Crónicas de imágenes térmicas (Parte 1)
Como es habitual, las raíces de todas las cosas importantes de una u otra forma se remontan a la antigua Grecia: la imagen térmica en esta situación no es una excepción. Titus Lucrecio Kar primero sugirió que hay algunos rayos de "calor" que son invisibles para el ojo humano, pero el asunto no ha llegado más allá de las conclusiones especulativas. Recordaron la radiación de calor en la era del desarrollo de la tecnología de vapor y el químico sueco Karl Scheele y el físico alemán Johann Lambert estuvieron entre los primeros en convertirse en los primeros. El primero de su trabajo "Tratado químico sobre el aire y el fuego" dio calidez a todo un capítulo: este evento ocurrió en el año 1777 y se convirtió en el antecesor del libro "Pirometría" escrito por Lambert dos años después. Los científicos han descubierto la rectitud de la propagación de los rayos de calor y han determinado, probablemente, lo más importante: su intensidad disminuye en proporción inversa al cuadrado de la distancia. Pero la experiencia más sorprendente con el calor fue realizada por Mark Auguste Pictet en 1790, cuando colocó dos espejos cóncavos uno contra el otro y colocó una bola caliente en el foco de uno. Al medir la temperatura de los espejos, Pictell encontró algo sorprendente para esa época: el espejo resultó ser más cálido, cuyo foco era la bola caliente. El científico fue más allá y cambió el cuerpo acalorado por una bola de nieve: la situación cambió exactamente a la inversa. Así, el fenómeno de la reflexión de la radiación térmica fue descubierto y el concepto de "rayos fríos" desapareció para siempre.
William Herschel (1738-1822) El astrónomo inglés, el descubridor de la radiación infrarroja. Fuente - en.wikipedia.org
La siguiente persona significativa en historias Las imágenes térmicas se convirtieron en el descubridor de Urano y sus satélites, el astrónomo inglés William Herschel. El científico descubrió en 1800 la existencia de rayos invisibles, “que poseen la mayor potencia de calentamiento”, ubicados fuera del espectro visible humano. Lo logró con la ayuda de un prisma de vidrio, que descompone la luz en sus componentes, y un termómetro, que fija la temperatura máxima justo a la derecha de la luz roja visible. Como seguidor de las enseñanzas corpusculares de Newton, Herschel creía firmemente en la identidad de la luz y el calor radiante, sin embargo, después de los experimentos con la refracción de los rayos infrarrojos invisibles, su fe se vio gravemente afectada. Pero en cualquier historia no lo hace sin las personas autorizadas inteligentes de la ciencia, que estropean la imagen con su falsa especulación. En este papel fue realizado por el físico John Leslie de Edimburgo, quien declaró la existencia de aire caliente, que, de hecho, son los "rayos de calor muy míticos". No era demasiado perezoso para repetir el experimento de Herschel, e inventó un termómetro diferencial especial de mercurio para esto, que registraba la temperatura máxima justo en el área del espectro rojo visible. Herschel fue declarado casi un charlatán, señalando la insuficiente preparación de los experimentos y la falsedad de las conclusiones.
Sin embargo, el tiempo se juzgó de manera diferente: para 1830-th año, numerosos experimentos realizados por científicos líderes en el mundo demostraron la existencia de "rayos con el nombre de Herschel", que Becquerel llamó infrarrojos. El estudio de varios cuerpos sobre la capacidad de transmitir (o no transmitir) dicha radiación llevó a los científicos a comprender que el fluido que llena el globo ocular absorbe el espectro infrarrojo. En general, fue precisamente ese error de la naturaleza lo que creó la necesidad de la invención de una cámara termográfica. Pero en el siglo XIX, los científicos solo conocían la naturaleza de la transferencia de calor y la radiación invisible, yendo a todos los matices. Resultó que las diferentes fuentes de calor (una caldera caliente, un acero al rojo vivo, una lámpara de alcohol) tienen una composición de calidad diferente del "pastel infrarrojo". Fue probado experimentalmente por el italiano Machedonio Melloni con la ayuda de uno de los primeros dispositivos de registro de calor: la termo-columna de bismuto-antimonio (thermomultiplicateur). La interferencia de la radiación infrarroja permitió enfrentar este fenómeno: en 1847, con su ayuda, se utilizó por primera vez el espectro con una longitud de onda de hasta 1,94 μm.
Araña bolómetro - registrador de radiación térmica. Fuente - en.wikipedia.org
Y en 1881, un bolómetro vino en ayuda de la física experimental, uno de los primeros dispositivos para fijar la energía radiante. Este milagro fue inventado por el matemático y físico sueco Adolf-Ferdinand Swanberg, colocando una placa ennegrecida extremadamente delgada en el camino de la radiación infrarroja que puede cambiar su conductividad bajo la influencia del calor. Tal receptor de radiación hizo posible alcanzar la máxima longitud de onda posible en ese momento a 5,3 μm, y para el año 1923, se detectaron 420 μm en la radiación de un pequeño oscilador eléctrico. El comienzo del siglo XX está marcado por el surgimiento de una gran cantidad de ideas relacionadas con la implementación práctica de las búsquedas teóricas de décadas anteriores. Así, aparece un fotoresistor de sulfuro de talio tratado con oxígeno (oxisulfuro de talio), capaz de cambiar su conductividad bajo la acción de los rayos infrarrojos. Los ingenieros alemanes crearon en su base receptores de talloides que se han convertido en un medio confiable de comunicación en el campo de batalla. Hasta el 1942, la Wehrmacht logró mantener su sistema en secreto, capaz de operar una distancia de hasta 8 km, hasta que se perforó en El Alamein. Las evaporografías son los primeros sistemas de imágenes térmicas verdaderos, que permiten obtener termogramas más o menos satisfactorios.
Esquema del evaporador. Del libro "Fundamentos de la tecnología de infrarrojos" Kozelkin V. V.
El dispositivo es el siguiente: una membrana delgada con vapores sobresaturados de alcohol, alcanfor o naftaleno se encuentra en la cámara, y la temperatura interna es tal que la velocidad de evaporación de las sustancias es igual a la velocidad de condensación. Dicho equilibrio térmico es violado por el sistema óptico que enfoca la imagen térmica en la membrana, lo que conduce a la aceleración de la evaporación en las áreas más calientes; como resultado, se forma una imagen térmica. Los interminables segundos en el evaporógrafo fueron para la formación de una imagen, cuyo contraste dejaba mucho que desear, el ruido a veces eclipsó todo, pero no había nada que decir sobre la transmisión de alta calidad de objetos en movimiento. A pesar de la buena resolución de 10 grados centígrados, la combinación de desventajas no dejó al evaporógrafo en un lugar de producción en masa. Sin embargo, el dispositivo EV-84 de serie pequeña apareció en la URSS, EVA en Alemania, y también se realizaron búsquedas experimentales en Cambridge. Desde los años 30, los semiconductores y sus relaciones especiales con el espectro infrarrojo han llamado la atención de los ingenieros. Aquí las riendas pasaron a los militares, bajo cuyo liderazgo aparecieron los primeros fotoresistores de plomo a base de sulfuro enfriados. La idea de que cuanto menor es la temperatura del receptor, mayor es su sensibilidad, se confirmó y los cristales en las cámaras térmicas comenzaron a congelarse con dióxido de carbono sólido y aire líquido. Y la tecnología para rociar la capa sensible en el vacío, desarrollada en la Universidad de Praga, ya era una tecnología muy alta para esos años anteriores a la guerra. Desde 1934, el convertidor electrónico-óptico de generación cero, mejor conocido como "Canvas Cup", se convirtió en el antepasado de una gran cantidad de equipos útiles, desde dispositivos de conducción nocturna. tanques a vistas individuales de francotiradores.
El vaso de Holst es el primer convertidor electro-óptico. Fuente - zodiak.uu.ru
Un lugar importante que la visión nocturna recibió en la marina la flota - Los barcos obtuvieron la capacidad de navegar en la oscuridad completa en la zona costera, manteniendo un régimen de apagón. En 1942, las fuerzas aéreas tomaron prestados los logros de la flota en el campo de la navegación y comunicación nocturna. En general, los británicos fueron los primeros en detectar un avión en el cielo nocturno por su firma infrarroja en 1937. La distancia, por supuesto, fue modesta: unos 500 metros, pero para ese momento fue un éxito indudable. El más cercano al generador de imágenes térmicas en el sentido clásico llegó en 1942, cuando se obtuvo un bolómetro superconductor basado en tántalo y antimonio con enfriamiento con helio líquido. Los detectores de calor alemanes "Donau-60" basados en él hicieron posible reconocer grandes embarcaciones marítimas a una distancia de hasta 30 km. Cuarenta años se convirtieron en una especie de encrucijada para la tecnología de imagen térmica: un camino llevó a sistemas similares a la televisión con escaneo mecánico, y el segundo a grabadores de video infrarrojos sin escaneo.
La historia de la tecnología de imágenes térmicas militares nacionales se remonta a la finalización de los 1960, cuando comenzaron los trabajos en la planta de fabricación de instrumentos de Novosibirsk en el marco de los proyectos de investigación Evening y Evening-2. La parte teórica fue supervisada por el instituto de investigación científica líder en física aplicada en Moscú. La cámara termográfica de serie no funcionó en ese momento, pero los desarrollos se utilizaron en el trabajo de investigación “Lena”, cuyo resultado fue la primera cámara termográfica para el reconocimiento 1PN59, equipada con un fotodetector “Lena FN”. Los elementos fotosensibles 50 (cada 100x100 μm de tamaño) se organizaron en una fila con un paso de 130 μm y aseguraron el funcionamiento del dispositivo en la onda media (MWIR - Infrarrojo de onda media) 3-5 μm rango espectral con un rango de detección objetivo hasta 2000 m. La alta presión ingresó al intercambiador de microheat del calentador de fotos, lo enfrió a -194,5OS y lo devolvió al compresor. Esta es una característica de los dispositivos de la primera generación: la alta sensibilidad requiere bajas temperaturas. Y las bajas temperaturas requeridas, a su vez, grandes dimensiones y un impresionante consumo de energía en vatios 600.
Instaló 1PN59 en la máquina de reconocimiento doméstico PRP-4 "Nard" utilizando la base BMP-1.
Máquina de inteligencia PRP-4 "Nard" Fuente - cris9.armforc.ru
Por 1982, los ingenieros nacionales decidieron cambiar el rango de trabajo espectral de los dispositivos de imagen térmica a 8-14 µm (LWIR de onda larga de infrarrojo de onda larga) debido al mejor "rendimiento" de la atmósfera de radiación térmica en este segmento. El producto bajo el símbolo 1PN71 fue el resultado de un trabajo de diseño similar en la dirección de "Benefit-2", que tiene como "ojo que todo lo ve" un foto-receptor de telururo de cadmio-mercurio (CdHgTe o КРТ).
Producto 1PN71. Fuente - army-guide.com
Llamaron a este elemento sensorial "Gravedad Cero-64" y tenía ... correctamente, 64 crystal CMT de tamaños 50х50 en incrementos de 100 μm. La congelación "ingravidez" tenía incluso más fuerza - a-196,50С, pero el peso y las dimensiones del producto disminuyeron notablemente. Todo esto permitió lograr 1PN71 de vista larga en los medidores 3000 y mejorar significativamente la imagen frente al usuario. El generador de imágenes se instaló en el punto de reconocimiento de artillería móvil Deuterium PRP-4М, que, además del dispositivo 1PN71, está equipado con un dispositivo de visión nocturna, un radar y un detector de alcance láser. Una especie rara en el ejército ruso: BRM-3 "Lynx" también está equipado con un dispositivo de imágenes térmicas, el Novosibirsk, una planta de fabricación de instrumentos. Para cambiar esta técnica en las tropas, se diseñó la cámara termográfica "Argus-AT" 1PN126, desarrollada en 2005 por la Oficina Central de Diseño de Tochpribor y equipada con elementos de detección microscópicos del tamaño de micrón 30x30 de CdHgTe, el cual fue diseñado. Un punto culminante real de la ciento veintiséis imágenes térmicas fue un prisma octagonal de germanio giratorio, transparente a la radiación infrarroja. Es este escáner que genera dos cuadros en un dispositivo fotodetector en el modo de registro de la firma térmica del objeto observado en una revolución. A modo de comparación, en 1PN71 esta función fue realizada por un espejo plano. En la Unión Soviética no existían tecnologías económicas para la producción de gafas de germanio. Bajo la nueva cámara termográfica doméstica, se preparó una plataforma de reconocimiento del borde frontal del PDP-4А o, como suele llamarse, el ojo que todo lo ve del dios de la guerra. Acurrucado con numerosas lentes de dispositivos de reconocimiento óptico, el automóvil es bastante similar al antiguo gigante griego de múltiples ojos, de quien recibió su nombre.
William Herschel (1738-1822) El astrónomo inglés, el descubridor de la radiación infrarroja. Fuente - en.wikipedia.org
La siguiente persona significativa en historias Las imágenes térmicas se convirtieron en el descubridor de Urano y sus satélites, el astrónomo inglés William Herschel. El científico descubrió en 1800 la existencia de rayos invisibles, “que poseen la mayor potencia de calentamiento”, ubicados fuera del espectro visible humano. Lo logró con la ayuda de un prisma de vidrio, que descompone la luz en sus componentes, y un termómetro, que fija la temperatura máxima justo a la derecha de la luz roja visible. Como seguidor de las enseñanzas corpusculares de Newton, Herschel creía firmemente en la identidad de la luz y el calor radiante, sin embargo, después de los experimentos con la refracción de los rayos infrarrojos invisibles, su fe se vio gravemente afectada. Pero en cualquier historia no lo hace sin las personas autorizadas inteligentes de la ciencia, que estropean la imagen con su falsa especulación. En este papel fue realizado por el físico John Leslie de Edimburgo, quien declaró la existencia de aire caliente, que, de hecho, son los "rayos de calor muy míticos". No era demasiado perezoso para repetir el experimento de Herschel, e inventó un termómetro diferencial especial de mercurio para esto, que registraba la temperatura máxima justo en el área del espectro rojo visible. Herschel fue declarado casi un charlatán, señalando la insuficiente preparación de los experimentos y la falsedad de las conclusiones.
Sin embargo, el tiempo se juzgó de manera diferente: para 1830-th año, numerosos experimentos realizados por científicos líderes en el mundo demostraron la existencia de "rayos con el nombre de Herschel", que Becquerel llamó infrarrojos. El estudio de varios cuerpos sobre la capacidad de transmitir (o no transmitir) dicha radiación llevó a los científicos a comprender que el fluido que llena el globo ocular absorbe el espectro infrarrojo. En general, fue precisamente ese error de la naturaleza lo que creó la necesidad de la invención de una cámara termográfica. Pero en el siglo XIX, los científicos solo conocían la naturaleza de la transferencia de calor y la radiación invisible, yendo a todos los matices. Resultó que las diferentes fuentes de calor (una caldera caliente, un acero al rojo vivo, una lámpara de alcohol) tienen una composición de calidad diferente del "pastel infrarrojo". Fue probado experimentalmente por el italiano Machedonio Melloni con la ayuda de uno de los primeros dispositivos de registro de calor: la termo-columna de bismuto-antimonio (thermomultiplicateur). La interferencia de la radiación infrarroja permitió enfrentar este fenómeno: en 1847, con su ayuda, se utilizó por primera vez el espectro con una longitud de onda de hasta 1,94 μm.
Araña bolómetro - registrador de radiación térmica. Fuente - en.wikipedia.org
Y en 1881, un bolómetro vino en ayuda de la física experimental, uno de los primeros dispositivos para fijar la energía radiante. Este milagro fue inventado por el matemático y físico sueco Adolf-Ferdinand Swanberg, colocando una placa ennegrecida extremadamente delgada en el camino de la radiación infrarroja que puede cambiar su conductividad bajo la influencia del calor. Tal receptor de radiación hizo posible alcanzar la máxima longitud de onda posible en ese momento a 5,3 μm, y para el año 1923, se detectaron 420 μm en la radiación de un pequeño oscilador eléctrico. El comienzo del siglo XX está marcado por el surgimiento de una gran cantidad de ideas relacionadas con la implementación práctica de las búsquedas teóricas de décadas anteriores. Así, aparece un fotoresistor de sulfuro de talio tratado con oxígeno (oxisulfuro de talio), capaz de cambiar su conductividad bajo la acción de los rayos infrarrojos. Los ingenieros alemanes crearon en su base receptores de talloides que se han convertido en un medio confiable de comunicación en el campo de batalla. Hasta el 1942, la Wehrmacht logró mantener su sistema en secreto, capaz de operar una distancia de hasta 8 km, hasta que se perforó en El Alamein. Las evaporografías son los primeros sistemas de imágenes térmicas verdaderos, que permiten obtener termogramas más o menos satisfactorios.
Esquema del evaporador. Del libro "Fundamentos de la tecnología de infrarrojos" Kozelkin V. V.
El dispositivo es el siguiente: una membrana delgada con vapores sobresaturados de alcohol, alcanfor o naftaleno se encuentra en la cámara, y la temperatura interna es tal que la velocidad de evaporación de las sustancias es igual a la velocidad de condensación. Dicho equilibrio térmico es violado por el sistema óptico que enfoca la imagen térmica en la membrana, lo que conduce a la aceleración de la evaporación en las áreas más calientes; como resultado, se forma una imagen térmica. Los interminables segundos en el evaporógrafo fueron para la formación de una imagen, cuyo contraste dejaba mucho que desear, el ruido a veces eclipsó todo, pero no había nada que decir sobre la transmisión de alta calidad de objetos en movimiento. A pesar de la buena resolución de 10 grados centígrados, la combinación de desventajas no dejó al evaporógrafo en un lugar de producción en masa. Sin embargo, el dispositivo EV-84 de serie pequeña apareció en la URSS, EVA en Alemania, y también se realizaron búsquedas experimentales en Cambridge. Desde los años 30, los semiconductores y sus relaciones especiales con el espectro infrarrojo han llamado la atención de los ingenieros. Aquí las riendas pasaron a los militares, bajo cuyo liderazgo aparecieron los primeros fotoresistores de plomo a base de sulfuro enfriados. La idea de que cuanto menor es la temperatura del receptor, mayor es su sensibilidad, se confirmó y los cristales en las cámaras térmicas comenzaron a congelarse con dióxido de carbono sólido y aire líquido. Y la tecnología para rociar la capa sensible en el vacío, desarrollada en la Universidad de Praga, ya era una tecnología muy alta para esos años anteriores a la guerra. Desde 1934, el convertidor electrónico-óptico de generación cero, mejor conocido como "Canvas Cup", se convirtió en el antepasado de una gran cantidad de equipos útiles, desde dispositivos de conducción nocturna. tanques a vistas individuales de francotiradores.
El vaso de Holst es el primer convertidor electro-óptico. Fuente - zodiak.uu.ru
Un lugar importante que la visión nocturna recibió en la marina la flota - Los barcos obtuvieron la capacidad de navegar en la oscuridad completa en la zona costera, manteniendo un régimen de apagón. En 1942, las fuerzas aéreas tomaron prestados los logros de la flota en el campo de la navegación y comunicación nocturna. En general, los británicos fueron los primeros en detectar un avión en el cielo nocturno por su firma infrarroja en 1937. La distancia, por supuesto, fue modesta: unos 500 metros, pero para ese momento fue un éxito indudable. El más cercano al generador de imágenes térmicas en el sentido clásico llegó en 1942, cuando se obtuvo un bolómetro superconductor basado en tántalo y antimonio con enfriamiento con helio líquido. Los detectores de calor alemanes "Donau-60" basados en él hicieron posible reconocer grandes embarcaciones marítimas a una distancia de hasta 30 km. Cuarenta años se convirtieron en una especie de encrucijada para la tecnología de imagen térmica: un camino llevó a sistemas similares a la televisión con escaneo mecánico, y el segundo a grabadores de video infrarrojos sin escaneo.
La historia de la tecnología de imágenes térmicas militares nacionales se remonta a la finalización de los 1960, cuando comenzaron los trabajos en la planta de fabricación de instrumentos de Novosibirsk en el marco de los proyectos de investigación Evening y Evening-2. La parte teórica fue supervisada por el instituto de investigación científica líder en física aplicada en Moscú. La cámara termográfica de serie no funcionó en ese momento, pero los desarrollos se utilizaron en el trabajo de investigación “Lena”, cuyo resultado fue la primera cámara termográfica para el reconocimiento 1PN59, equipada con un fotodetector “Lena FN”. Los elementos fotosensibles 50 (cada 100x100 μm de tamaño) se organizaron en una fila con un paso de 130 μm y aseguraron el funcionamiento del dispositivo en la onda media (MWIR - Infrarrojo de onda media) 3-5 μm rango espectral con un rango de detección objetivo hasta 2000 m. La alta presión ingresó al intercambiador de microheat del calentador de fotos, lo enfrió a -194,5OS y lo devolvió al compresor. Esta es una característica de los dispositivos de la primera generación: la alta sensibilidad requiere bajas temperaturas. Y las bajas temperaturas requeridas, a su vez, grandes dimensiones y un impresionante consumo de energía en vatios 600.
Instaló 1PN59 en la máquina de reconocimiento doméstico PRP-4 "Nard" utilizando la base BMP-1.
Máquina de inteligencia PRP-4 "Nard" Fuente - cris9.armforc.ru
Por 1982, los ingenieros nacionales decidieron cambiar el rango de trabajo espectral de los dispositivos de imagen térmica a 8-14 µm (LWIR de onda larga de infrarrojo de onda larga) debido al mejor "rendimiento" de la atmósfera de radiación térmica en este segmento. El producto bajo el símbolo 1PN71 fue el resultado de un trabajo de diseño similar en la dirección de "Benefit-2", que tiene como "ojo que todo lo ve" un foto-receptor de telururo de cadmio-mercurio (CdHgTe o КРТ).
Producto 1PN71. Fuente - army-guide.com
Llamaron a este elemento sensorial "Gravedad Cero-64" y tenía ... correctamente, 64 crystal CMT de tamaños 50х50 en incrementos de 100 μm. La congelación "ingravidez" tenía incluso más fuerza - a-196,50С, pero el peso y las dimensiones del producto disminuyeron notablemente. Todo esto permitió lograr 1PN71 de vista larga en los medidores 3000 y mejorar significativamente la imagen frente al usuario. El generador de imágenes se instaló en el punto de reconocimiento de artillería móvil Deuterium PRP-4М, que, además del dispositivo 1PN71, está equipado con un dispositivo de visión nocturna, un radar y un detector de alcance láser. Una especie rara en el ejército ruso: BRM-3 "Lynx" también está equipado con un dispositivo de imágenes térmicas, el Novosibirsk, una planta de fabricación de instrumentos. Para cambiar esta técnica en las tropas, se diseñó la cámara termográfica "Argus-AT" 1PN126, desarrollada en 2005 por la Oficina Central de Diseño de Tochpribor y equipada con elementos de detección microscópicos del tamaño de micrón 30x30 de CdHgTe, el cual fue diseñado. Un punto culminante real de la ciento veintiséis imágenes térmicas fue un prisma octagonal de germanio giratorio, transparente a la radiación infrarroja. Es este escáner que genera dos cuadros en un dispositivo fotodetector en el modo de registro de la firma térmica del objeto observado en una revolución. A modo de comparación, en 1PN71 esta función fue realizada por un espejo plano. En la Unión Soviética no existían tecnologías económicas para la producción de gafas de germanio. Bajo la nueva cámara termográfica doméstica, se preparó una plataforma de reconocimiento del borde frontal del PDP-4А o, como suele llamarse, el ojo que todo lo ve del dios de la guerra. Acurrucado con numerosas lentes de dispositivos de reconocimiento óptico, el automóvil es bastante similar al antiguo gigante griego de múltiples ojos, de quien recibió su nombre.
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