أولاً: مخطط التقسيم الفرعي الشائع الاستخدام للأشعة تحت الحمراء

تعتمد إحدى طرق تقسيم الأشعة تحت الحمراء الشائعة الاستخدام على نطاق الطول الموجي. وينقسم طيف الأشعة تحت الحمراء عمومًا إلى المناطق التالية:

الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR):يتراوح طول موجة هذا النطاق بين 700 نانومتر (nm) و1.4 ميكرومتر (μm). يُستخدم إشعاع الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) بكثرة في الاستشعار عن بُعد والاتصالات عبر الألياف الضوئية نظرًا لانخفاض فقد التوهين في وسط زجاج السيليكا (SiO2). وتُعدّ مُكثّفات الصور حساسةً لهذا النطاق الطيفي، ومن أمثلتها أجهزة الرؤية الليلية مثل نظارات الرؤية الليلية. كما يُعدّ التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة تطبيقًا شائعًا آخر.

الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة (SWIR):تُعرف أيضاً باسم منطقة "الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة" أو "SWIR"، وتمتد من حوالي 1.4 ميكرومتر إلى 3 ميكرومتر. ويُستخدم إشعاع SWIR بشكل شائع في تطبيقات التصوير والمراقبة والتحليل الطيفي.

الأشعة تحت الحمراء متوسطة الطول الموجي (MWIR):يمتد نطاق الأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة من حوالي 3 ميكرومتر إلى 8 ميكرومتر. ويُستخدم هذا النطاق بشكل متكرر في التصوير الحراري، وتحديد الأهداف العسكرية، وأنظمة الكشف عن الغازات.

الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي الطويل (LWIR):تغطي منطقة الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة أطوال موجية تتراوح من حوالي 8 ميكرومتر إلى 15 ميكرومتر. وهي تستخدم بشكل شائع في التصوير الحراري، وأنظمة الرؤية الليلية، وقياسات درجة الحرارة عن بعد.

الأشعة تحت الحمراء البعيدة (FIR):يمتد هذا النطاق من حوالي 15 ميكرومتر إلى 1 مليمتر في الطول الموجي. ويُستخدم إشعاع الأشعة تحت الحمراء البعيدة بشكل شائع في علم الفلك والاستشعار عن بعد وبعض التطبيقات الطبية.

مخطط نطاق الطول الموجي

يُطلق على الأشعة تحت الحمراء القريبة والأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة معًا أحيانًا اسم "الأشعة تحت الحمراء المنعكسة"، في حين يُشار أحيانًا إلى الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة المتوسطة والأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة باسم "الأشعة تحت الحمراء الحرارية".

ثالثا: تطبيقات الأشعة تحت الحمراء

رؤية ليلية

يلعب الأشعة تحت الحمراء دورًا محوريًا في أجهزة الرؤية الليلية، إذ تُمكّن من رصد الأجسام وتصويرها في ظروف الإضاءة المنخفضة أو المظلمة. تعمل أجهزة الرؤية الليلية التقليدية المُكثّفة للصور، مثل نظارات الرؤية الليلية أو المناظير الأحادية، على تضخيم الضوء المحيط المتاح، بما في ذلك أي إشعاع تحت أحمر موجود. تستخدم هذه الأجهزة مهبطًا ضوئيًا لتحويل الفوتونات الواردة، بما فيها فوتونات الأشعة تحت الحمراء، إلى إلكترونات. ثم تُسرّع هذه الإلكترونات وتُضخّم لتكوين صورة مرئية. غالبًا ما تُدمج مُضيئات الأشعة تحت الحمراء، التي تُصدر ضوءًا تحت أحمر، في هذه الأجهزة لتحسين الرؤية في الظلام الدامس أو في ظروف الإضاءة المنخفضة حيث يكون الإشعاع تحت الأحمر المحيط غير كافٍ.

بيئة ذات إضاءة منخفضة

التصوير الحراري

يمكن استخدام الأشعة تحت الحمراء لتحديد درجة حرارة الأجسام عن بُعد (إذا كانت معامل انبعاثها معروفًا). يُطلق على هذه العملية اسم التصوير الحراري، أو في حالة الأجسام شديدة السخونة في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة أو الضوء المرئي، يُطلق عليها اسم قياس الإشعاع الحراري. يُستخدم التصوير الحراري (التصوير الحراري) بشكل أساسي في التطبيقات العسكرية والصناعية، ولكن هذه التقنية بدأت تصل إلى السوق العامة في صورة كاميرات تعمل بالأشعة تحت الحمراء في السيارات نظرًا لانخفاض تكاليف إنتاجها بشكل كبير.

تطبيقات التصوير الحراري

يمكن استخدام الأشعة تحت الحمراء لتحديد درجة حرارة الأجسام عن بُعد (إذا كانت معامل انبعاثها معروفًا). يُطلق على هذه العملية اسم التصوير الحراري، أو في حالة الأجسام شديدة السخونة في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة أو الضوء المرئي، يُطلق عليها اسم قياس الإشعاع الحراري. يُستخدم التصوير الحراري (التصوير الحراري) بشكل أساسي في التطبيقات العسكرية والصناعية، ولكن هذه التقنية بدأت تصل إلى السوق العامة في صورة كاميرات تعمل بالأشعة تحت الحمراء في السيارات نظرًا لانخفاض تكاليف إنتاجها بشكل كبير.

ترصد الكاميرات الحرارية الإشعاع في نطاق الأشعة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي (حوالي 9000-14000 نانومتر أو 9-14 ميكرومتر) وتنتج صورًا لهذا الإشعاع. وبما أن جميع الأجسام تنبعث منها الأشعة تحت الحمراء تبعًا لدرجات حرارتها، وفقًا لقانون إشعاع الجسم الأسود، فإن التصوير الحراري يُتيح لنا "رؤية" البيئة المحيطة بنا سواءً بوجود إضاءة مرئية أو بدونها. وتزداد كمية الإشعاع المنبعث من الجسم مع ارتفاع درجة حرارته، لذا يسمح التصوير الحراري برؤية التغيرات في درجات الحرارة.

التصوير الطيفي الفائق

الصورة فائقة الطيف هي صورة تحتوي على طيف متصل عبر نطاق طيفي واسع عند كل بكسل. يكتسب التصوير فائق الطيف أهمية متزايدة في مجال التحليل الطيفي التطبيقي، لا سيما في نطاقات الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، والأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة (SWIR)، والأشعة تحت الحمراء ذات الموجة المتوسطة (MWIR)، والأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة (LWIR). تشمل التطبيقات النموذجية القياسات البيولوجية والمعدنية والدفاعية والصناعية.

الصورة فائقة الطيف

يمكن إجراء التصوير الطيفي الحراري بالأشعة تحت الحمراء باستخدام كاميرا حرارية، مع اختلاف جوهري يتمثل في احتواء كل بكسل على طيف كامل للأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة. وبالتالي، يمكن تحديد التركيب الكيميائي للجسم دون الحاجة إلى مصدر ضوء خارجي كالشمس أو القمر. تُستخدم هذه الكاميرات عادةً في القياسات الجيولوجية، والمراقبة الخارجية، وتطبيقات الطائرات المسيّرة.

التدفئة

يمكن استخدام الأشعة تحت الحمراء كمصدر تسخين مُتعمّد في تطبيقات متنوعة. ويعود ذلك أساسًا إلى قدرة هذه الأشعة على نقل الحرارة مباشرةً إلى الأجسام أو الأسطح دون تسخين الهواء المحيط بشكل ملحوظ.

مصدر التدفئة

يُستخدم الإشعاع تحت الأحمر على نطاق واسع في العديد من عمليات التسخين الصناعية. فعلى سبيل المثال، في مجال التصنيع، تُستخدم مصابيح أو ألواح الأشعة تحت الحمراء لتسخين مواد مثل البلاستيك والمعادن والطلاءات لأغراض المعالجة والتجفيف والتشكيل. ويمكن التحكم في الإشعاع تحت الأحمر وتوجيهه بدقة، مما يسمح بتسخين فعال وسريع في مناطق محددة.