Эволюция тепловизоров

Тепловизоры в период 1900 — 1950 г.г.

С начала XX в. усиливается интерес к применению инфракрасной техники для решения все более возрастающего числа практических проблем. Патентная литература 1900–1920 гг. содержит многочисленные предложения по созданию инфракрасных приборов обнаружения кораблей, самолетов и людей, а также систем связи и автоматического наведения на цель средств поражения.

Одна из самых ранних инфракрасных систем пассивного типа, использующая термостолбик и гальванометр, описана в статье Гофмана. Аппаратура позволяла обнаруживать человека на расстоянии около 200 м, а самолет — на расстоянии 1600 м. В целом попытки использования средств инфракрасной техники в аппаратуре военного назначения успеха не имели.

С 1930 г. начались систематические исследования воздействия теплового излучения на полупроводники. В Германии были разработаны приемники излучения из сульфида свинца и обнаружено увеличение их чувствительности при охлаждении. Были получены самые чувствительные приемники излучения с длинноволновой границей около 4 мкм, сыгравшие важную роль в разработке многочисленных инфракрасных систем, главным образом военного назначения. Выпуск приемников был доведен в Германии до 4000 в месяц.

Наиболее значительной разработкой в тридцатых годах следует считать электронно-оптический преобразователь (ЭОП), первые образцы которого были в 1934 г. На базе ЭОП в 1939–1942 гг. в США была создана аппаратура для вождения танков в ночных условиях, а также прицелы, широко применявшиеся на тихоокеанском театре военных действий.

Британский флот уже в 1941 г. применял на средиземноморском театре военных действий приборы ночного видения на основе электронно-оптических преобразователей изображения. С их помощью катера, возвращавшиеся после атаки, находили по сигнальным огням корабль-базу. ВВС начали использовать аналогичные приборы для опознавания своих самолетов начиная с 1942 г.

В немецкой армии ЭОП применялись в трех видах инфракрасной аппаратуры: приборах для вождения танков в ночных условиях, ночных стрелковых прицелах и системах опознавания самолетов. Аппаратура первого вида позволяла продвигаться в условиях затемнения с обычной дневной скоростью. Освещение создавалось 100…200-ваттными лампами-фарами, закрытыми инфракрасным фильтром. При этом дорога была ясно видна на 90 м, а большие препятствия — на 180 м. Стрелковый прицел имел эффективную дальность действия до 90 м и применялся на советско-германском фронте.

Разработанные в этот период приборы наблюдения с длиннофокусным (250 мм) объективом позволяли различать объекты с температурой 200° С и выше и обнаруживать выхлопы самолетов на расстояниях до 32 км. Приборы обнаружения с диаметром зеркального объектива 600 мм имели дальности действия по танкам 7 км и по кораблям 20 км.

В 1942 г. были разработаны сверхпроводящие болометры на основе тантала, охлаждаемого жидким гелием. В дальнейшем эти болометры были усовершенствованы благодаря использованию в качестве чувствительного элемента нитрида ниобия. Впервые болометры начали использовать в инфракрасной аппаратуре обнаружения кораблей и летательных аппаратов в середине 20-х годов. Но только в 1935 г. была создана пассивная система, позволявшая обнаруживать крупные суда на расстоянии до 20…25 км.

Из английских разработок с болометрами можно отметить обзорную систему с объективом, имевшим диаметр входного зрачка 110 мм. Система была опробована в воздухе в 1937 г. и обеспечивала дальность обнаружения самолетов около 600 м. Возможно, это был первый случай, когда самолет был обнаружен в полете с другого самолета с помощью инфракрасной аппаратуры.

Тепловизоры в период 1950 — 2000 г.г

Тактические недостатки военного использования, так называемых, «активных» (т.е. оснащенных поисковыми лучами) систем теплового изображения дали толчок во время Второй мировой войны развитию интенсивных засекреченных военных программ по исследованию инфракрасного излучения с целью разработки «пассивных» систем (без поисковых лучей) на базе чрезвычайно чувствительного фотонного детектора. В этот период режим секретности военных разработок полностью скрывал состояние технологии инфракрасных изображений. Завеса секретности начала приоткрываться, только начиная с середины 1950-х годов, и с того времени соответствующие устройства тепловидения, наконец, стали становиться доступными для гражданской науки и промышленности.

Часто считают, что прообразом тепловизоров является бортовой тепловизор с оптико-механическим сканированием фирмы Barnes (США). Тепловизор был разработан в 1954 г. и положил начало так называемым «впередсмотрящим» ИК системам (Forward Looking Infrared — FLIR), которые размещались на летательных аппаратах. В этих тепловизорах была предусмотрена только строчная развертка сцены, поскольку кадровая развертка получалась за счет перемещения летательного аппарата относительно поверхности Земли.

В начале 60-х годов известная шведская фирма AGEMA Infrared Systems (тогда AGA) разработала ИК тепловизор для военных применений. Его гражданская модификация — тепловизор Thermovision-650 больше напоминал телескоп из-за использования оптики большого диаметра. Следующая коммерческая модель Thermovision −665 весила 35 кг, требовала охлаждения приемника жидким азотом и также была далека от последующих портативных приборов (интересно отметить, что именно эта модель послужила прототипом известного отечественного прибора ТВ-03, который выпускался без особых изменений вплоть до начала перестройки).

Модель Thermovision-680 1968 г. со сменной оптикой стала первым коммерческим тепловизором, получившим широкое распространение. Введение аккумуляторного питания в следующую модель Thermovision-750 превратило ее в портативный тепловизор, который однако требовал размещать в поле зрения температурный эталон. В 1978 г. была разработана модель Thermovision-780, в которую были введены встроенный эталон температуры и использована запись термоизображений на видеопленку. В 1986 г. фирма отказалась от охлаждения ИК приемника жидким азотом и ввела в модель Thermovision-870 термоэлектрическое охлаждение наряду с процессором Хаски для расчета температуры и калибровки в реальном времени. В 1988 г. на рынке появились тепловизоры Thermavision-400 массой около 7 кг, которые в течение многих лет оставались непревзойденными приборами для полевой ИК съемки.

Наконец, в 1995 г. начат выпуск нового поколения тепловизоров серии Thermovision-500, в котором применены мозаичные детекторы, устанавливаемые в фокальной плоскости (Focal Plane Array — FPA). В ряде приборов этой серии термоэлектрический холодильник, обеспечивающий относительно невысокий уровень охлаждения, заменен компрессором Стирлинга, с помощью которого ИК приемник охлаждается до −200″С. Тепловизоры 500-й (позднее 600-й) серии с массой менее 2 кг фактически ознаменовали появление ИК телевидения в том виде, как в течение многих лет мечтали исследователи.

В середине 90-х годов произошло слияние трех крупнейших производителей ИК аппаратуры: фирм FLIR (США), Inframetrics (США) и AGEMA Infrared Systems (Швеция). В настоящее время фирма FLIR Systems, Inc. (FSI), США, является самым крупным мировым производителем коммерческих тепловизоров. Фирма выпускает тепловизионную аппаратуру широкой номенклатуры, предназначенную для: 1) научных исследований; 2) полевых съемок и инспекций промышленных установок; 3) наблюдения объектов, или ночного видения; 4) мониторинга объектов с борта летательного аппарата.

Следует отметить другие известные мировые фирмы—производители тепловизоров высокого качества: Raytheon (США), Santa Barbara Focal Plane (США), Indigo (США), Mikron (США), NEC (Япония), CEDIP (Франция), AEG Infrarot-Module (Германия). В 2002 г. на мировом рынке заявили о себе китайские производители тепловизоров (WuHan Guide Electronic Industrial и Guangzhou Sat Infrared), использующие западные мозаичные детекторы.

Использованы материалы: Вавилов В.П., Климов А.Г. «Тепловизоры и их применения»; Вавилов В.П. «Инфракрасная термография и тепловой контроль».