Тепловидение

Теплови́дение

Получение видимого изображения объектов по их собственному либо отражённому от них тепловому (инфракрасному) излучению; служит для определения местоположения и формы объектов, находящихся в темноте или в оптически непрозрачных средах, а также для изучения степени нагретости отдельных участков сложных поверхностей и внутренней структуры тел, непрозрачных в видимом свете. Каждое нагретое тело испускает Тепловое излучение, интенсивность и спектр которого зависят от свойств тела и его температуры. Для тел с температурой в несколько десятков °С характерно излучение в инфракрасной области спектра электромагнитных колебаний. Инфракрасное излучение невидимо для человеческого глаза, но может быть обнаружено различными приёмниками теплового излучения (см. Приёмники излучения) и тем или иным способом преобразовано в видимое изображение.

Первые тепловизионные системы были созданы в конце 30-х гг. 20 в. и частично применялись в период 2-й мировой войны 1939—45 для обнаружения военных и промышленных объектов; в этих системах использовались тепловые приёмники (Болометры, термопары (См. Термопара)), преобразующие инфракрасное излучение в электрические сигналы. С помощью оптико-механической сканирующей системы (см. Сканирование) отдельные точки объекта попеременно проецировались на приёмник, а полученные с него электрические сигналы подавались на вход электроннолучевой трубки, аналогичной приёмной телевизионной трубке. На люминесцентном экране трубки формировалось видимое изображение объекта (см. Теплопеленгация). В 70-х гг. такие системы Т., получившие название тепловизоров, продолжают успешно развиваться, причём в них используют не только тепловые, но и охлаждаемые фотоэлектрические приёмники (например, на основе InSb или HgCdTe2), которые способны воспринимать излучение с длиной волны до 5—6 мкм (максимум теплового излучения при комнатной температуре приходится на длины волн около 10 мкм), а также пироэлектрические приёмники (См. Пироэлектрический приёмник). Эти приёмники обладают высокой чувствительностью (соизмеримой с флуктуациями теплового излучения). что позволяет получать с их помощью видимые изображения объектов, находящихся на расстоянии до 10—15 км и имеющих температуру поверхности, отличающуюся от температуры окружающей среды менее чем на 1°С. Такие тепловизоры позволяют обнаруживать разность температур (до 0,1 °С) отдельных участков человеческого тела, что представляет значительный интерес для ранней диагностики образования опухолей и нарушений системы кровообращения.

В конце 60 — начале 70-х гг. были созданы принципиально новые, более простые устройства Т., применение которых предпочтительнее, если только их чувствительность оказывается достаточной. В этих устройствах тепловое изображение объекта непосредственно (без промежуточного преобразования инфракрасного излучения в электрические сигналы) проецируется на экран, покрытый тонким слоем вещества, которое в результате какого-либо физико-химического процесса, происходящего при его нагреве, изменяет свои оптические характеристики (коэффициент отражения или пропускания видимого света, интенсивность или цвет собственного свечения и т. д.). На экранах таких устройств можно наблюдать видимые изображения объектов и фотографировать их. В качестве температурно-чувствительных веществ используют Жидкие кристаллы, кристаллические Люминофоры, тонкие плёнки полупроводников (См. Полупроводники), магнитные тонкие плёнки (См. Магнитная тонкая плёнка), термочувствительные Лаки и Краски и др.

Так, жидкие кристаллы по мере нагревания постепенно изменяют свой цвет (и его оттенки) от красного до фиолетового, причём многокомпонентные смеси холестерических жидких кристаллов имеют температурный интервал цветовой индикации менее 0,1 °С. Термочувствительные краски при нагреве один или два раза изменяют свой цвет (обычно необратимо), фиксируя тем самым одно или два значения температуры, что удобно в тех случаях, когда достаточно узнать, нагрет ли исследуемый объект (например, деталь машины) до некоторой критической температуры. В некоторых полупроводниковых плёнках (особенно в плёнках Se и его производных) с повышением температуры область прозрачности смещается в сторону длинных волн, что позволяет, применяя дополнительный источник видимого света, регистрировать изменение их температуры на 1—5 °С. Применение в Т. люминофоров основано на явлении тушения люминесценции (См. Тушение люминесценции): яркость свечения некоторых люминофоров (например, соединения ZnS CdS Ag Ni). возбуждённых ультрафиолетовым излучением, резко уменьшается по мере их нагревания. Эти люминофоры позволяют визуально наблюдать изменение температуры на 0,2—0,3 °С, причём эффект тушения полностью обратим. Приборы, основанные на применении люминофоров, позволяют видеть не только тепловые лучи, но и радиоволны (см. Радиовидение). В магнитных тонких плёнках при нагреве изменяется ориентация осей намагничивания магнитных доменов, ориентирующих, в свою очередь, ферромагнитные частицы коллоидного раствора, нанесённого на поверхность плёнки. Этот «магнитный рельеф», возникающий под действием тепловых лучей, при намагничивании плёнки становится видимым в обычном отражённом свете. Рассмотренные методы Т. реализованы в ряде устройств, получивших название термофотоаппарат, визуализатор, термоинтроскоп, радиовизор и др.

Плёнки вышеуказанных веществ могут наноситься и непосредственно на объект — для изучения распределения температуры его поверхности; это научное направление, получившее название термографии, иногда называется также Т. (в этом случае, однако, регистрируется температура, а не тепловое излучение объекта). К Т. можно отнести также и применение инфракрасных Лазеров (например, на парах CO2, с длиной волны 10,6 мкм, соответствующей максимуму теплового излучения при температуре 23 °С) в целях просвечивания объектов, непрозрачных для видимого света; оно получило развитие в 70-х гг. Т. находит всё более широкое применение в медицинской и технической диагностике, навигации, геологической разведке, метеорологии, дефектоскопии, при научно-технических исследованиях тепловых процессов, а также в военном деле и т. д. (см. Инфракрасная техника).

Лит.: Ощепков П. К., Меркулов А. П., Интроскопия, М., 1967; Гуревич В. З., Энергия невидимого света, М., 1973; Левитин И. Б., Инфракрасная техника, Л., 1973; Козелкин В. В., Усольцев И. Ф., Основы инфракрасной техники, М., 1974; Сонин А. С., Степанов Б. М., Приборы на жидких кристаллах, «Природа», 1974, № 11; Клюкин Л. М., Сонин А. С., Степанов Б. М., Фотографируется тепло, «Наука и жизнь», 1975, № 3; Ирисова Н. А., Тимофеев Ю. П., Фридман А. С., Люминесценция позволяет видеть невидимое, «Природа», 1975, № 1.

К. М. Климов, Ю. П. Тимофеев.