赤外線

赤外線は一般的に、人間の目には見えない波長より長い波長から始まると考えられています。目の感度は波長が約 700  nm を超えると急速かつ滑らかに低下するため、見える波長に厳密な制限はありません。したがって、十分明るければ、それより少し長い波長でも見ることができますが、通常の定義では赤外線に分類される可能性があります。そのため、近赤外線レーザーからの光は、暗い赤色に見えることがあり、実際には大量のエネルギーを運ぶ可能性があるため危険を伴うことがあります。 パルスレーザーからの 1,050 nm までの波長の赤外線でさえ、特定の条件下では人間が見ることができます。^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

一般的に使用される細分化方式は次のとおりです。^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

熱画像（上）と通常の写真（下）の比較。ビニール袋は長波長赤外線に対してほぼ透明だが、男性の眼鏡は不透明である。

近赤外線（NIR）と短波赤外線（SWIR）を合わせた帯域は反射赤外線と呼ばれることがあり、中波赤外線（MWIR）と長波赤外線（LWIR）を合わせた帯域は熱赤外線と呼ばれることがある。

国際照明委員会（CIE）は、赤外線放射を次の3つの帯域に分割することを推奨しました。^{[ 23 ] [ 24 ]}

ISO 20473では、次のスキームが規定されています。^{[ 25 ]}

天文学者は通常、赤外線スペクトルを次のように分割します。^{[ 26 ]}

これらの区分は正確ではなく、出版物によって異なる場合があります。3 つの領域は、異なる温度範囲の観測に使用され、^{[ 27 ]}宇宙の異なる環境を観測します。

天文学で最も一般的に用いられる測光システムでは、使用するフィルターに応じて異なるスペクトル領域に大文字が割り当てられます。I、J、H、Kは近赤外線領域を、L、M、N、Qは中赤外線領域を表します。これらの文字は一般的に大気透過窓に関連して理解されており、例えば多くの論文のタイトルにも見られます。

3つ目の方式は、さまざまな検出器の応答に基づいて帯域を分割します。^{[ 28 ]}

• 近赤外線：0.7～1.0μm  （人間の目の応答範囲のほぼ終端からシリコンの応答範囲まで）。
• 短波赤外線：1.0～3μm  （シリコンのカットオフ波長から中波赤外線大気透過窓までの波長）。InGaAsは1.8μm付近までをカバーし 、感度の低い鉛塩もこの領域をカバーする。極低温冷却MCT検出器は1.0～2.5μmの領域をカバーできる 。
• 中波赤外線：3～5μm  （大気の窓によって定義され、アンチモン化インジウム（InSb）とテルル化カドミウム水銀（ HgCdTe）、およびセレン化鉛（PbSe）の一部によってカバーされる）。
• 長波赤外線：8～12μm、または7～14μm （これはHgCdTeとマイクロボロメータ がカバーする大気透過窓です）。
• 超長波赤外線（VLWIR）（12～約30μm  、ドープシリコンで覆われている）。

近赤外線は、人間の目で検出可能な放射線に波長が最も近い領域です。中赤外線と遠赤外線は、可視光スペクトルから次第に遠ざかります。その他の定義は、異なる物理的メカニズム（発光ピーク、バンド、水の吸収など）に基づいており、最新の定義は技術的な理由に基づいています（一般的なシリコン検出器は約1,050 nmまで感度があります が、InGaAsの感度は特定の構成に応じて約950  nmから始まり、1,700～2,600  nmの間で終わります）。これらの仕様に関する国際規格は現在存在しません。

赤外線の開始波長は（様々な規格によって）一般的に700  nmから800  nmの間で定義されていますが、可視光と赤外線の境界は厳密には定義されていません。人間の目は700  nmを超える波長の光に対して著しく感度が低いため、より長い波長は一般的な光源で照らされたシーンにはほとんど影響を与えません。特に強い近赤外線（例えば、レーザー、LED、または可視光をフィルターで除去した明るい日光）は、約780  nmまで検出可能で、赤色光として認識されます。1,050 nmもの長い波長を提供する強い光源は、 鈍い赤色の光として見えるため、暗いシーンを近赤外線で照らす際に多少の困難が生じます（通常、この実際的な問題は間接照明によって解決されます）。葉は近赤外線で特に明るく、IRフィルターの周囲から漏れる可視光をすべて遮断し、視覚的に不透明なIR透過写真フィルターを通して来る非常に暗い画像に目が慣れるまで少し時間を置くと、IRで光る葉からなるウッド効果を見ることができる。 ^{[ 29 ]}

光通信では、使用される赤外線スペクトルの部分は、光源、伝送/吸収材料（ファイバー）、および検出器の利用可能性に基づいて 7 つのバンドに分割されます。^{[ 30 ]}

Cバンドは長距離通信ネットワークにおいて主流の周波数帯である。SバンドとLバンドは、それほど確立されていない技術に基づいているため、広く普及していない。

赤外線は、目視に必要な可視光が不足している場合に暗視装置で使用されます。^{[ 34 ]}暗視装置は、周囲の光子を電子に変換し、それを化学的および電気的なプロセスで増幅し、再び可視光に変換するプロセスによって動作します。^{[ 34 ]}赤外線光源は、暗視装置による変換に利用できる周囲の光を増強するために使用でき、実際に可視光源を使用せずに暗闇での視認性を向上させます。^{[ 34 ] [ 1 ]}

赤外線と暗視装置の使用は、物体とその周囲の環境から放射される赤外線（熱）を検出して表面温度の差に基づいて画像を作成するサーマルイメージングと混同してはならない。 ^{[ 35 ] [ 8 ]}

赤外線は、物体の温度を遠隔で測定するために使用できます（放射率が既知の場合）。これはサーモグラフィと呼ばれ、近赤外線または可視光領域で非常に高温の物体を測定する場合は、パイロメトリーと呼ばれます。サーモグラフィ（熱画像）は主に軍事および産業用途で使用されていますが、製造コストが大幅に削減されたことにより、自動車用赤外線カメラの形で一般市場にも普及しつつあります。

サーモグラフィーカメラは、電磁スペクトルの赤外線領域（およそ9,000～14,000 nm、または9～14  μm）の放射線を検出し、その放射線の画像を生成します。黒体放射の法則によれば、すべての物体は温度に応じて赤外線を放射するため、サーモグラフィーによって可視光の有無にかかわらず、周囲の環境を「見る」ことが可能になります。物体から放射される放射線の量は温度とともに増加するため、サーモグラフィーでは温度変化を視覚的に捉えることができます（これがサーモグラフィーという名前の由来です）。

ハイパースペクトル画像とは、各ピクセルにおいて広範囲のスペクトルを連続的に捉えた「画像」のことです。ハイパースペクトルイメージングは​​、特に近赤外線（NIR）、短波赤外線（SWIR）、中波赤外線（MWIR）、長波赤外線（LWIR）のスペクトル領域において、応用分光法の分野で重要性を増しています。代表的な応用例としては、生物学、鉱物学、防衛、産業分野における計測などが挙げられます。

熱赤外線ハイパースペクトルイメージングは​​、サーモグラフィカメラを使用して同様に実行できますが、根本的な違いは、各ピクセルが完全なLWIRスペクトルを含んでいることです。したがって、太陽や月などの外部光源を必要とせずに、対象物の化学的識別を実行できます。このようなカメラは、通常、地質学的測定、屋外監視、およびUAVアプリケーションに使用されます。^{[ 37 ]}

赤外線写真では、近赤外線スペクトルを捉えるために赤外線フィルターが使用されます。デジタルカメラは赤外線ブロッカーを使用することがよくあります。安価なデジタルカメラやカメラ付き携帯電話はフィルターの効果が弱く、強い近赤外線を捉えることができ、明るい紫がかった白色として表示されます。これは、赤外線が明るい領域（ランプの近くなど）の近くの被写体を撮影する場合に特に顕著で、結果として生じる赤外線干渉により画像が白飛びすることがあります。また、「T線」イメージングと呼ばれる技術もあり、これは遠赤外線またはテラヘルツ放射を使用してイメージングを行うものです。明るい光源がないため、テラヘルツ写真は他のほとんどの赤外線イメージング技術よりも難しくなります。最近では、テラヘルツ時間領域分光法などの多くの新しい開発により、T線イメージングは​​大きな注目を集めています。

赤外線追跡、または赤外線ホーミングとも呼ばれるこのシステムは、標的から放射される赤外線を利用して標的を追跡する受動ミサイル誘導システムです。赤外線を頼りに探知するミサイルは、高温の物体から赤外線が強く放射されるため、「熱追尾ミサイル」と呼ばれることがよくあります。人、車のエンジン、航空機など、多くの物体は熱を発するため、低温の背景とコントラストを成します。^{[ 38 ]}

赤外線は、意図的な加熱源として使用できます。たとえば、赤外線サウナでは、利用者を温めるために使用されます。また、航空機の翼から氷を取り除く（除氷）など、他の加熱用途にも使用できます。^{[ 39 ]}

赤外線加熱は、コーティングの硬化、プラスチックの成形、焼きなまし、プラスチック溶接、印刷物の乾燥など、工業製造プロセスにおいてもますます普及しつつあります。これらの用途では、赤外線ヒーターが対流式オーブンや接触加熱に取って代わります。

さまざまな技術や提案されている技術は、赤外線放射を利用して建物やその他のシステムを冷却します。LWIR (8～15  μm) 領域は、これらの波長の放射の一部が大気の赤外線窓を通して宇宙に逃げることができるため、特に有用です。このようにして、受動的な日中放射冷却(PDRC) 表面は、直射日光の強度の下で周囲温度以下の冷却温度を達成し、エネルギー消費や汚染をゼロにして地球から宇宙への熱流を増加させることができます。^{[ 40 ] [ 41 ]} PDRC 表面は、強力な長波赤外線 (LWIR)熱放射熱伝達を維持しながら、短波太陽光反射率を最大化して熱取得を減らします。^{[ 42 ] [ 43 ]}世界規模で考えると、この冷却方法は地球温暖化を遅らせ、さらには逆転させる方法として提案されており、地球の熱流束のバランスをとるために、地球の表面積の 1～2% を覆う必要があるという推定もあります。^{[ 44 ] [ 45 ]}

赤外線データ伝送は、コンピュータ周辺機器や携帯情報端末間の近距離通信にも利用されています。これらの機器は通常、赤外線データ協会（ IrDA ）が発行する規格に準拠しています。リモコンやIrDA機器は、赤外線発光ダイオード（LED）を使用して赤外線を放射し、レンズで集光してユーザーが検出器に向けるビームにします。このビームは、受信機が解釈するコードに従って変調、つまりオン/オフが切り替えられます。実用的な理由から、通常は近赤外線（800 nm以下）が使用されます。この波長は、受信機が検出した放射を電流に変換するために使用する安価なシリコンフォトダイオード によって効率的に検出されます。この電気信号は、赤外線送信機による高速パルスを保持しつつ、周囲光からのゆっくりと変化する赤外線をフィルタリングするハイパスフィルタを通過します。赤外線通信は、人口密度の高い地域での屋内使用に有効です。赤外線は壁を透過しないため、隣接する部屋の他の機器に干渉しません。赤外線は、リモコンで家電製品を操作する最も一般的な方法です。RC -5やSIRCなどの赤外線リモコンプロトコルは、赤外線通信に使用されます。

赤外線レーザーを使用した自由空間光通信は、放射線による損傷を除けば、光ファイバーケーブルを埋設するコストと比較して、都市部で最大 4 ギガビット/秒で動作する通信リンクを設置する比較的安価な方法となり得る。「目は赤外線を検出できないため、損傷を防止または軽減するためにまばたきしたり目を閉じたりしても効果がない可能性がある。」^{[ 46 ]}

赤外線レーザーは、光ファイバー通信システム用の光源として使用されます。標準的なシリカ ファイバーの場合、波長は1,330 nm付近（分散が最も少ない）または1,550  nm付近（透過率が最も高い）が最適です。

印刷された標識の音声版を赤外線データで伝送する技術は、遠隔赤外線音声標識プロジェクトを通じて、視覚障害者の支援手段として研究されている。赤外線データをある機器から別の機器に送信することは、ビーム伝送と呼ばれることもある。

IRは、音声誘導ループの代替として、補助音声に使用されることがある。

赤外振動分光法（近赤外分光法も参照）は、分子を構成する結合を分析することで分子を同定できる技術です。分子内の各化学結合は、その結合に固有の周波数で振動します。分子内の原子のグループ（例：CH₂ _）は、グループ全体の伸縮運動や曲げ運動によって複数の振動モードを持つ場合があります。振動によって分子内の双極子モーメントが変化すると、同じ周波数の光子を吸収します。ほとんどの分子の振動周波数は、赤外光の周波数に対応しています。通常、この技術は、中赤外帯（4,000～400 cm⁻¹ ^{）の光放射を用いて}有機化合物を研究するために使用されます。試料中のすべての吸収周波数のスペクトルが記録されます。これを利用して、試料中に存在する化学基の種類や純度（例えば、湿った試料では³²⁰⁰ cm⁻¹付近に幅広いOH吸収が見られる）などの情報を得ることができます。このアプリケーションで放射線を表す単位である cm⁻¹^は、分光波数です。これは、周波数を真空中の光速で割った値です。  

半導体産業では、赤外線を用いて薄膜や周期的なトレンチ構造などの材料特性を評価することができます。半導体ウェーハ表面からの光の反射率を測定することで、Forouhi–Bloomer分散方程式を用いて屈折率(n)と消衰係数(k)を求めることができます。また、赤外線の反射率を用いることで、高アスペクト比トレンチ構造の臨界寸法、深さ、側壁角度を決定することも可能になります。

走査型放射計を搭載した気象衛星は、熱画像または赤外線画像を生成します。訓練を受けたアナリストは、これらの画像を用いて雲の高さや種類を特定したり、陸地や水面の温度を計算したり、海洋表面の特徴を特定したりすることができます。走査は通常、10.3～ 12.5μm（IR4およびIR5チャンネル）の範囲で行われます。

サイクロンや積乱雲のように、頂上が高く冷たい雲は、赤や黒で表示されることが多く、層雲や層積雲のような低く暖かい雲は、青や灰色で表示され、中間の雲はそれに応じて陰影がつけられます。高温の地表面は、濃い灰色または黒で表示されます。赤外線画像の欠点の1つは、層雲や霧のような低い雲は、周囲の陸地や海面と温度が似ているため表示されないことです。しかし、IR4チャンネル（10.3～ 11.5μm）と近赤外線チャンネル（1.58～ 1.64μm）の明るさの差を利用することで、低い雲を区別して霧 の衛星画像を作成できます。赤外線の主な利点は、夜間に画像を作成できるため、連続した気象シーケンスを研究できることです。

これらの赤外線画像は、海洋の渦や渦流を描写し、メキシコ湾流などの海流をマッピングできるため、海運業界にとって貴重な情報源となります。漁師や農家は、作物を霜害から守ったり、漁獲量を増やしたりするために、陸地や水温を知ることに関心を持っています。エルニーニョ現象さえも捉えることができます。グレーの濃淡で表現された熱画像をカラーデジタル化技術でカラー化することで、必要な情報をより簡単に識別できるようになります。

6.40～7.08μmの波長域にある主要な水蒸気チャネルは 、一部の気象衛星によって画像化することができ、大気中の水分量を示す。

気候学の分野では、地球と大気間のエネルギー交換の傾向を検出するために、大気赤外線放射が監視されます。これらの傾向は、地球の気候の長期的な変化に関する情報を提供します。これは、太陽放射とともに、地球温暖化の研究において研究される主要なパラメータの1つです。

この研究分野では、連続的な屋外測定を行うためにピルジオメーターが用いられます。これは、約4.5μm から50μmの赤外線放射に対する感度を持つ広帯域赤外線放射計です 。

天文学者は、鏡、レンズ、固体デジタル検出器などの光学部品を用いて、電磁スペクトルの赤外線領域の天体を観測します。そのため、赤外線天文学は光学天文学の一部に分類されます。画像を形成するためには、赤外線望遠鏡の構成要素を熱源から慎重に遮蔽する必要があり、検出器は液体ヘリウムを用いて冷却されます。

地上設置型の赤外線望遠鏡の感度は、大気中の水蒸気によって著しく制限されます。水蒸気は、大気中の特定の透過窓の外側から宇宙から届く赤外線の一部を吸収してしまうためです。この制限は、望遠鏡観測所を高地に設置するか、気球や航空機で望遠鏡を上空に運ぶことで、ある程度緩和できます。宇宙望遠鏡はこのような制約を受けないため、宇宙空間は赤外線天文学にとって理想的な場所と考えられています。

赤外線スペクトルは、天文学者にとっていくつかの有用な利点があります。銀河系内の冷たく暗い分子雲（ガスと塵）は、内部の恒星から放射される熱によって輝きます。また、赤外線は、原始星が可視光を発し始める前に検出するためにも利用できます。恒星はエネルギーのごく一部を赤外線スペクトルで放出するため、惑星などの近くにある低温の天体をより容易に検出できます。（可視光スペクトルでは、恒星のまぶしさによって惑星からの反射光がかき消されてしまいます。）

赤外線は、ガスや塵に覆われていることが多い活動銀河の中心部を観測するのにも役立ちます。赤方偏移の大きい遠方の銀河は、スペクトルのピーク部分が長波長側にシフトするため、赤外線でより容易に観測できます。^{[ 10 ]}

赤外線クリーニングは、一部の映画フィルムスキャナー、フィルムスキャナー、フラットベッドスキャナーで使用されている技術で、スキャン結果に付着したほこりや傷の影響を軽減または除去します。この技術は、可視光カラーチャンネル（赤、緑、青）と同じ位置と解像度で、スキャンから追加の赤外線チャンネルを収集することで機能します。赤外線チャンネルは、他のチャンネルと組み合わせて、傷やほこりの位置を検出するために使用されます。検出された欠陥は、スケーリングによって修正したり、インペインティングによって置き換えたりすることができます。^{[ 47 ]}

赤外線反射法^{[ 48 ]}は、絵画に非破壊的に適用して、特にガイドとして描かれた画家の下絵や輪郭線を明らかにすることができます。美術修復家は、この技術を使用して、目に見える絵具の層が下絵やその間の層とどのように異なるかを調べます（このような変更は、オリジナルの画家によって行われた場合はペンティメンティと呼ばれます）。これは、絵画がオリジナルの画家によるオリジナル版かコピーか、また、過剰な修復作業によって変更されていないかを判断する上で非常に有用な情報です。一般的に、ペンティメンティが多いほど、絵画がオリジナル版である可能性が高くなります。また、制作方法に関する有用な洞察も得られます。^{[ 49 ]}反射法は、多くの場合、画家がカーボンブラックを使用していることを明らかにし、反射図ではそれがよく映りますが、絵画全体の下地にカーボンブラックが使用されていないことが条件です。赤外線反射法は、NIRスペクトル領域の改造された市販のデジタルカメラ、またはSWIRスペクトル領域の専用機器によって実現できます。^{[ 50 ]}最近の反射率測定法のMWIRスペクトル領域への拡張^{[ 51 ] [ 52 ]}は、表面材料の微妙な違いを検出できることが証明されている。

最後に、NIR反射測定はスマートフォンのカメラを使用して良好な結果で実行できます。^{[ 53 ]}

赤外線に敏感なカメラの設計における最近の進歩により、下塗りやペンティメントだけでなく、後に画家によって上塗りされた絵画全体を発見し描写することが可能になった。^{[ 54 ]}注目すべき例としては、ピカソの「アイロンをかける女」と「青い部屋」があり、どちらの場合も、今日知られている絵画の下に男性の肖像画が見えるようになった。

赤外線は、保存修復家や科学者によって、さまざまな種類の物体、特に死海文書、パピルス荘のローマ時代の作品、敦煌石窟で発見されたシルクロードの文書などの非常に古い文書にも同様に使用されています。^{[ 55 ]}インクに使用されるカーボンブラックは非常によく映ります。

クサリヘビ科のヘビは頭部に一対の赤外線感覚器官を持っています。この生物学的赤外線検出システムの正確な熱感度については不明な点があります。^{[ 56 ] [ 57 ]}

熱受容器官を持つ他の生物には、ニシキヘビ（Pythonidae科）、一部のボア（Boidae科）、一般的な吸血コウモリ（Desmodus rotundus）、さまざまなタマムシ（Melanophila acuminata）^{[ 58 ]} 、濃い色のチョウ（Pachliopta aristolochiaeおよびTroides rhadamantus plateni）、そしておそらく吸血昆虫（Triatoma infestans）^{[ 59 ]}などがある。クサリヘビ科とボア科のヘビは、獲物が発する熱を感知することで、赤外線感受性のピット器官を使用して獲物を識別し捕獲する。同様に、一般的な吸血コウモリ（Desmodus rotundus）の赤外線感受性のピットは、温血動物の犠牲者の血液が豊富な領域を識別するのに役立つ。タマムシの一種であるMelanophila acuminata は、赤外線ピット器官を使って森林火災の位置を特定し、最近燃えた木に卵を産み付けます。 Pachliopta aristolochiaeやTroides rhadamantus plateniのような、暗い色素を持つチョウの翅や触角にある温度受容体は、日光浴をする際に熱による損傷から身を守ります。さらに、吸血昆虫 ( Triatoma infestans )が体温を感知することで温血動物の獲物の位置を特定できるという仮説も立てられています。^{[ 59 ]}

Venturia inaequalisのような一部の菌類は、排出するために近赤外線を必要とします。^{[ 60 ]}

近赤外線視覚（780～1,000  nm）は、視覚色素のノイズのために長い間不可能だと考えられてきたが、^{[ 61 ]}コイと3種のシクリッドで近赤外線の感覚が報告されている。^{[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}魚は近赤外線を使って獲物を捕らえ^{[ 61 ]}、光走性遊泳の方向付けを行う。^{[ 65 ]}魚の近赤外線感覚は、薄明時の照明条件が悪い場合^{[ 61 ]}や濁った水面^{[ 65 ]で重要になる可能性がある。}

近赤外線、または光バイオモジュレーションは、化学療法誘発性口腔潰瘍の治療や創傷治癒に使用されます。抗ヘルペスウイルス治療に関連する研究もいくつかあります。^{[ 66 ]}研究プロジェクトには、シトクロムcオキシダーゼのアップレギュレーションやその他の可能性のあるメカニズムによる中枢神経系の治癒効果に関する研究が含まれます。^{[ 67 ]}

特定の産業における高温環境では、強い赤外線放射が目に有害であり、使用者に損傷や失明を引き起こす可能性があります。この放射は目に見えないため、そのような場所では特殊な赤外線遮断ゴーグルを着用する必要があります。^{[ 68 ]}