книги из ГПНТБ / Левитин И.Б. Инфракрасная техника

В реальных условиях у зеркала р Ф 1, и зависимость коэффициента отражения фильтра р ф от длины волны имеет вид:

Рф ~ (1 + RY + /іа ctga (2nnd/%) '

где # — сопротивление полупрозрачной пленки при по­ стоянном токе, зависящее от ее толщины и проводимости металла; п—показатель

их сторон полупрозрач­ ными слоями металла. Максимальное пропускание такой фильтр имеет для длины волны X, для которой оптиче­ ская толщина слоя d кратна Х/2. Вследствие потерь излучения в полупрозрачных слоях и в диэлектрике максимальный коэффициент пропускания такого фильтра порядка 0,40 (а в минимумах < 0,01). Основной недостаток простейшего пропускающего интерференционного фильтра

110

состоит в том, что ширина его полосы пропускания может быть уменьшена только за счет увеличения коэффициента отражения полупрозрачных слоев, для чего надо увеличить их толщину и, следовательно, снизить пропускание.

Поэтому на практике применяют многослойные интер­ ференционные фильтры, в которых металлические полу­ прозрачные пленки заменены несколькими слоями диэлек­

до 2,6 мкм) или других оптических материалов (например, Li F и др.), пропускающих более длинноволновые излу­ чения.

24. Прохождение инфракрасных излучений сквозь атмосферу

Пропускание инфракрасных излучений атмосферой в зна­ чительной мере зависит от метеорологических условий, в ча­ стности от влажности атмосферы, т. е. количества водяных паров и капелек воды в воздухе. Следовательно, пропуска­ ние излучений атмосферой существенно различается для ясной погоды, для воздушной дымки и легкого тумана, для плотного тумана и для дождя.

Излучение, проходящее через слой атмосферного воз­ духа, ослабляется вследствие трех различных физических процессов: 1) поглощения молекулами газов, составляющих атмосферный воздух; 2) рассеяния частицами воздушной дымки, а также частицами, образующими туманы и облака; 3) рассеяния молекулами атмосферных газов.

111

Воздушная среда представляет собой механическую смесь газов (в основном азота и кислорода, а также ряда других газов в очень малых количествах). Воздух всегда содержит пары воды в различных количествах, зависящих от температуры и давления (от высоты над уровнем моря). Кроме того, в нижних приземных слоях атмосферы всегда имеются взвешенные частицы — пыль, дым, капельки воды разнообразных размеров — от очень маленьких (образую­ щих воздушную дымку) до крупных (образующих туман или выпадающих в виде дождя). Иногда в воздухе содер­ жатся мелкие кристаллики льда (изморозь). Соотношение размеров рассеивающих частиц и длины волны проходя­ щего излучения определяет характер рассеяния (форму индикатриссы рассеяния, зависимость от длины волны и т. д.).

Как уже говорилось выше, в очень чистой атмосфере (например, в высокогорных условиях), состоящей только из молекул газов, рассеяние обратно пропорционально

практически отсутствует, так как размер рассеивающих частиц р много меньше длины волны К. Однако при увели­ чении размеров частиц (например, для капелек воды, об­ разующих воздушную дымку, или очень слабый туман), когда р а і , характер рассеяния сильно изменяется. В ус­ ловиях дымки или слабого тумана инфракрасные излуче­ ния ослабляются атмосферой значительно меньше, чем ви­ димые излучения, но уже в плотном тумане или при дожде (когда капли воды имеют диаметр 5—100 мкм) коэффициент ослабления становится практически одинаковым для всех видимых и инфракрасных излучений вплоть до % = 15 мкм. Для длинноволновых инфракрасных излучений рассеяние

Поглощение излучений атмосферой очень избирательно: слой атмосферного воздуха является фильтром, ослабляю­ щим излучения очень неравномерно по спектру. В спектре излучений, пропущенных через слой воздуха, имеется ряд полос поглощения, вызываемых наличием в воздухе водя­ ных паров, углекислого газа С 0 2 и ряда других газообраз­ ных веществ (озона, закиси азота, метана и др.). Главную роль в поглощении играют пары воды, полосы поглощения

112

которых перекрывают в приземном слое воздуха полосы поглощения других газообразных веществ; такие полосы поглощения водяных паров соответствуют участкам спектра 1,2—1,5; 1,8 — 2,0; 2,5 — 3; 5 — 8 мкм.

Показано, что в верхних слоях атмосферы, на которых влияние паров воды значительно ослаблено, сказывается наличие многочисленных полос поглощения озона, метана, газообразной тяжелой воды (гидроокиси дейтерия HDO) и других газообразных веществ. Исследованию тонких структур спектров поглощения этих веществ посвящено огромное количество работ.

Рис. 53. Кривая спектрального пропускания атмосферы (для тол­ щины слоя 1850 м и приведенной толщи водяных паров 17 мм)

В частности, изучались спектры для углекислого газа С 0 2 в районе 2,05; 2,7; 4,3 и 15 мкм, для озона 0 3 в полосах

тальным результатам этих исследований содержатся в серь­ езной монографии В. Е. Зуева [12].

В итоге найдены кривые спектрального пропускания атмосферы для различных метеорологических условий, которые имеют вид, подобный показанному на рис. 53, от­ носящемуся к одному из состояний атмосферы (толщина слоя 1850 м, приведенная толща водяных паров равна 17 мм). Эти кривые, несколько разнящиеся друг от друга по абсолютной величине пропускания и ширине полос про­ пускания для разных состояний атмосферы, характерны наличием определенных полос пропускания — так назы­ ваемых «окон прозрачности» атмосферы. Наибольшему пропусканию соответствуют «окна» 1,0—1,1; 1,2—1,3; 1,6—1,75; 2,1 — 2,4; 3,4 — 4,2 мкм (пропускание выше 90%) и широкое «окно» 8—12 мкм с пропусканием 60—70%.

113

Г Л А В А Ш Е С Т А Я

ПОЛУЧЕНИЕ ИНФРАКРАСНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ И НЕКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СЛАБОНАГРЕТЫХ ТЕЛ

25. Получение изображения различных объектов с помощью инфракрасных излучений

Получение изображения различных объектов в инфра­ красных лучах, как будет показано ниже, имеет очень большое практическое значение для научных и техниче­ ских целей.

Оно может быть осуществлено либо посредством регистрации инфракрасного излучения, испускаемого не­ значительно нагретыми телами (для чего используется, например, эвапорография, сканирующие тепловизоры и т. д.), либо посредством регистрации инфракрасного из­ лучения, создаваемого специальными источниками и отра­ женного от наблюдаемых объектов (для чего используется инфракрасная фотография на специальных фотографиче­ ских слоях, электронно-оптические преобразователи, те­ левизионные системы и т. п.). Различные по принципам действия и устройству приборы, применяемые для этих целей можно классифицировать так, как это показано на следующей схеме (рис. 54).

Перейдем теперь к краткому описанию методов и аппа­ ратуры для получения изображения с помощью инфра­ красных излучений.

Электронно-оптические преобразователи (ЭОП). Они представляют собой вакуумные приборы, осуществляющие

115

преобразование оптического изображения (в частности, создаваемого инфракрасными излучениями) в электронное и затем снова в оптическое изображение.

Основными частями простейшего (однокамерного) ЭОП являются непрозрачный или полупрозрачный фотокатод, электронно-оптическая система фокусировки электронов

Ин фра кра с ная аппара тура, создающая

из о б р а ж е н и е

Приборы, д е й с т в у ю щ и е без сканирования

Рис. 54. Классификация приборов, применяемых для получения изображения различных объектов в инфракрасных лучах

и катодолюминесцентный экран. Схема устройства про­ стейшего ЭОП показана на рис. 55. Оптическое изображе­ ние наблюдаемого объекта / создается на фотокатоде 3 светосильным объективом 2 с высокой разрешающей спо­ собностью. Падающее на фотокатод излучение вызывает фотоэлектронную эмиссию, причем количество высвобож­ даемых фотоэлектронов с каждого элемента поверхности фотокатода соответствует энергетической освещенности, этого элемента.

116

Эмиттированные из фотокатода 3 электроны фокуси­ руются электронно-оптической системой 41 при высоком ускоряющем напряжении (порядка 15—20 кВ), создавая электронное изображение на поверхности катодолюмннесцентного экрана 5. Этот экран осуществляет вторичное преобразование изображения снова в оптическое. В зави­ симости от выбора катодолюминофора вторичное оптиче­ ское изображение может быть создано в любом спектраль­ ном диапазоне; чаще всего создается видимое изображение, наблюдаемое при помощи окуляра 6 или фотографируемое на фотопленке. Перенос электронного изображения осу­ ществляется с возможно большей резкостью.

Рис. 55. Схема устройства простейшего ЭОП

Для наблюдения в инфракрасной области спектра ис­ пользуются серебряно-кислородно-цезиевые фотокатоды, распределение спектральной чувствительности которых было приведено на рис. 27 (положение максимума спек­

Помимо преобразования спектрального состава оптиче­ ского излучения, ЭОП повышает яркость изображения на 1—2 порядка величины благодаря значительному ускоре­ нию электронов приложенным к ЭОП напряжением. Сое­ диняя однокамерные ЭОП в последовательную каскадную систему, можно в принципе достигнуть сколь угодно боль­ шого усилия яркости изображения при сохранении сравни­ тельно высокой резкости. Передача информации в ЭОП —

1 Устройство и действие фокусирующих электронно-оптиче­ ских систем, представляющее собой специальный вопрос, здесь не •рассматривается вовсе. Основные положения этого вопроса изло­ жены, например, в работе И. Н. Зайделя и Г. И. Куренкова [11].

117

усилителях яркости в виде резкого изображения создает важные преимущества ЭОП перед другими приборами, создающими изображение объекта: 1) в ЭОП достигается высокое отношение полезного сигнала к шуму (собственные «шумы» системы — темновые токи и посторонние засветы распределяются равномерно по всем разрешаемым элемен­ там изображения, и если число их велико (104 — 105 ), то влияние шумов сильно снижается) и 2) ЭОП отличается высокой безынерционностыо (благодаря очень точной элек­ тронно-оптической фокусировке изображения время про­

экранов является рассеяние света зернами люминофора, снижающее резкость изображения.

В табл. 21 приведены основные параметры катодолюминофоров, применяемых в ЭОП (по И. Н. Зайделю и И. Г. Ку-

ренкову [ 1 1 ] ) .

Таблица 21

118

Устройство каскадных ЭОП (например, двухкамерного) показано на рис. 56. В них осуществляется контакт первого экрана со вторым фотокатодом, второго экрана с третьим фотокатодом и т. д. При этом связь между камерами каскадного ЭОП должна быть такой, чтобы по возможности не снижалась разрешающая способность. Для этого разде­ лительная мембрана между экраном первой камеры и фо­ токатодом второй должна быть тонкой и достаточно про­ зрачной. Кроме того, для получения высокого коэффици­ ента усиления должны хорошо совпадать спектральные

Рис. 56. Устройство двухкамерного каскадного ЭОП

Для увеличения разрешающей способности каскадных ЭОП порошковые экраны заменяются пленочными слоями люминофоров ZnS, CdS, изготовляемыми посредством ре­ акции в паровой фазе (сублимат-экраны). Такие экраны, подвергнутые полировке, практически не рассеивают свет и имеют огромную разрешающую способность (до 500 пар линий/мм). Достижение такой разрешающей способности излишне, так как она не может быть реализована в ЭОП с электронной оптикой; поэтому сублимат-экраны не по­ лируют и реализуют для ZnS: Си, Cl весьма высокую раз­ решающую способность до 84 пар ЛИНИЙ/MM. Подложка (соединительная мембрана между камерами) изготовляется из кальциевого стекла или пирекса.

Разрешающая способность каскадного ЭОП неодинакова по площади фотокатода. Так, на рис. 57 (для двухкамер­ ного ЭОП) видно, что она снижается к краям фотокатода из-за искривления поверхности изображения в обеих ка­ мерах. Для того чтобы уменьшить аберрации (главным образом, подушкообразную дисторсию), во второй камере, где они особенно велики, приходится придавать экрану первой камеры кривизну, обратную кривизне изображения.

119