Хроники тепловидения (Часть 1)
Как обычно, корни всех важных вещей так или иначе уходят в Древнюю Грецию – тепловидение в данной ситуации совсем не исключение. Тит Лукреций Кар первый высказал предположение, что существуют некие «тепловые» лучи, невидимые человеческому глазу, но дальше умозрительных заключений дело не дошло. Вспомнили о тепловом излучении в эпоху развития паровой техники и одними из первых стали шведский химик Карл Шееле и немецкий физик Иоганн Ламберт. Первый в своем труде «Химический трактат о воздухе и огне» удостоил теплу целую главу – случилось сие событие в 1777 году и стала предшественником книги «Пирометрия», написанной Ламбертом два года спустя. Ученые выяснили прямолинейность распространения тепловых лучей и определили, наверное, самое главное – их интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Но наиболее поразительный опыт с теплом проделал Марк Огюст Пикте в 1790 году, когда установил друг против друга два вогнутых зеркала, а в фокусе одного поместил нагретый шар. Измерив температуры зеркал, Пикте выяснил удивительную для той эпохи вещь - теплее оказалось зеркало, в фокусе которого находился горячий шар. Ученый пошел дальше и поменял нагретое тело на снежный комок – ситуация развернулась ровно наоборот. Так было открыто явление отражение теплового излучения и навсегда ушло в прошлое понятие о «лучах холода».
Уильям Гершель (1738-1822 гг.) Английский астроном, первооткрыватель инфракрасного излучения. Источник - ru.wikipedia.org
Следующей значимой личностью в истории тепловидения стал первооткрыватель Урана и его спутников английский астроном Уильям Гершель. Ученый обнаружил в 1800 году существование невидимых лучей, «обладающих наибольшей нагревательной силой», расположенные за пределами видимого человеком спектра. Удалось ему это с помощью стеклянной призмы, разлагающей свет на составляющие, и термометра, который фиксировал максимальную температуру чуть правее видимого красного света. Будучи последователем корпускулярного учения Ньютона, Гершель твердо верил в идентичность световой и лучистой теплоты, однако, после опытов с преломлением невидимых инфракрасных лучей, вера его изрядно пошатнулась. Но в любой истории не обходится без авторитетных умников от науки, которые портят картину своими ложными домыслами. В этой роли выступил физик Джон Лесли из Эдинбурга, заявивший о существовании нагретого воздуха, который, собственно, и является теми самыми «мифическими тепловыми лучами». Он не поленился повторить эксперимент Гершеля, изобрел для этого специальный дифференциальный ртутный термометр, который зафиксировал максимальную температуру как раз в зоне видимого красного спектра. Гершеля объявили чуть ли не шарлатаном, указав на недостаточную подготовку экспериментов и ложность выводов.
Однако время рассудило иначе – к 1830-му году многочисленные опыты ведущих мировых ученых доказали существование «лучей имени Гершеля», которые Беккерель назвал инфракрасными. Изучение различных тел на способность пропускать (или не пропускать) подобное излучение привело ученых к понимаю того, что жидкость, наполняющая глазное яблоко, поглощает инфракрасный спектр. В общем, именно такая ошибка природы и создала необходимость изобретения тепловизора. Но в XIX веке ученые лишь познавали природу теплоносного и невидимого излучения, вдаваясь во все нюансы. Оказалось, что разные источники тепла – горячий чайник, раскаленная сталь, спиртовая лампа – имеют разный качественный состав «инфракрасного пирога». Экспериментально доказал это итальянец Мачедонио Меллони при помощи одного из первых теплорегистрирующих приборов – висмут-сурьмянистого термостолбика (thermomultiplicateur). Разобраться с этим феноменом позволила интерференция инфракрасного излучения - в 1847 году с её помощью впервые эталонировали спектр с длиной волны до 1,94 мкм.
Паутинный болометр - регистратор теплового излучения. Источник - ru.wikipedia.org
А в 1881 году на помощь экспериментальной физике пришел болометр – один из первых приборов фиксации лучистой энергии. Изобрел сие чудо шведский математик и физик Адольф-Фердинанд Сванберг, установив на пути инфракрасного излучения чрезвычайно тонкую зачернённую пластину, способную под влияние тепла изменять свою электропроводимость. Такой приемник излучения позволил дойти до максимально возможной на то время длины волны до 5,3 мкм, а к 1923 году в излучении маленького электрического осциллятора детектируются уже 420 мкм. Начало XX века ознаменовывается появлением массы идей, касающихся практического воплощения теоретических поисков предшествующих десятилетий. Так, появляется фоторезистор из сернистого таллия, обработанный кислородом (оксисульфид таллия), способный изменять свою электропроводность под действием инфракрасных лучей. Немецкие инженеры создали на их основе таллофидные приемники, ставшие надежным средством связи на поле боя. До 1942 года вермахту удавалось держать в секрете свою систему, способную работать на дальность до 8 км, пока не прокололись при Эль-Аламейне. Эвапорографы являются первыми истинными тепловизионными системами, позволяющими получать более или менее удовлетворительные теплограммы.
Схема эвапорографа. Из книги "Основы инфракрасной техники" Козелкин В. В.
Устройство следующее: в камере располагается тонкая мембрана с пересыщенными парам спирта, камфары или нафталина, причем температура внутри такая, что скорость испарения веществ равна скорости конденсации. Такое тепловое равновесие нарушается оптической системой, фокусирующей тепловую картинку на мембрану, что ведет за собой ускорение испарения на самых горячих участках – в итоге формируется тепловое изображение. Бесконечные десятки секунд в эвапорографе уходили на формирование картинки, контрастность которого оставляла желать лучшего, шумы порой затмевали собой всё, а о качественной передаче движущихся объектов и говорить было нечего. Несмотря на неплохую разрешающая способность в 10 градусов Цельсия, совокупность минусов не оставляла эвапорографу места в массовом производстве. Однако, в СССР появился мелкосерийный аппарат ЭВ-84, в Германии - EVA, вели экспериментальные поиски и в Кембридже. С 30-х годов внимание инженеров привлекли полупроводники и их особые взаимоотношения с инфракрасным спектром. Здесь бразды правления перешли к военным, под руководством которых появились первые охлаждаемые фоторезисторы на основе сульфида свинца. Идея о том, что чем ниже температура приемника, тем выше его чувствительность, подтвердилась и кристаллы в тепловизорах стали замораживать твердой углекислотой и жидким воздухом. И уже совсем хайтеком для тех предвоенных лет стала, разработанная в Пражском университете, технология напыления чувствительного слоя в условиях вакуума. С 1934 года электронно-оптический преобразователь нулевого поколения, более известный как «стакан Холста», стал родоначальником массы полезной техники – от приборов для ночного вождения танков до индивидуальных снайперских прицелов.
Стакан Холста - первый электронно-оптический преобразователь. Источник - zodiak.uu.ru
Важное место ночное зрение получило в военно-морском флоте – корабли обрели способность в полной темноте ориентироваться в прибрежной зоне, сохраняя режим светомаскировки. 1942 году наработки флота в деле ночной навигации и коммуникации были заимствованы военно-воздушными силами. Вообще, первыми обнаружить самолет в ночном небе по его инфракрасной сигнатуре удалось в 1937 году англичанам. Дистанция, конечно, была скромной – около 500 метров, но для того времени это был несомненный успех. Ближе всех к тепловизору в классическом понимании подошли в 1942 году, когда был получен сверхпроводящий болометр на основе тантала и сурьмы с охлаждением жидким гелием. Немецкие теплопеленгаторы «Донау-60» на его основе позволяли распознавать крупные морские суда на расстоянии до 30 км. Сороковые годы стали своеобразным перекрестком для тепловизионной техники – один путь вел к системам, аналогичным телевизионным, с механическим сканированием, а второй к инфракрасным видиконам без сканирования.
История отечественной военной тепловизионной техники ведет свой отсчет с конца 1960-х годов, когда в Новосибирском приборостроительном заводе началась работа в рамках научно-исследовательских проектов «Вечер» и «Вечер-2». Теоретическую часть курировал головной НИИ прикладной физики в Москве. Серийного тепловизора тогда не получилось, но наработки использовались при научно-исследовательской работе «Лена», итогом которой стал первый тепловизор для разведки 1ПН59, оснащенный фотоприемным устройством «Лена ФН». 50 светочувствительных элементов (каждый размером 100х100 мкм) располагались в один ряд с шагом 130 мкм и обеспечивали работу прибора в средневолновом (MWIR – Middle Wave Infrared) спектральном диапазоне 3-5 мкм с дальность распознавания целей до 2000 м. Газовая смесь на базе азота под высоким давлением поступала на микротеплообменник фотоприемника, охлаждала его до -194,5ОС и возвращалась в компрессор. Такова особенность приборов первого поколения – высокая чувствительность требовала низкие температуры. А низкие температуры требовали в свою очередь большие габариты и внушительное энергопотребление в 600 Вт.
Устанавливали 1ПН59 на отечественной разведывательной машине ПРП-4 «Нард», использующей базу БМП-1.
Разведывательная машина ПРП-4 «Нард»Источник - cris9.armforc.ru
К 1982 году отечественные инженеры решили сместить рабочий спектральный диапазон тепловизионных приборов до 8-14 мкм (длинноволновый LWIR – Long Wave Infrared) в связи с лучшей «пропускной способностью» атмосферы теплового излучения в этом сегменте. Изделие под индексом 1ПН71 стало итогом подобной конструкторской работы по направлению «Пособие-2», имеющее в качестве «всевидящего ока» фотоприемник из теллурида кадмия-ртути (CdHgTe или КРТ).
Изделие 1ПН71. Источник - army-guide.com
Назвали этот чувствительный элемент «Невесомость-64» и имел он… правильно, 64 кристалла КРТ размеров 50х50 с шагом в 100 мкм. Морозить «Невесомость» приходилось еще сильнее – до -196,50С, но массогабаритные показатели изделия заметно снизились. Всё это позволило достичь дальнозоркости 1ПН71 в 3000 метров и заметно улучшить картинку перед пользователем. Тепловизор устанавливался на артиллерийском подвижном разведывательном пункте ПРП-4М «Дейтерий», который помимо прибора 1ПН71, имеет на вооружении импульсный прибор ночного видения, радиолокатор и лазерный дальномер. Редкий вид в российской армии – БРМ-3 «Рысь» также оснащается тепловизионным прибором разведки Новосибирского приборостроительного завода. Менять в войсках эту технику призван тепловизор 1ПН126 «Аргус-АТ», разработанный в 2005 году ЦКБ «Точприбор» и оснащенный микроскопическими чувствительными элементами размерность 30х30 мкм из проверенного CdHgTe. Настоящей изюминкой сто двадцать шестого тепловизора стала вращающаяся восьмигранная германиевая призма, прозрачная для инфракрасного излучения. Именно этот сканер за один оборот формирует два кадра на фотоприемном устройства в режиме регистрации тепловой сигнатуры наблюдаемого объекта. Для сравнения – в 1ПН71 эту роль выполняло плоское зеркало – в Советском Союзе отсутствовали недорогие технологии производства германиевых стекол. Под новый отечественный тепловизор была подготовлена разведывательная платформа переднего края ПРП-4А или, как его часто называют, «всевидящее око бога войны». Ощетинившийся многочисленный объективами оптических средств разведки, машина вполне походит на древнегреческого многоглазого великана, в честь которого и была названа.
Уильям Гершель (1738-1822 гг.) Английский астроном, первооткрыватель инфракрасного излучения. Источник - ru.wikipedia.org
Следующей значимой личностью в истории тепловидения стал первооткрыватель Урана и его спутников английский астроном Уильям Гершель. Ученый обнаружил в 1800 году существование невидимых лучей, «обладающих наибольшей нагревательной силой», расположенные за пределами видимого человеком спектра. Удалось ему это с помощью стеклянной призмы, разлагающей свет на составляющие, и термометра, который фиксировал максимальную температуру чуть правее видимого красного света. Будучи последователем корпускулярного учения Ньютона, Гершель твердо верил в идентичность световой и лучистой теплоты, однако, после опытов с преломлением невидимых инфракрасных лучей, вера его изрядно пошатнулась. Но в любой истории не обходится без авторитетных умников от науки, которые портят картину своими ложными домыслами. В этой роли выступил физик Джон Лесли из Эдинбурга, заявивший о существовании нагретого воздуха, который, собственно, и является теми самыми «мифическими тепловыми лучами». Он не поленился повторить эксперимент Гершеля, изобрел для этого специальный дифференциальный ртутный термометр, который зафиксировал максимальную температуру как раз в зоне видимого красного спектра. Гершеля объявили чуть ли не шарлатаном, указав на недостаточную подготовку экспериментов и ложность выводов.
Однако время рассудило иначе – к 1830-му году многочисленные опыты ведущих мировых ученых доказали существование «лучей имени Гершеля», которые Беккерель назвал инфракрасными. Изучение различных тел на способность пропускать (или не пропускать) подобное излучение привело ученых к понимаю того, что жидкость, наполняющая глазное яблоко, поглощает инфракрасный спектр. В общем, именно такая ошибка природы и создала необходимость изобретения тепловизора. Но в XIX веке ученые лишь познавали природу теплоносного и невидимого излучения, вдаваясь во все нюансы. Оказалось, что разные источники тепла – горячий чайник, раскаленная сталь, спиртовая лампа – имеют разный качественный состав «инфракрасного пирога». Экспериментально доказал это итальянец Мачедонио Меллони при помощи одного из первых теплорегистрирующих приборов – висмут-сурьмянистого термостолбика (thermomultiplicateur). Разобраться с этим феноменом позволила интерференция инфракрасного излучения - в 1847 году с её помощью впервые эталонировали спектр с длиной волны до 1,94 мкм.
Паутинный болометр - регистратор теплового излучения. Источник - ru.wikipedia.org
А в 1881 году на помощь экспериментальной физике пришел болометр – один из первых приборов фиксации лучистой энергии. Изобрел сие чудо шведский математик и физик Адольф-Фердинанд Сванберг, установив на пути инфракрасного излучения чрезвычайно тонкую зачернённую пластину, способную под влияние тепла изменять свою электропроводимость. Такой приемник излучения позволил дойти до максимально возможной на то время длины волны до 5,3 мкм, а к 1923 году в излучении маленького электрического осциллятора детектируются уже 420 мкм. Начало XX века ознаменовывается появлением массы идей, касающихся практического воплощения теоретических поисков предшествующих десятилетий. Так, появляется фоторезистор из сернистого таллия, обработанный кислородом (оксисульфид таллия), способный изменять свою электропроводность под действием инфракрасных лучей. Немецкие инженеры создали на их основе таллофидные приемники, ставшие надежным средством связи на поле боя. До 1942 года вермахту удавалось держать в секрете свою систему, способную работать на дальность до 8 км, пока не прокололись при Эль-Аламейне. Эвапорографы являются первыми истинными тепловизионными системами, позволяющими получать более или менее удовлетворительные теплограммы.
Схема эвапорографа. Из книги "Основы инфракрасной техники" Козелкин В. В.
Устройство следующее: в камере располагается тонкая мембрана с пересыщенными парам спирта, камфары или нафталина, причем температура внутри такая, что скорость испарения веществ равна скорости конденсации. Такое тепловое равновесие нарушается оптической системой, фокусирующей тепловую картинку на мембрану, что ведет за собой ускорение испарения на самых горячих участках – в итоге формируется тепловое изображение. Бесконечные десятки секунд в эвапорографе уходили на формирование картинки, контрастность которого оставляла желать лучшего, шумы порой затмевали собой всё, а о качественной передаче движущихся объектов и говорить было нечего. Несмотря на неплохую разрешающая способность в 10 градусов Цельсия, совокупность минусов не оставляла эвапорографу места в массовом производстве. Однако, в СССР появился мелкосерийный аппарат ЭВ-84, в Германии - EVA, вели экспериментальные поиски и в Кембридже. С 30-х годов внимание инженеров привлекли полупроводники и их особые взаимоотношения с инфракрасным спектром. Здесь бразды правления перешли к военным, под руководством которых появились первые охлаждаемые фоторезисторы на основе сульфида свинца. Идея о том, что чем ниже температура приемника, тем выше его чувствительность, подтвердилась и кристаллы в тепловизорах стали замораживать твердой углекислотой и жидким воздухом. И уже совсем хайтеком для тех предвоенных лет стала, разработанная в Пражском университете, технология напыления чувствительного слоя в условиях вакуума. С 1934 года электронно-оптический преобразователь нулевого поколения, более известный как «стакан Холста», стал родоначальником массы полезной техники – от приборов для ночного вождения танков до индивидуальных снайперских прицелов.
Стакан Холста - первый электронно-оптический преобразователь. Источник - zodiak.uu.ru
Важное место ночное зрение получило в военно-морском флоте – корабли обрели способность в полной темноте ориентироваться в прибрежной зоне, сохраняя режим светомаскировки. 1942 году наработки флота в деле ночной навигации и коммуникации были заимствованы военно-воздушными силами. Вообще, первыми обнаружить самолет в ночном небе по его инфракрасной сигнатуре удалось в 1937 году англичанам. Дистанция, конечно, была скромной – около 500 метров, но для того времени это был несомненный успех. Ближе всех к тепловизору в классическом понимании подошли в 1942 году, когда был получен сверхпроводящий болометр на основе тантала и сурьмы с охлаждением жидким гелием. Немецкие теплопеленгаторы «Донау-60» на его основе позволяли распознавать крупные морские суда на расстоянии до 30 км. Сороковые годы стали своеобразным перекрестком для тепловизионной техники – один путь вел к системам, аналогичным телевизионным, с механическим сканированием, а второй к инфракрасным видиконам без сканирования.
История отечественной военной тепловизионной техники ведет свой отсчет с конца 1960-х годов, когда в Новосибирском приборостроительном заводе началась работа в рамках научно-исследовательских проектов «Вечер» и «Вечер-2». Теоретическую часть курировал головной НИИ прикладной физики в Москве. Серийного тепловизора тогда не получилось, но наработки использовались при научно-исследовательской работе «Лена», итогом которой стал первый тепловизор для разведки 1ПН59, оснащенный фотоприемным устройством «Лена ФН». 50 светочувствительных элементов (каждый размером 100х100 мкм) располагались в один ряд с шагом 130 мкм и обеспечивали работу прибора в средневолновом (MWIR – Middle Wave Infrared) спектральном диапазоне 3-5 мкм с дальность распознавания целей до 2000 м. Газовая смесь на базе азота под высоким давлением поступала на микротеплообменник фотоприемника, охлаждала его до -194,5ОС и возвращалась в компрессор. Такова особенность приборов первого поколения – высокая чувствительность требовала низкие температуры. А низкие температуры требовали в свою очередь большие габариты и внушительное энергопотребление в 600 Вт.
Устанавливали 1ПН59 на отечественной разведывательной машине ПРП-4 «Нард», использующей базу БМП-1.
Разведывательная машина ПРП-4 «Нард»Источник - cris9.armforc.ru
К 1982 году отечественные инженеры решили сместить рабочий спектральный диапазон тепловизионных приборов до 8-14 мкм (длинноволновый LWIR – Long Wave Infrared) в связи с лучшей «пропускной способностью» атмосферы теплового излучения в этом сегменте. Изделие под индексом 1ПН71 стало итогом подобной конструкторской работы по направлению «Пособие-2», имеющее в качестве «всевидящего ока» фотоприемник из теллурида кадмия-ртути (CdHgTe или КРТ).
Изделие 1ПН71. Источник - army-guide.com
Назвали этот чувствительный элемент «Невесомость-64» и имел он… правильно, 64 кристалла КРТ размеров 50х50 с шагом в 100 мкм. Морозить «Невесомость» приходилось еще сильнее – до -196,50С, но массогабаритные показатели изделия заметно снизились. Всё это позволило достичь дальнозоркости 1ПН71 в 3000 метров и заметно улучшить картинку перед пользователем. Тепловизор устанавливался на артиллерийском подвижном разведывательном пункте ПРП-4М «Дейтерий», который помимо прибора 1ПН71, имеет на вооружении импульсный прибор ночного видения, радиолокатор и лазерный дальномер. Редкий вид в российской армии – БРМ-3 «Рысь» также оснащается тепловизионным прибором разведки Новосибирского приборостроительного завода. Менять в войсках эту технику призван тепловизор 1ПН126 «Аргус-АТ», разработанный в 2005 году ЦКБ «Точприбор» и оснащенный микроскопическими чувствительными элементами размерность 30х30 мкм из проверенного CdHgTe. Настоящей изюминкой сто двадцать шестого тепловизора стала вращающаяся восьмигранная германиевая призма, прозрачная для инфракрасного излучения. Именно этот сканер за один оборот формирует два кадра на фотоприемном устройства в режиме регистрации тепловой сигнатуры наблюдаемого объекта. Для сравнения – в 1ПН71 эту роль выполняло плоское зеркало – в Советском Союзе отсутствовали недорогие технологии производства германиевых стекол. Под новый отечественный тепловизор была подготовлена разведывательная платформа переднего края ПРП-4А или, как его часто называют, «всевидящее око бога войны». Ощетинившийся многочисленный объективами оптических средств разведки, машина вполне походит на древнегреческого многоглазого великана, в честь которого и была названа.
Информация