6.2. История инфракрасной технологии

В 1800-м году английский астроном Уильям Гершель, ставший знаменитым после открытия им планеты Уран,

занимался поиском материала оптического фильтра для наблюдения за Солнцем. Очень скоро он заметил, что разные образцы цветного стекла дают не только разное снижение яркости, но и разное тепловое воздействие на оболочку глаза. Некоторые образцы почти не пропускали тепло, в то время как другие вызывали боль как при ожоге уже после нескольких секунд наблюдения.

Это заинтересовало Гершеля. Он решил изучить вопрос о том, какие лучи несут больше всего тепла. С этой целью Гершель закрасил черной краской шарик чувствительного стеклянного ртутного термометра и стал исследовать эффект нагрева, получаемого при использовании различных цветов спектра. По мере перемещения зачернённого термометра по цветам спектра от фиолетового к красному значения температуры неуклонно повышались, но на красном цвете получался пик. Гершеля заинтересовало отсутствие экстремума этой функции. С этой целью он продолжил движение дальше. Там, довольно далеко от границы красного цвета, Гершель и обнаружил точку максимального нагрева.

Вначале эту область электромагнитного спектра называли «тёмным теплом», «невидимыми лучами» и так далее. Сам термин «инфракрасный» появился через 70-80 лет. Пока же, сразу после открытия инфракрасного излучения (ИКИ), учёных больше интересовал вопрос сходств и различий вновь открытого излучения и обычного света. Было выяснено, что это излучение, как и видимый свет распространяется по прямой линии, может отражаться, преломляться, претерпевать дифракцию, интерференцию, поляризацию. Скорость распространения ИКИ равна C₀. Тогда же была выявлена довольно слабая прозрачность обычного стекла для теплового излучения, что ставило под вопрос применение ИКИ. Но в 1830-м

году итальянский исследователь М. Меллони обнаружил, что кристаллы обычной каменной соли (NaCl), встречающейся в природе, имеют необычайно высокую степень прозрачности для ИКИ. Размеры этих кристаллов могут достигать величин, достаточных для изготовления линз и призм. Целых 100 лет инфракрасная оптика основывалась на кристаллах каменной соли, пока в 1930-м году были выращены первые синтетические кристаллы, которые и применяются до настоящего времени.

Термометры в качестве детекторов ИКИ использовались до 1829-го года, когда была изобретена термопара. Она представляет собой термочувствительный элемент в устройствах для измерения температуры и состоит из двух последовательно соединенных между собой (спаянных) разнородных проводников. Если они находятся при разных температурах, то в цепи термопары возникает «термоэдс», величина которой однозначно связана с разностью температур «горячего» и «холодного» контактов. Последовательное соединение нескольких термопар позволило уже в те годы обнаружить тепло от человека на расстоянии в три метра от «термобатареи».

Но самым важным событием в истории инфракрасной технологии стало получение «теплового изображения». В 1840-м году Джон Гершель (сын Уильяма Гершеля, также ставший знаменитым астрономом) сфокусировал на тонкой масляной плёнке тепловую картинку. Возникающее испарение этой плёнки было сильнее там, где была больше температура. Тепловое изображение можно было видеть в отражённом свете, когда интерференционные эффекты масляной плёнки делали его видимым для глаза. Джону Гершелю также удалось получить простейшее воспроизведение теплового изображения на бумаге, которое он назвал «термографом».

Следующим крупным прорывом явилось изобретение «болометра». Он состоит из тонкой зачернённой полоски платины, подсоединённой к одному плечу измерительного моста Уитстона, на которой было сфокусировано ИКИ. В схему включался чувствительный гальванометр. Данный инструмент мог обнаружить тепло от коровы на расстоянии 400 метров. И это в 1880-м году!

Для того, чтобы приёмник ИКИ не регистрировал своё собственное излучение, чувствительный элемент приём-ника должен иметь очень низкую температуру. Эта проб-лема разрешилась в 1892-м году, когда Джеймс Дьюар изобрёл уникальный контейнер с вакуумной термоизоля-цией, в которой можно хранить сжиженные газы в течение многих дней. Обычный бытовой термос также создан на основе сосуда Дьюара. Долгие годы охлаждение приём-ника ИКИ производилось жидким азотом, температура кипения которого (-196)⁰С. Тепловизор с таким охлаждением имеет массу порядка 20-30 кг. С переходом на приёмники с термоэлектрическими холодильниками нужда в жидком азоте отпала, и современные тепловизоры имеют массу не более 1 кг, включая аккумулятор.

В современных тепловизорах применяют приемники излучения на основе теллурида кадмия и ртути, имеющие рабочий диапазон длин волн от 8 до 14 мкм. Именно такой чувствительный элемент (ЧЭ), охлаждаемый жидким азотом, имеет тепловизор фирмы Varioscan. В тепловизоре Termovision фирмы AGEMA в качестве ЧЭ используется фотодиод на основе InSb, также охлаждаемый жидким азотом.

Советский тепловизор Статор-1 – сканирующий радиометр – использовал в качестве ЧЭ селенид свинца SePb с термо-электрическим охлаждением.