赤外線

赤外線(せきがいせん)は、可視光線の赤色より波長が長く(周波数が低い)、電波より波長の短い電磁波のことである。ヒトの目では見ることができないである。英語では infrared といい、「赤より下にある」「赤より低い」を意味する(infra は「下」を意味する接頭辞)。分光学などの分野ではIRとも略称される。対義語に、「紫より上にある」「紫より高い」を意味する紫外線(英:ultraviolet)がある。

赤外線の種類

人間の視覚は、波長の長い光を赤色光として感じとるが、その上限は 760 - 830 nm 付近とされ、それより波長の長い光は知覚できず、可視光線の赤色の外側という意味で 赤外線という。ミリ波長の電波よりも波長の短い電磁波全般を指し、波長ではおよそ0.7 μm - 1 mm (=1000 μm) に分布する。

さらに、波長によって、近赤外線中赤外線遠赤外線に分けられる。それぞれの波長区分は学会によって若干異なり、下記の区分はその一例である(例えば天文学では10 μmくらいまでが中赤外線として扱われることが多い)。

一般的分類

近赤外線

近赤外線は波長がおよそ0.7 - 2.5 μmの電磁波で、赤色の可視光線に近い波長を持つ。性質も可視光線に近い特性を持つため「見えない光」として、赤外線カメラや赤外線通信、家電用のリモコンなどに応用されている。

中赤外線

中赤外線は、波長がおよそ2.5 - 4 μmの電磁波で、近赤外線の一部として分類されることもある。赤外分光の分野では、単に赤外と言うとこの領域を指すことが多い。波数が1300 - 650 cm−1 の領域は指紋領域と呼ばれ、物質固有の吸収スペクトルが現れるため、化学物質の同定に用いられる。

遠赤外線

遠赤外線は熱線とも呼ばれ、波長がおよそ4 - 1000 μmの電磁波である。性質は電波に近い。

全ての物質は、熱放射により温度に応じたスペクトルの電磁波を発している。この強度は、高温の物体ほど強くなる。また、熱放射のピークの波長は温度に反比例し、常温の物体では赤外線の強度が最も強くなる。例えば、20 ℃の物体が放射する赤外線のピーク波長は10 μm程度である。

なお、科学用語としての遠赤外線とは全く関係のない商品等で「遠赤外線の効能」を謳うものが多数存在するが、それらは科学的な根拠のない疑似科学的なものであり、注意が必要である。

その他の分類

帯域名 波長 光エネルギー
近赤外線 (Near-infrared, NIR) 0.75-1.4 µm 0.9-1.7 eV
短波長赤外線 (Short-wavelength infrared, SWIR) 1.4-3 µm 0.4-0.9 eV
中波長赤外線 (Mid-wavelength infrared, MWIR) 3-8 µm 150-400 meV
長波長赤外線 (Long-wavelength infrared, LWIR)
熱赤外線 (Thermal infrared, TIR)
8–15 µm 80-150 meV
遠赤外線 (Far infrared, FIR) 15-1,000 µm 1.2-80 meV

特性

赤外線は大気に吸収され、その一部が地上に届く。

Atmosfaerisk spredning
地球放射の一部と太陽放射(0.8 μm 以下。幅が狭いため正確に表現できていない)のスペクトル。青い部分の上下幅が広いところが大気の窓。横軸(Wavelength)が波長、縦軸(Transmittance)が放射の透過率を表す。

水は遠赤外線よりも近赤外線を強く吸収するが、いずれの波長も数mm以上は透過しない[1]。「遠赤外線は体の内部まで浸透し内側から温める」と言われることがあるが、間違いである[2]。遠赤外線はマイクロ波に近い波長を持つが、物質の内部まで浸透する効果は、当然ながらマイクロ波のほうが顕著である。そしてマイクロ波のこの効果は、むしろ人体に有害である可能性が指摘されている。

水に対する吸光度は中赤外線および遠赤外線において高く、したがって生体組織(特に、水分を多く含んだ組織)に対しては浅い部分でその多くが吸収される[3]。このような波長のレーザである炭酸ガスレーザ(λ=10.6 μm)やEr:YAGレーザ(λ=2.94 μm)は生体組織の切開や蒸散(いずれも凝固に比べ高いエネルギー密度や位置選択性が要求される)に利用されている。

また、赤外線は気候にも重大な影響を与えている。地表からは大量の赤外線が放出されるが、この赤外線を二酸化炭素などの温室効果ガスが吸収し赤外線を再度放射する。この働きによって地表の気温は上がる。この一連の動きは温室効果と呼ばれ、地球の気温を大きく上げる役割を果たしている。温室効果による赤外線放射は太陽から直接受け取る熱量を大きく上回っており、もし温室効果が存在しなかった場合は地球は氷点下の凍てついた惑星となる[4]

発見

1800年イギリスウィリアム・ハーシェルにより赤外線放射が発見された。彼は太陽光をプリズムに透過させ、可視光スペクトルの赤色光を越えた位置に温度計を置く実験を行った。この実験で温度計の温度は上昇し、このことから彼は、赤色光の先にも目に見えない光が存在すると結論づけた。この発見に刺激され、翌1801年にはドイツヨハン・ヴィルヘルム・リッターにより紫外線も発見されている。

1850年にはイタリアマセドニオ・メローニが、赤外線には反射、屈折、偏光、干渉、回折がみられ、その性質は可視光と同じであることを実験によって示した。

用途

熱源として

Carbon heater
カーボンヒーター。ピーク波長は遠赤外線領域で、輻射の大部分が赤外線である。

遠赤外線(熱線)の放射は、対象物に熱を与える効果があり、暖房や調理器具などとして利用されている。多くの暖房器具は輻射を利用しているが、暖房効果における輻射の比率には大小がある。主に輻射による暖房器具として、こたつ電気ストーブなどがある。燃焼を使う器具は温度が高いため可視光の比率が多いが、温度の低い触媒燃焼を利用する器具もある。輻射を利用した調理器具としては電気オーブンやオーブントースターが挙げられる。また塗装の工程で塗装面に熱を与えて硬化させる場合には輻射を利用した専用のヒーターが用いられる。リフロー方式によるプリント基板のはんだ付けでは、基板及び部品の加熱に用いるリフロー炉において遠赤外線がしばしば使用される。

上述の通り、遠赤外線は身体の内部から温めると言われるが、これは誤りであり、数ミリ程度しか浸透しない。物質の内部から温める効果としては、遠赤外線よりも波長が長い電磁波であるマイクロ波のほうが、より顕著である。その一方でマイクロ波は対象となる物質によっては、透過したり反射されたりするため、加熱が困難、不可能な場合もある。

透明なシリコーン樹脂製の型にプラスチックのペレットを充填し、近赤外線で加熱・成型する「光成形法」が、金型による射出成型よりも低コストな製造法として注目されている[5][6]

浄水器や燃費改善剤など、熱とは直接的に関係の無い遠赤外線の効果を謳う商品の中には、科学的に実証されていない疑似科学にすぎない商品もある。また遠赤外線は身体に良い効果があるとされる一方で、マイクロ波は『電磁波』と称して人体に悪影響を与えると言われる事が多い。マイクロ波の人体への影響は、現状では可能性が指摘されているだけで、実証は今後の課題である。マイクロ波は100μm以上、遠赤外線は1000 μm以下の波長の電磁波であり、100μm〜1000μmで両者は重複している。遠赤外線の効能、マイクロ波の危険性を訴える立場において、どの波長が境目となるのかの、具体的な発表は無い。

センサとして

近赤外線と遠赤外線は、センサ目的に各分野で広く用いられている。

赤外線は可視光に比べて波長が長いため、散乱しにくい性質を利用して、煙や薄い布などを透過して向こう側の物体を撮影するために用いることができる。また目に見えないという特性もあるため、夜間に被写体を近赤外線光源で照らしても被写体に気付かれることなく撮影することができることから、警備・防衛用途や、野生動物の観察・研究用途にも広く用いられている。これらの用途には、主として近赤外線が用いられる。

一方、あらゆる物体はそれ自身の温度によった遠赤外線を出している(黒体放射)ため、遠赤外線センサは、光源が無い場所でも目標を視認することが可能となる。また黒体放射においては、温度に応じて異なる周波数の赤外線が放射されることから、対象物の温度を検知できる。これを利用した技術がサーモグラフィーである。

リモートセンシング衛星

地表や海面の温度を調べるのはもちろんのこと、植生の状況をモニタリングするために近赤外域や中間赤外域(短波長赤外域)が使用される。植生は太陽光の可視域の反射が低く、近赤外域の反射が非常に強いという分光反射特性をもつ。可視赤色域と近赤外域を用いた植生指数が多数提唱されている。

赤外線天文学

赤外線で星や銀河等を観測することにより、他の波長の電磁波ではわからない現象を調べることができる。例えば我々の銀河系中心方向には視線方向に、可視光を吸収してしまう星間物質があるため可視光線では観測できないが赤外線を検出することにより、銀河中心付近の星の分布などを調べることができる。

通信手段として

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赤外線通信 (D901iS)

近距離赤外線通信規格IrDAの携帯電話への普及により、赤外線通信が一般に認知され、使用されるようになった。電波で通信する方式に比べて、信号が空間的に広がりにくく(回折を起こさず)、障害物があると通信できない欠点はあるものの、それは第三者に傍受されにくいというセキュリティ上の大きな長所でもある。

ザウルスなどの以前の機種では、ASK方式が用いられていた。

また、屋外で使う自動車用ドアロック・ワイヤレスリモコンは周囲の明るい光が妨害源となり赤外線通信には不向きであるので電波を利用するものが多いが、強烈な光に晒されることのない屋内で使われる家電製品のワイヤレスリモコンは電磁ノイズの影響を受けない赤外線を利用しているものがほとんどである。

音の伝送

のワイヤレス伝送を行う場合に、電波を使わずパルス変調した赤外線を光源から発信し、受光器で受信して復調する機器がいくつか存在する。家庭用ではヘッドフォンで使用され、業務用ではカラオケマイクロフォン同時通訳を聞く際のレシーバに使用されている。

電波と異なり壁を透過しないので外部との混信や盗聴の心配が少なく、マルチチャンネル化も容易で利便性が高いが、一方で送受信器の間に大きな物体があるなど赤外線が届かない条件もしばしば起きるため、使用場所の形状によっては送受信器のうち固定器側について数を増やしたり、人や物に遮られない高所に設置するなどの検討が必要になる。また移動器側も衣服のポケットに入れたり、手で握るなど赤外線を遮らないよう注意する必要がある。受信機に太陽光などの強力な熱線が当たると受信センサーの赤外線が飽和して伝送が不調になる場合もある。

静脈認証

生体認証の一方式として使用される。皮膚への浸透深度は近赤外線域では数mm(最大6 mm)である。短波長側(0.7 - 0.8 μm)の近赤外光は静脈認証[7]や医療用の一部の検査装置[8]などに利用される。静脈認証は静脈血内のヘモグロビンが近赤外光を強く吸収する性質を利用している[9]

赤外分光法

全ての分子には、ある決まった周波数の電磁波を吸収する性質がある。これを赤外線の領域で調べる手法が赤外分光法 (IR法) であり、分子内部における原子の振動状態を通じて物質の構造に関する知見を得ることができる。赤外領域の基準振動がスペクトル分析の基本であるが、吸収が大きすぎるため、近赤外領域にある、吸収の少ない倍音、三倍音を観測することもある。近赤外の分光法は赤外に比べ感度が極めて低く、そのため利用が遅れていたが、分析手法の発達により、非破壊検査・測定に利用されるようになった。

熱紋

熱紋とは熱源から放射される赤外線の固有の波長分布や形状を指し、熱紋をデータベースと照合することにより熱源を同定することができる。

話題

特別な場合に限られるものの、ヒトの視覚でも赤外線を感知できることもあるという [10]

出典

  1. ^ 赤外線の話 - 図5 膜厚が異なる水膜の赤外吸収スペクトル
  2. ^ 社団法人遠赤外線協会「遠赤外線とは?・遠赤外線技術」
  3. ^ 日本生体医工学会監修「MEの基礎知識と安全管理 改訂第5版」p51
  4. ^ 「太陽系探検ガイド エクストリームな50の場所」p83-84 デイヴィッド・ベイカー、トッド・ラトクリフ著 渡部潤一監訳 後藤真理子訳 朝倉書店 2012年10月10日初版第1刷
  5. ^ 光成形、マイクロ波成形のしくみ、ディーメック
  6. ^ 35年前の初代G-SHOCKが新品相当に復活。“光成形”レストアサービス、Impress Watch、2018年10月31日、同年11月25日閲覧
  7. ^ マイクロソフト Enterprise Web「IT先進企業 日立製作所」
  8. ^ 近赤外線トポグラフィによる脳機能計測 (PDF) (一例)
  9. ^ 実用化が進む生体認証技術 (PDF) - 静脈認証技術とその適用事例(沖電気)
  10. ^ 人間にもスーパービジョンが!?不可視とされていたはずの赤外線が特定の条件下で見えることが判明(米研究)

関連項目

2MASS

2MASS は、米国の研究機関が実施した近赤外線領域での天文観測プロジェクトの1つであり、 Two Micron All-Sky Survey (直訳すれば「2マイクロメートル(波長)における全天サーベイ」) の意味である 。 観測は、完全な全天走査を行なうため、北半球と南半球にそれぞれ1基ずつ設置された望遠鏡 (Fred Lawrence Whipple Observatory (米国アリゾナ州) と セロ・トロロ汎米天文台 (チリ) に設置) で、1997年から2001年にかけて実施された。この最新の全星野の地図作成という、極めて野心的なプロジェクトの処理済最終データは、2003年にリリースされた。これにおいて全天は、2マイクロメートル赤外線領域の、J (1.25 m)、 H (1.65 m)、 および Ks (2.17 m)という3つの波長帯(バンド)での測光データで網羅されている。

このサーベイの目標は大体次のようなものである。

この最後の目標は立派に達成されており、コンピュータープログラムにより自動で、平均14等級までの点状光源(恒星、惑星、小惑星)と非点状光源(銀河、星雲)の無数の詳細データがカタログ化された。データ点数は、点状光源は3億点、非点状光源は100万点以上にものぼる。2003年11月には、ある科学者のチームが2MASSのデータ分析に基づいて、銀河系の最も近い伴銀河であるおおいぬ座矮小銀河を発見したと発表した。

最終データとサーベイで得られた画像は、現在はパブリックドメインにあり、カリフォルニア工科大学赤外線画像処理・分析センター (Caltec IPAC)のサイトで誰でもアクセスできる 。また、同サイトには、2MASS関連科学出版物のリストと、これらの論文の発表前フリーコピーへのリンクが掲載されている。

2MASSのスポンサーは以下のとおりである。マサチューセッツ大学 (UMass)、NASAジェット推進研究所 (JPL) とカリフォルニア工科大学 (Caltech) が運営する赤外線画像処理・分析センター、NASA、およびアメリカ国立科学財団 (NSF)。

2MASSにより発見された地球から30光年以内にある褐色矮星の主なものは次のとおりである。

AQUOS PHONE

AQUOS PHONE (アクオスフォン)は、2011年にシャープが開発、発売したAndroid搭載スマートフォンの愛称、商標である。

シャープの液晶テレビ「AQUOS」のブランドを付与された携帯電話端末として「AQUOSケータイ」「AQUOS SHOT」に次ぐ3代目となる。

Arrows (携帯電話)

arrows(アローズ)は、富士通コネクテッドテクノロジーズ(2016年2月、富士通本体から携帯電話事業を移管)がNTTドコモ向けに、富士通モバイルコミュニケーションズ(旧:富士通東芝モバイルコミュニケーションズ、以下富士通モバイル・富士通東芝)がKDDI/沖縄セルラー電話連合(各auブランド)とソフトバンク(SoftBankブランド・Y!mobileブランド(旧イー・モバイルブランド))向けに展開するAndroid搭載スマートフォン、ならびに富士通コネクテッドテクノロジーズ、富士通クライアントコンピューティング(2016年2月、富士通本体からパソコン事業を移管)が展開するAndroid・Windows搭載タブレット端末のブランドである。

2018年1月31日、投資ファンドのポラリス・キャピタル・グループに携帯電話事業を売却することを正式に発表した。「arrows」ブランドは、ポラリスの新会社へと引き継がれる。

DIGNO

DIGNO (ディグノ)は、京セラが日本国内向けに展開するAndroid搭載スマートフォン、およびAndroid搭載フィーチャーフォン(ガラホ)のブランドである。

Docomo with series

docomo with series(ドコモ・ウィズ・シリーズ)は、2011年10月18日に発表されたNTTドコモによるスマートフォンの分類のひとつである。ドコモ スマートフォンのサブカテゴリーにあたる。

IrDA

IrDA(アイアールディーエイ、Infrared Data Association)は赤外線による光無線データ通信を規格化している団体であり、またその規格そのものの名称である。特に規格に関しては、 IrDA DATA と呼ぶ。

MEDIAS

MEDIAS(メディアス)は、NECカシオ モバイルコミュニケーションズ(現・日本電気)がNECブランド(Nシリーズ)で展開していたスマートフォン、及び日本電気(NEC)が展開するタブレット端末のブランドである。商標権(登録商標第5240846号)はNECカシオが保有する。

サウナ風呂

サウナ風呂(サウナぶろ)、または略して単にサウナ(芬: Sauna)とは、フィンランド式の蒸し風呂。

ステルス性

ステルス性(ステルスせい、英: stealth)とは、軍用機、軍艦、戦闘車両等の兵器をレーダー等のセンサー類から探知され難くする軍事技術の総称である。単にそれらの技術を取り入れて開発された兵器を指してステルスと呼ぶ事もある。ステルス性という言葉は「ある兵器がセンサー類からどの程度探知され難いか」という事を相対的に表す。正式な軍事用語としては低観測性 (low observable) と言い、略してLO特性などと呼ぶ。

ドコモ スマートフォン

ドコモ スマートフォンは、NTTドコモによる携帯電話の分類。

狭義には、2010年1月21日にXperia SO-01B(ソニー・エリクソン→ソニーモバイル)と同時発表され、2011年秋まで展開され、2013年夏から再び展開される分類のひとつ。本項では以下の通り記述する。

第1期 - 2010年春のXperia SO-01Bから2011年秋のXperia ray SO-03Cまで

第2期 - 2013年夏のXperia A SO-04Eから

広義には、1.、「docomo with series」、「docomo NEXT series」からなるドコモのコンシューマー向けスマートフォンの総称。

レーザー

レーザー(laser)とは、光を増幅して放射するレーザー装置を指す。レーザとも呼ばれる。レーザー光は指向性や収束性に優れており、また、発生する電磁波の波長を一定に保つことができる。レーザーの名は、Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(輻射の誘導放出による光増幅)の頭字語(アクロニム)から名付けられた。

レーザーの発明により非線形光学という学問が生まれた。

レーザー光は可視光領域の電磁波であるとは限らない。紫外線やX線などのより短い波長、また赤外線のようなより長い波長のレーザー光を発生させる装置もある。ミリ波より波長の長い電磁波のものはメーザーと呼ぶ。

可視光線

可視光線(かしこうせん 英:Visible light)とは、電磁波のうち、ヒトの目で見える波長のもの。いわゆる光のことで、可視光ともいう。JIS Z8120の定義によれば、可視光線に相当する電磁波の波長は下界はおおよそ360-400 nm、上界はおおよそ760-830 nmである。可視光線より波長が短くなっても長くなっても、ヒトの目には見ることができなくなる。可視光線より波長の短いものを紫外線、長いものを赤外線と呼ぶ。可視光線に対し、赤外線と紫外線を指して、不可視光線(ふかしこうせん)と呼ぶ場合もある。

可視光線は、太陽やそのほか様々な照明から発せられる。通常は、様々な波長の可視光線が混ざった状態であり、この場合、光は白に近い色に見える。プリズムなどを用いて、可視光線をその波長によって分離してみると、それぞれの波長の可視光線が、ヒトの目には異なった色を持った光として認識されることがわかる。各波長の可視光線の色は、日本語では波長の短い側から順に、紫、青、水色、緑、黄、橙、赤で、俗に七色といわれるが、これは連続的な移り変わりであり、文化によって分類の仕方は異なる(虹の色数を参照のこと)。波長ごとに色が順に移り変わること、あるいはその色の並ぶ様を、スペクトルと呼ぶ。

もちろん、可視光線という区分は、あくまでヒトの視覚を主体とした分類である。紫外線領域の視覚を持つ動物は多数ある(一部の昆虫類や鳥類など)。太陽光をスペクトル分解するとその多くは可視光線であるが、これは偶然ではない。太陽光の多くを占める波長域がこの領域だったからこそ、人間の目がこの領域の光を捉えるように進化したと解釈できる。

可視光線は、通常はヒトの体に害はないが、例えば核爆発などの強い可視光線が目に入ると網膜の火傷の危険性がある。太陽の光を直接見ても同様である。

周波数

周波数(しゅうはすう 英:frequency)とは、工学、特に電気工学・電波工学や音響工学などにおいて、電気振動(電磁波や振動電流)などの現象が、単位時間(ヘルツの場合は1秒)当たりに繰り返される回数のことである。

宇宙望遠鏡

宇宙望遠鏡(うちゅうぼうえんきょう)とは、地球の衛星軌道上などの宇宙空間に打ち上げられた天体望遠鏡のことである。地上に設置された望遠鏡に対して多額の費用がかかることと、打ち上げを要する困難さはあるが、地球大気に邪魔されず観測できるため、現代観測天文学の重要な設備となっている。

広視野赤外線サーベイ望遠鏡

広視野赤外線サーベイ望遠鏡(こうしやせきがいせんサーベイぼうえんきょう、英: Wide Field Infrared Survey Telescope、WFIRST)は、2010年に全米科学アカデミーによって”今後10年間で行う天文研究”で最優先計画として推奨された赤外線天文学の宇宙望遠鏡を含む観測計画。2012年にアメリカ国家偵察局からの口径2.4mの主鏡の提供を受けた後、2016年2月17日、WFIRSTはNASAの公式ミッションに指定された。2018年5月にWFIRSTプロジェクトは、打ち上げに向けた予備段階のフェーズBへ進んだ。

暗視装置

暗視装置(あんしそうち、英: Night vision device、NVD; 暗視鏡とも)は、夜間や暗所でも視界を確保するための装置。航空機用のものについてはANVIS(英: Aviator's Night Vision Imaging System)と略称される。

元々は軍事技術として開発・発展したものだが、1980年代後半から天文用としても注目された。自動車や監視カメラなど民生用にも応用され、玩具や双眼鏡のような日用品としても販売される。

空対空ミサイル

空対空ミサイル(くうたいくうミサイル、英語: air-to-air missile, AAM)は、兵器の1種であり、空中から発射され空中の目標を攻撃するためのミサイルである。

艦対艦ミサイル

艦対艦ミサイル(かんたいかんミサイル、英語: ship-to-ship missile, SSM)は、艦船から発射され、艦船を目標にされる対艦ミサイルのこと。

比較的低速の艦船を目標にし、また、敵艦対空ミサイルの射程外から発射できるよう射程が長いことが望ましいため、ジェットエンジンが使われることがある。遠距離ゆえに水平線下となる目標を攻撃することも考慮し、発射後は母艦からの誘導が必要無いアクティブ・レーダー・ホーミングや赤外線ホーミングなどの誘導方式が使われる。

電波

電波(でんぱ)とは、電磁波の一分類であり、光より周波数が低い(言い換えれば波長の長い)ものを指す。光としての性質を備える電磁波のうち最も周波数の低いものを赤外線(又は遠赤外線)と呼ぶが、それよりも周波数が低い。電波は人工的に発生させ(送信機)、それをアンテナを用いて受信することができ、その仕組みは様々な場面で利用されている。

電磁波
放射線(物理学と健康)

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