעבר לאלומת האור האדום הנשבר דרך המנסרה, עלתה הטמפרטורה במדחום, אף שלא נראה שם אור בצבע כלשהו. קיימות מספר חלוקות נפוצות של הספקטרום התת-אדום, על פי התחומים השונים שמשתמשים בקרינה. התחומים השונים נגזרים מתוך החלונות האטמוספיריים (ראו איור) ומתוך הטכנולוגיות שמשמשות ליצירת גלאים. על פי המונחון של הוועדה הבינלאומית לתאורה (CIE) (אנ'), הספקטרום מתחלק לשלושה תת-תחומים: IR-A או תת-אדום קרוב (NIR): ‏750 עד 1,400 ננומטר (0.75-1.4 מיקרון), תחום שנקבע על פי בליעת אור באטמוספירה על ידי אדי מים שהיא נמוכה בתחום זה. התחום משמש בסיבים אופטיים עקב הבליעה הנמוכה בתחום זה של הסיליקה ממנה הם עשויים. התחום משמש גם לאמצעי ראיית לילה. מוליך למחצה מסוג סיליקון רגיש עד אורך גל מרבי של 1,100 מיקרון, אם הוא מיוצר באופן מתאים. IR-B או תת-אדום קצר (SWIR): ‏1,400 עד 3,000 ננומטר (1.4 עד 3 מיקרון). תחום 1,530 עד 1,560 הוא התחום הדומיננטי בתקשורת סיבים אופטיים לטווח רחוק, עקב הבליעה הנמוכה ביותר של הסיליקה. בתחום זה רגיש המוליך-למחצה מסוג InGaAs (אינדיום-גליום ארסניד). IR-C: ‏3 עד 1,000 מיקרון (0.003 עד 1 מ"מ). ניתן לחלק אותו לתת-תחומים: תת-אדום בינוני (MWIR) או ביניים (IIR): ‏3-8 מיקרון. תחום 3–5 מיקרון מתוכו הוא חלון אטמוספירי המשמש לטילים מונחי חום, בעיקר כאלו המתבייתים על גזי הפליטה של מטוסי סילון, ומאפשר גם תמונה של עצמים סביב טמפרטורת החדר. בתחום זה משמשים גלאי אינדיום-אנטימוניד (InSb). תת-אדום ארוך (LWIR) או ביניים (IIR): ‏8-15 מיקרון. תחום זה משמש לתמונות חום. בתחום זה הגלאים הם לרוב גלאים בולומטריים (ראו בהמשך). תת-אדום ארוך מאוד (VLWIR): ‏15-30 מיקרון. חלוקה פחות מוכרת אך נפוצה בטכנולוגיה המיועדת למעבר מרחקים גדולים באטמוספירה. תת-אדום רחוק (FIR) או ביניים (IIR): ‏15-1,000 מיקרון. תחום זה חופף את תחום קרינת טרה-הרץ אשר מטופלת לעיתים בתחום התת-אדום ולעיתים בתחום המיקרוגל. בגובה פני הים, ישנם תחומים של אורכי גל אשר עוברים מרחקים גדולים באטמוספירה, ואחרים הנבלעים לאחר מטרים בודדים או עשרות מטרים. החלונות העיקריים הם: NIR+SWIR: מהאור הנראה ועד ל-2.5 מיקרון – העברה גבוהה ברוב התחום, עם פסי בליעה משמעותיים סביב 1.4 ו-1.9 מיקרון. MWIR: מחולק לשני חלונות העברה: 3-4 ו-4.5-5.5 מיקרון. לרוב מצלמות פועלות ברציפות בכל התחום. תחום זה מחולק לשנים על ידי פס בליעה משמעותי של פחמן דו-חמצני סביב אורך גל של 4.2 מיקרון. לפס בליעה זה השפעה על ההתחממות הגלובלית באמצעות אפקט החממה. LWIR: פס העברה רציף בתחום 8–13 מיקרון, מלבד בליעה בפס צר סביב 9.5 מיקרון. VLWIR: פס מקוטע מאוד המורכב מהעברות ובליעות צרות לסירוגין, בין 16–28 מיקרון. הערכים שלעיל הם מקורבים בלבד, שכן העברה תלויה במרחק אשר הקרינה עוברת באטמוספירה. לדוגמה, ברוב השימושים הכוללים העברה במטרים ספורים בלבד (לדוגמה מצלמה בתוך חדר) תחום אורכי הגל המתאים גדל בהרבה. העברה באטמוספירה תלויה גם בהרכב המדויק של האטמוספירה. לדוגמה, ההעברה תלויה באופן משמעותי בלחות הנמצאת באוויר (לחות גבוהה מורידה את ההעברה), ובראות אטמוספירית באופן כללי (המצאות אובך, גשם וכו'). כאשר צופים בעצם מסוים, הקרינה שנצפית בגלאי היא סכום הקרינה שנפלטת מהעצם (הפליטה העצמית) והחזרה של קרינת הסביבה מהעצם. על פי חוק פלאנק עבור גוף שחור, עצם חם יותר פולט קרינה רבה יותר. חוק זה נכון עבור מרבית הגופים בטבע ומעשה ידי אדם (אם כי קיימות נורות כגון LED אשר פולטות קרינה עם אופי שונה לחלוטין). עוצמת הקרינה הנקלטת בגלאי גדלה לכן עם הטמפרטורה של הסביבה ושל העצם הנצפה. פליטה עצמית תלויה בטמפרטורת החומר אך גם בתכונות החומר ופני השטח שלו. את התכונות הללו מכמתים בגודל שנקרא אמיסיביות ומסומן באות ε {\displaystyle \varepsilon } , התלוי באורך הגל, טמפרטורת העצם ופני השטח שלו (גם ברמת הליטוש). בנוסחה, סך הקרינה מהעצם היא I t o t = ε I + ( 1 − ε ) I e n v {\displaystyle I_{tot}=\varepsilon I+(1-\varepsilon )I_{env}} , כאשר I {\displaystyle I} היא קרינת העצם ו- I e n v {\displaystyle I_{env}} היא קרינת הסביבה. עבור מרבית העצמים הטבעיים, וגם עבור עצמים מלאכותיים (מלבד משטחים מלוטשים) האמיסיביות קרובה מאוד ל-1 (לרוב מעל 0.9). בתמונה בתת-אדום מעל 3 מיקרון, מרבית הקרינה מגיעה מפליטה עצמית של העצמים, ולא מהחזרת אור הסביבה (בתנאי סביבה רגילים), מכיוון שפליטת הסביבה דומה בעוצמתה לפליטת העצם, והאמיסיביות קרובה ל-1: כלומר הגוף בולע את מרבית הקרינה שמגיעה אליו, והקרינה ממנו נובעת מהפליטה העצמית. לכן תמונה באורכי גל כאלו נקראת גם תמונת חום, וגלאים הפועלים בתחום נקראים גם גלאי חום. במקרים רבים עוצמת הקרינה מתכונתית בקירוב לטמפרטורת העצם, ואת הקרינות בנוסחה למעלה מחליפים בטמפרטורות: T t o t = ε T + ( 1 − ε ) T e n v {\displaystyle T_{tot}=\varepsilon T+(1-\varepsilon )T_{env}} . יש לשים לב: תופעה זו נכונה בטמפרטורות הנפוצות בעולם, שהן החל מכמה מאות מעלות מתחת לאפס צלזיוס ועד כמה מאות מעלות צלזיוס. בכמה מאות מעלות גם תמונת אינפרה אדום קרוב תורכב ברובה מפליטה עצמית. את המאפיינים הללו אפשר לראות בתמונה משמאל: הנשים חמות יותר מהסביבה, ואזורי הפנים ובייחוד העיניים חמים יותר משאר הגוף, למשל הבגדים והשער שהם מבודדי חום. אותם המאפיינים נראים גם בתמונת הכלב שלמעלה. תמונת תת-אדום קרוב מורכבת ברובה מהחזרת אור הסביבה מעצמים, כי הפליטה העצמית של עצמים בטמפרטורת החדר נמוכה מאוד ביחס למקורות תאורה: ביום השמש; בלילה הירח, אור כוכבים ואורות מלאכותיים. תמונת תת-אדום קרוב לכן תהיה שונה לחלוטין מתמונת תת-אדום רחוק שהיא תמונת חום. למרות זאת, תמונת תת-אדום קרוב היא דומה לתמונת אור נראה במאפייניה הכלליים, אך שונה, מכיוון שעצמים שונים מחזירים יותר או פחות באופן משמעותי. למשל פנים של בני אדם יהיו כהים תמיד (ללא קשר לצבע העור המקורי) והשער לבן תמיד. בעלי חיים שונים מסוגלים לקלוט תדר תת-אדום. טורפים שונים, כגון העכסנים, משתמשים בראייה בתחום התת-אדום למעקב אחר חום הגוף של טרפם גם בשעות הלילה, או כשהטרף מסתתר בסבך. הגלאים נחלקים לשתי קבוצות עיקריות: גלאים פוטו-וולטאים – הם צימוד מוליכים למחצה שהוא צומת PN. חלקיק אור (פוטון) שפוגע באזור הצומת יוצר זרם, שנמדד והופך לתמונה. גלאי פוטו-וולטאי בתחום הת-אדום יכול לפעול רק בטמפרטורה נמוכה מאוד, אחרת התמונה "טובעת" ברעש גדול מאוד שנובע מפליטת הסביבה של הגלאי ומהגלאי עצמו. לכן גלאים כאלה דורשים קירור עמוק מאוד עד לטמפרטורות של 200 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. גלאים בולומטריים – גלאים בעלי התנגדות שמשתנה עם שינוי הטמפרטורה. הקרינה שפוגעת בגלאי גורמת להתחממותו ולכן לשינוי ההתנגדות שלו, שאותה מודדים ומתרגמים לטמפרטורה. התקנים רגישים מאוד מסוג זה שמשמשים בחקר קרינת רקע קוסמית, הם גלאים מוליכי על בטמפרטורה שהיא על גבול המעבר בין מוליך רגיל למוליך על. במצב זה כל שינוי זעיר בטמפרטורה גורם לשינוי גדול מאוד בהתנגדות. גלאים כאלו פועלים כאמור בטמפרטורת המעבר שהיא לרוב נמוכה מאוד, מעלות קלווין בודדות בלבד, ונדרשים למערכת קירור מאסיבית. התקנים רגישים פחות מסוג זה משמשים לתמונות בתחום 8–14 מיקרון. איכות הגלאי נקבעת בעיקר לפי רגישותו, שנמדדת בהפרדת הטמפרטורה שלו, שנקראת NETD ‏– ‎(Noise equivalent Temperature Difference)‎ – כלומר רעש הגלאי כפי שנמדד ביחידות טמפרטורה. זהו בקירוב הפרש הטמפרטורות המינימלי שניתן להבחנה, וככל שהוא נמוך יותר הגלאי רגיש יותר. גלאים בולומטריים רגילים מגיעים לכמה מאיות של מעלה קלווין, בעוד גלאים מוליכי-על מגיעים למיליוניות של מעלה. גורם נוסף חשוב המשפיע על איכות הגלאי הוא זמן התגובה שלו – גלאי טוב הוא בעל זמן תגובה קצר יותר. יישומים אזרחיים תקשורת בין מכשירים – תקשורת בין שלט רחוק למכשיר שהוא מפעיל (מכשיר טלוויזיה וכדומה) נעשה באמצעות קרני תת-אדום. העברת מידע נעשית בדרך הזו, גם בין מכשירי טלפון ניידים ומחשבי כף יד ובין התקנים נוספים, לצורך העברת מידע ממכשיר למכשיר, כך למשל אפשר בטלפונים חכמים להעביר קבצים ממכשיר למכשיר בלחיצת מקש. שלטי הטלוויזיה הראשונים שייצרה חברת זנית, היו מבוססים על אור רגיל, מה שגרם לבעיות לא מעטות, כי הדלקת אור רגילה הייתה מפעילה את הטלוויזיה. תרמוגרפיה הנדסית – בדיקה לא הורסת באמצעות מצלמת תת-אדום מיוחדת, ניתן להבחין בכשלים בבניה, בעיות ניקוז, פיצוץ בצינורות וכדומה. מדידת מרחק – מדידת מרחק של עצמים נעשית באופן שגרתי במצלמות אוטו רפלקס. כיבוי אש – כבאים עושים שימוש במצלמות תרמיות בחדרים אפופי עשן, כמו כן, נעשה שימוש לאחר הכיבוי לאיתור נקודות חמות מאחורי קירות, שעלולות לחדש את השריפה לאחר שכובתה. עכבר מחשב – דגמים המכונים "אופטו-מכניים" משתמשים באור תת-אדום כדי למדוד את מידת התנועה של גלגלים, המסובבים על ידי הכדור שבבסיס העכבר. גם בחלק מהדגמים האופטיים נעשה שימוש באור תת-אדום כדי לשפר את מידת הדיוק של העכבר. תקשורת אופטית – בקווי תקשורת העושים שימוש בסיבים אופטיים, מועבר האות באור תת-אדום. חממות – בחקלאות משתמשים בקרינה התת-אדומה על מנת לחמם את הגידולים. בחממה הבנויה ממראות נכנסת הקרינה בתדירות גבוהה יחסית. המראות משמשות עצם שקוף לתדירות גבוהה, ועצם אטום לתדירות נמוכה. ולכן הקרינה נכנסת, בפנים עוברת הקרינה תמורה, ותדירותה יורדת והיא לא יכולה לצאת, וכך היא נשארת בפנים ומחממת את האוויר. מנורת תת-אדום משמשת לחימום מזון, ובעלי חיים (לרוב בעלי דם קר). אסטרונומיה – תצפיות אסטרונומיות מבוצעות באורכי גל רבים, כולל בתת-אדום. ישנם יישומים בהם יש יתרון לתצפית בתת-אדום על פני תצפית בתחום הנראה, כמו תצפית דרך ענני אבק בין כוכבי (למשל, אל ליבת הגלקסיה) או שימוש באופטיקה אדפטיבית. יישומים צבאיים ראיית לילה – שימוש נעשה בקרינה התת-אדומה ביישומים צבאיים לראיית לילה. מכיוון שחום הגופים שונה, מצלמות תת-אדום מסוגלות להמיר את הפרשי החום השונים לתמונה. וכך ניתן לראות תמונות שלא ניתן לראות באור רגיל, למשל אדם שמסתתר מאחורי שיח או מנוע מכונית מותנע. הנחיה – כלי נשק מונחים תת-אדום. טילים מונחי תת-אדום מתבייתים על חתימות חום. וכך טיל הנורה לכיוון כללי של מטרה חמה, כמו מטוס או רכב, יכול להתביית אל מנועו. כך למשל טילי כתף מונחי תת-אדום אמורים להתביית על המפלטים הלוהטים של מנועי סילון. אמצעי נגד מוכר, הוא הנור שפולט מטוס קרב, כדי לשבש את ההתבייתות של הטילים עליו. זכוכית וגם גלגל העין אינם מעבירים אור תת-אדום רחוק. חומרים שקופים בתחום הזה הם גרמניום, יהלום, סולפיד האבץ (Zinc sulfide), סלניד האבץ (ZnSe), ואף מלח בישול. חומרים השקופים לתת-אדום בינוני (כולל אור נראה) הם ספיר, ספינל (magnesium aluminate spinel) ואלומיניום אוקסי-ניטריד (AlON). על-סגול (אולטרה סגול) IrDA IRST (מערכת חיפוש ועקיבה תת-אדומה) – מערכת לגילוי ועקיבה אחר עצמים הפולטים קרינת תת-אדומה כגון מטוסי סילון ומסוקים תקשורת אופטית תרמוגרפיה תת-אדומה בפורטל בנה ביתך עקרונות פעולה בסיסיים של שלט רחוק, באתר הארץ, 9 בדצמבר 2001 עקרונות פעולה בסיסיים של מצלמת אוטו-פוקוס, באתר הארץ, 7 בינואר 2002 תת-אדום, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) קרינת אינפרא אדום, דף שער בספרייה הלאומית תמונת תת-אדום קרוב לעומת אור נראה באתר חברת Goodrich Superconducting Bolometers at Yale Prober Lab(הקישור אינו פעיל, 5.1.2024)