Тепловидение

Тепловидение, 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), 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. 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, магнитные тонкие плёнки, 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: 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, Ї 11; Клюкин Л. М., Сонин А. С., Степанов Б. М., Фотографируется тепло, "Наука и жизнь", 1975, Ї 3; Ирисова Н. А., Тимофеев Ю. П., Фридман А. С., Люминесценция позволяет видеть невидимое, "Природа", 1975, Ї 1.
? К. М. Климов, Ю. П. Тимофеев.