Πότε και από ποιον εφευρέθηκε η κάμερα θερμικής απεικόνισης

Αύγουστος 11, 2022

Ο κόσμος στον οποίο ζούμε δεν είναι τέλειος. Και ένας άντρας σε αυτόν τον κόσμο προσπαθεί συνεχώς να τον βελτιώσει και να καθορίσει τη θέση του σε αυτόν. Ένα μέρος, του οποίου η κορυφή υπάρχει μόνο στον εικονικό κόσμο. Μελετώντας το πρόβλημα, οι επιστήμονες πήγαν στη λύση του για αιώνες και, έχοντας φτάσει στην κορυφή, συνειδητοποίησαν ότι αυτό είναι μόνο ένα ενδιάμεσο σημείο, όχι μια νίκη. Ένας άντρας χωρίς φτερά πάντα ονειρευόταν να πετάξει σαν πουλί. Και πέταξε, έχοντας σχεδιάσει ένα αεροπλάνο. Καθώς απογειώθηκε στον αέρα, τρομοκρατήθηκε - ήταν μόνο οι πρόποδες του Ολύμπου. Εξάλλου, από το αεροπλάνο, ήταν πιο κοντά στο να ονειρευτεί τα αστέρια, και ο ωκεανός από ένα ύψος ήταν απέραντος και τόσο ανεξερεύνητος. Αυτό απλώς ενίσχυσε την επιθυμία να προχωρήσουμε μπροστά, συμπεριλαμβανομένου του να δούμε περαιτέρω, πιο καθαρά και καλύτερα. Βλέποντας, σαν γάτα, στο σκοτάδι και χρησιμοποιώντας τη ζεστασιά κάποιου άλλου ενός ζωντανού θερμόαιμου οργανισμού για να ανακαλύψετε ένα τρίτο, ουσιαστικά πραγματικό «όραμα γάτας». Ένα όραμα έχει ανοίξει και ανοίγει μια σειρά από νέες και απροσδόκητες λύσεις στην ανάπτυξη σχεδόν κάθε τομέα επιστημονικής δραστηριότητας. Αυτή είναι μόνο η αρχή ενός μεγάλου και ατελείωτου ταξιδιού. Ο δρόμος της μελέτης και εφαρμογής της υπέρυθρης, στην κοινή γλώσσα, θερμικής τεχνολογίας, ξεκίνησε πριν από δύο αιώνες. Στην επιστήμη, υπάρχει μια περίπλοκη-απλή ονομασία για την ακτινοβολούμενη θερμική ενέργεια, που ορίζεται ως η «υπογραφή θερμότητας». Κατ 'αρχήν, αυτό συμβαίνει επειδή ακόμα κι αν ο πάγος εκπέμπει θερμική ενέργεια καθώς ένα αντικείμενο θερμαίνεται αναλογικά, η απελευθέρωση θερμικής ενέργειας στα υπέρυθρα κύματα αυξάνεται, κάτι που ένα φίδι μπορεί να αντιληφθεί αναμφισβήτητα. Αυτό είναι το καλύτερο παράδειγμα του πώς αυτό το ζώο, διακρίνοντας τη διαφορά θερμοκρασίας των τρωκτικών, επιτίθεται με επιτυχία στο θήραμά του στο απόλυτο σκοτάδι. Πώς λειτουργεί;

Πότε και ποιος επινόησε τη θερμική απεικόνιση
Στις αρχές του δέκατου ένατου αιώνα, ο αστρονόμος William Herschel, ενώ έψαχνε για μια λύση στο πρόβλημα της μείωσης της φωτεινότητας της εικόνας του ήλιου στα τηλεσκόπια, ανακάλυψε την απελευθέρωση μεγάλης ποσότητας θερμότητας όταν χρησιμοποιούσε ένα κόκκινο φίλτρο. Όταν μετρήθηκε, η θερμότητα αυξήθηκε στη σκοτεινή περιοχή πέρα ​​από το κόκκινο άκρο του φάσματος. Όταν το σημείο του μέγιστου καθορίστηκε, βρέθηκε ότι ήταν πολύ πέρα ​​από το κόκκινο άκρο του φάσματος, που τώρα είναι γνωστό ως «εύρος υπερύθρων κυμάτων». Αυτή την ανακάλυψη ονόμασε θερμομετρικό πεδίο. Περαιτέρω έρευνα έδειξε ότι πέρα ​​από αυτό το φάσμα, υπάρχει μια αόρατη μορφή φωτός, που ονομάζεται «αόρατες ακτίνες», η οποία μόλις εβδομήντα χρόνια αργότερα έλαβε το γνωστό πλέον όνομα «υπέρυθρο». Παρεμπιπτόντως, απέκτησε επίσης την πρώτη καταγραφή μιας θερμικής εικόνας σε χαρτί, την οποία ονόμασε θερμογράφο. Στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα, ο Αμερικανός επιστήμονας Langley, εφηύρε μια συσκευή - ένα βολόμετρο, για τη μέτρηση της θερμικής ακτινοβολίας. Ήταν το πρωτότυπο του σημερινού πολύ ευαίσθητου θερμομέτρου, το οποίο εστίαζε την υπέρυθρη ακτινοβολία σε πλάκες και μέτρησε το ηλεκτρικό ρεύμα με ένα γαλβανόμετρο. Στις αρχές του εικοστού αιώνα, το 1934, ο Ούγγρος φυσικός Tihanyi εφηύρε την ηλεκτρονική τηλεοπτική κάμερα ευαίσθητη στην υπέρυθρη ακτινοβολία. Αυτό ήταν το σημείο εκκίνησης για την ενεργό ανάπτυξη της νυχτερινής όρασης. Από τότε, οι συσκευές νυχτερινής όρασης έχουν χωριστεί σε γενιές. Η σταδιακή εισαγωγή κάθε γενιάς συνδέθηκε με την αύξηση του εύρους παρατήρησης, τη βελτίωση της ποιότητας εικόνας και τη μείωση του βάρους και του μεγέθους των συσκευών. Το κριτήριο που ορίζει τη νέα γενιά είναι το κύριο συστατικό της συσκευής - ο ηλεκτρο-οπτικός μετατροπέας, η ουσία του οποίου είναι να κάνει το αόρατο ορατό αυξάνοντας τη φωτεινότητα.
Πώς γεννήθηκε η θερμική απεικόνιση
Η αρχή δόθηκε από τη λεγόμενη «μηδενική» γενιά όπου χρησιμοποιήθηκε ένας οπτικός μετατροπέας της ολλανδικής εταιρείας Philips, που πήρε το όνομά του από έναν από τους προγραμματιστές «Holst's glass». Η φωτοκάθοδος και ο φώσφορος εφαρμόστηκαν στον πυθμένα τους σε δύο ένθετα ποτήρια ζέσεως. Δημιουργώντας ένα ηλεκτροστατικό πεδίο, πέτυχαν μεταφορά εικόνας. Μάλιστα, σε αυτή την έκδοση, ο εξοπλισμός λειτουργούσε αποκλειστικά με υποχρεωτικό φωτισμό του αντικειμένου παρατήρησης με υπέρυθρο προβολέα. Παρόλο που η συσκευή ήταν εντυπωσιακή σε μέγεθος, πολύ βαριά και με κακή ποιότητα εικόνας, οι Βρετανοί ξεκίνησαν τη μαζική παραγωγή της για τις ανάγκες του στρατού το 1942. Σε τέσσερα χρόνια χρήσης αυτού του μετατροπέα, η ενεργή ανάπτυξη και παραγωγή νυχτερινών σκοπευτικών, κιάλια, και ξεκίνησαν συστήματα για τανκς και άλλο εξοπλισμό. Στη δεκαετία του εξήντα, έγιναν προσπάθειες να παραχθούν ανιχνευτές μονοστοιχείων που σάρωναν και δημιουργούσαν γραμμικές εικόνες αυτού που φαινόταν. Λόγω του υψηλού κόστους του έργου, αυτή η ιδέα δεν υλοποιήθηκε.
Οι συσκευές ενός καταρράκτη αυτής της γενιάς έχουν περισσότερα μειονεκτήματα από τα θετικά. Στην πρώτη γενιά της ηλεκτρο-οπτικής συσκευής, ως κύριο στοιχείο χρησιμοποιήθηκε ένας εύθραυστος γυάλινος λαμπτήρας κενού με ευαισθησία φωτοκαθόδου. Αυτή η συσκευή έδινε μια καθαρή εικόνα στο κέντρο και παραμόρφωσε τα πάντα στις άκρες. Με μια πλευρική ή μετωπική πηγή έντονου φωτός, το όργανο πρακτικά έγινε «τυφλό». Τη νύχτα χωρίς πρόσθετο υπέρυθρο φωτισμό, η ορατότητα ήταν επίσης σχεδόν μηδενική. Στη δεκαετία του εξήντα, με την ανάπτυξη της τεχνολογίας οπτικών ινών, κατέστη δυνατή η βελτίωση των συσκευών της πρώτης γενιάς, αντικαθιστώντας τες με ένα υπό όρους one-plus. Το επίπεδο γυαλί αντικαταστάθηκε από μια πλάκα οπτικών ινών, η οποία επέτρεπε τη μετάδοση εικόνων με μεγάλη ευκρίνεια, την απόκτηση υψηλής ανάλυσης σε όλο το πλαίσιο και την εξάλειψη της αντανάκλασης.
Η δεκαετία του εβδομήντα σημαδεύτηκε από την ανάπτυξη της δεύτερης γενιάς συσκευών. Αμερικανοί ερευνητές εξόπλισαν τη συσκευή με έναν ενισχυτή που βασίζεται σε μια πλάκα μικροκαναλιού, όπου τα ηλεκτρόνια σε έναν ειδικό θάλαμο ενισχύονται πολλές φορές, αποκτώντας εξαιρετική όραση. Εξαιτίας αυτού, η δεύτερη γενιά της ηλεκτρο-οπτικής συσκευής αναφέρεται συνήθως ως συσκευή μετατροπέα.
Δεν υπάρχει θάλαμος διασποράς στην επόμενη γενιά δεύτερης συν, που ονομάζεται επίπεδη, και το ηλεκτρόνιο εισέρχεται απευθείας μέσω της οθόνης του μετατροπέα ηλεκτρονίων-οπτικών. Η συσκευή έχασε την ποιότητα της εικόνας και, ταυτόχρονα, ο ρυθμός της εικόνας στη λειτουργία υπερύθρων διπλασιάστηκε. Οι καινοτομίες πρόσθεσαν έλεγχο φωτεινότητας και προστασία από το πλευρικό και το μετωπικό φως. Αυτές οι συσκευές ανήκαν σε επαγγελματικό εξοπλισμό.
Το 1982 ξεκίνησε η αντίστροφη μέτρηση για την τρίτη γενιά ηλεκτροοπτικών συσκευών, διαφορετικών σχεδιαστικά. Χρησιμοποίησαν γάλλιο, το οποίο αύξησε την ευαισθησία στο υπέρυθρο αρκετές φορές. Οι συσκευές αυτής της γενιάς αναγνωρίζονται ως υψηλής τεχνολογίας και παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον, πρώτα απ 'όλα, για το στρατιωτικό-βιομηχανικό συγκρότημα. Λόγω της απουσίας πλάκας οπτικών ινών, πρέπει να σημειωθεί ότι οι συσκευές τέταρτης γενιάς δεν προστατεύονται από την πλευρική έκθεση στο φως. Και η τιμή. Η συσκευή αυτής της γενιάς ξεπέρασε όλες τις λογικές ανοχές για την κατανόηση του σχηματισμού κόστους του κατασκευαστή.
Πιθανώς για να αντισταθμίσει τα μειονεκτήματα της συσκευής και να μειώσει το κόστος, αναπτύχθηκε η συσκευή SUPER two-plus γενιάς. Οι προγραμματιστές σχεδίαζαν να συνδυάσουν τα τεχνολογικά πλεονεκτήματα όλων των προηγούμενων γενεών του ηλεκτρονιο-οπτικού μετατροπέα σε αυτόν τον εξοπλισμό. Το αποτέλεσμα ήταν μια πολύ ευαίσθητη φωτοκάθοδος. Όπως παραδέχονται οι ειδικοί, δεν υπάρχει διαφορά μεταξύ του Super Two Plus και της τρίτης γενιάς. Εκτός από την τιμή. Από πλευράς κόστους, το Super Two Plus αντιστοιχεί στην τιμή ενός μέσου προϋπολογισμού αυτοκινήτου.
Πρώτες εφαρμογές
Στις αρχές του 1930, Γερμανοί επιστήμονες ερεύνησαν ενεργά τις επιπτώσεις της θερμικής ακτινοβολίας στους ημιαγωγούς. Ως αποτέλεσμα, αναπτύχθηκαν ευαίσθητοι δέκτες ακτινοβολίας, οι οποίοι έπαιξαν ουσιαστικό ρόλο στην ανάπτυξη πολυάριθμων συστημάτων υπερύθρων, που παράγονται έως και τέσσερις χιλιάδες κάθε μήνα, για τη στρατιωτική βιομηχανία. Οι πιο επιτυχημένοι στη δεκαετία του 1930 ήταν οι Αμερικανοί, οι οποίοι δημιούργησαν εξοπλισμό για οδήγηση τανκς τη νύχτα και νυχτερινά σκοπευτικά για πλοία. Το 1941 το βρετανικό ναυτικό άρχισε να εξοπλίζει πλοία με συσκευές νυχτερινής όρασης βασισμένες σε οπτικούς μετατροπείς εικόνας, οι οποίοι βοηθούσαν τα σκάφη να επιστρέψουν στη βάση τους στο σκοτάδι. Με τη βοήθειά τους, τα σκάφη που επέστρεφαν μετά από μια επίθεση βρήκαν το πλοίο βάσης από τα φώτα σηματοδότησης. Σχεδόν ταυτόχρονα, ο γερμανικός στρατός εξοπλίστηκε με εξοπλισμό υπερύθρων για οδήγηση τανκς τη νύχτα, σκοπευτικά νυχτερινών τυφεκίων και συστήματα αναγνώρισης αεροσκαφών. Για παράδειγμα, τη νύχτα, όταν χρησιμοποιούσε προβολείς διακοσίων watt σε δεξαμενές κλειστές με υπέρυθρο φίλτρο, ο οδηγός μπορούσε να δει τεράστια εμπόδια σχεδόν διακόσια μέτρα μακριά και το σκοπευτικό τουφέκι λειτουργούσε αποτελεσματικά έως και εκατό μέτρα. Στις αρχές της δεκαετίας του εξήντα, η σουηδική εταιρεία AGA ανέπτυξε μια υπέρυθρη θερμική απεικόνιση για τον στρατό, του οποίου τα επόμενα μοντέλα υπέρυθρης απεικόνισης ήταν για πολλά χρόνια τα καλύτερα στον κόσμο. Όταν οι τρεις μεγαλύτεροι κατασκευαστές υπέρυθρων, οι αμερικανικές εταιρείες FLIR και Inframetrics και η σουηδική AGEMA Infrared Systems, συγχωνεύθηκαν στα μέσα της δεκαετίας του 'XNUMX, ξεκίνησε μια νέα φάση θερμικής απεικόνισης. Σήμερα η FLIR Systems, μια αμερικανική εταιρεία, είναι ο μεγαλύτερος κατασκευαστής εμπορικών καμερών θερμικής απεικόνισης στον κόσμο για επιστημονική έρευνα, βιομηχανία και γεωργία, βιομηχανία και γεωργία, παρακολούθηση αερομεταφερόμενων αντικειμένων και νυχτερινή όραση.