ZASTOSOWANIE CZUJNIKÓW PODCZERWIENI W TECHNICE

Promieniowanie podczerwone nie jest wcale nowoodkrytym zjawiskiem fizycznym. Znane było przed kilkoma stuleciami, a dokładniej zostało odkryte po wykonaniu przez angielskiego uczonego Izaaka Newtona doświadczenia z rozszczepieniem światła w pryzmacie i jego podział na widma barwne już w XVII wieku. Natomiast w kolejnym stuleciu badacz szkocki Thomas Mevill zaobserwował emisję promieniowania podczerwonego z płonącej mieszanki alkoholu i sodu. Za „ojca podczerwieni” przyjmuje się niemieckiego astronoma, który wyemigrował do Anglii – Friedricha Wilhelma Herschela. Odkrywca poszukujący efektów cieplnych powtórzył doświadczenie Newtona z rozszczepieniem światła przenikającego przez pryzmat, ale wzdłuż widma promieniowania otrzymanego w postaci różnych barw poumieszczał poczernione zbiorniki bardzo czułych termometrów rtęciowych, które pełniły funkcję detektorów promieniowania cieplnego. Energia w postaci światła padającego na zaczernione zbiorniczki termometrów została przez nie pochłonięta, co spowodowało że termometry zaczęły pokazywać coraz wyższą temperaturę, począwszy od barwy fioletowej aż do czerwonej. Temperatura ta była wyraźnie większa od temperatury otoczenia, wskazywanej jeszcze przed rozpoczęciem doświadczenia. Okazało się jeszcze, że najwyższy wzrost temperatury wskazał termometr umieszczony poza strefą oświetloną barwą czerwoną, na którą nie pada już widzialne światło. Przeprowadzone doświadczenie uświadomiło, że granice widma promieniowania słonecznego wcale nie pokrywają z granicami widzialnymi. Wynika z tego wniosek, że z obszarem czerwieni widzialnej bezpośrednio łączy się obszar promieniowania niewidocznego dla gołego oka ludzkiego. Herschel nowo odkryte promieniowanie nazwał „światłem niewidzialnym”. Trochę później pojawiło się określenie – promieniowanie podczerwone, z powodu zakresu jego widma leżącego poza czerwoną barwą światła dla promieniowania widzialnego.

Herschel nieświadomie wykorzystał termometry w roli pierwszych, stosunkowo prostych, mocno niedoskonałych detektorów promieniowania ze swojej epoki. Za ich pomocą zdołał zbadać tylko fragment zakresu promieniowania podczerwonego, leżący tuż za granicą promieniowania widzialnego barwy czerwonej. Promieniowanie w zakresie dalszym zostało w większości pochłonięte przez szklany pryzmat, który został użyty w doświadczeniu z tego względu relatywnie niewielka energia charakteryzująca ten zakres nie mogła wiec zostać wykryta i zbadana.

Dalsze badania prowadzone nad zjawiskiem wykazały, że promieniowanie podczerwone posiada wiele cech promieniowania widzialnego. Podlega zatem prawom pochłaniania, załamania czy odbicia. Z kolejnych doświadczeń wynika również fakt, że podobnie jak światło, podatne jest na interferencję i dyfrakcję.

Przez dość długi czas promieniowanie podczerwone błędnie nazywano promieniowaniem cieplnym, ponieważ uważano, że ma ono jedynie cieplne działanie. W rzeczywistości energia promieniowania widzialnego, nadfioletowego, rentgenowskiego czy fal radiowych pochłonięta przez jakieś ciało również zmienia się w ciepło. Więc wymienione rodzaje promieniowania także można by nazwać cieplnymi. Stosując zwykle używane źródła światła w postaci ciał nagrzanych, źródła te promieniują dużo energii w zakresie podczerwonym widma. Co więcej w odróżnieniu od innych rodzajów promieniowania to podczerwone najprościej jest wykryć na podstawie efektów cieplnych rejestrowanych przez detektory. Prawdopodobnie stąd wziął się niesłuszny pogląd o jedynie cieplnym działaniu promieniowania podczerwonego.

Jeśli chcielibyśmy uporządkować całe znane promieniowanie elektromagnetyczne(promieniowanie gamma, rentgenowskie – X, nadfioletowe, widzialne, podczerwone, mikrofalowe, radiowe) według długości fali, otrzymamy widmo promieniowania elektromagnetycznego. Zawiera się ono w przedziale 1 ∙ 10 ^–13m - 1 ∙ 10 ⁵m. Graficznym przedstawieniem tego widma jest rysunek 1. Podzielone zostało ono na poszczególne obszary ze względu na sposób wytwarzania fal elektromagnetycznych i ich właściwości fizyczne. Widać wyraźnie, że niektóre obszary częściowo się pokrywają, natomiast inne granice między pewnymi falami są umowne (rysunek jest nieco uproszczony ponieważ byłby mniej czytelny). W rzeczywistości np. obszar mikrofal pokrywa się częściowo z długofalowym promieniowaniem podczerwonym. W całym widmie promieniowania elektromagnetycznego rozciągającym się od najkrótszych długości fal gamma do najdłuższych fal radiowych promieniowanie podczerwone zajmuje dość szeroki zakres. Zwane również „podczerwienią” ang. InfraRed – IR, zależnie od źródeł zawiera się w przedziale od: 750 nm, 760 nm, 780 nm do około 1 mm.

Rysunek 1. Zakresy promieniowania elektromagnetycznego. [14]

Przedział promieniowania podczerwonego można podzielić umownie na trzy pasma ze względu na detektory promieniowania podczerwonego i materiały optyczne stosowane w podczerwieni. Pasma mają inne wartości liczbowe jak podają różne źródła i są uzależnione np. od norm stosowanych w danym kraju, tymi używanymi w Polsce są:

• bliska podczerwień (ang. Near InfraRed – NIR) 0,75 – 5 μm, na którą reagują

fotograficzne materiały negatywowe czułe na podczerwień, detektory fotoemisyjne, warstwy fotoluminescencyjne itp.;

• średnia podczerwień (ang. Mid InfraRed – MIR) 5 – 30 μm, wykrywana najłatwiej przez oporniki fotoelektryczne;

• daleka podczerwień (ang. Far InfraRed – FIR) 30 – 1000 μm. W paśmie tym działają detektory cieplne takie jak: bolometry, termoelementy.

Rysunek 2. Widmo fal elektromagnetycznych. [15]

Promieniowanie podczerwone jest emitowane przez gazy, ciecze oraz oczywiście ciała stałe. Powstaje ono w wyniku pobudzenia elektronowego atomów i cząsteczek tych ciał, jak również w wyniku ruchów drgających i rotacyjnych cząsteczek ciał, których temperatura jest wyższa od zera bezwzględnego (zero bezwzględne równe jest 0˚ Kelwina co odpowiada – 273,15˚C). Jak już wiemy promieniowanie podczerwone posiada wiele cech promieniowania świetlnego. Można je skupiać przy pomocy zwierciadeł, rozchodzi się w próżni, istnieje możliwość zarejestrowania jego obrazu za pomocą aparatu na specjalnie przystosowanej do tego celu kliszy fotograficznej. Chociaż obecności promieniowania podczerwonego nie jesteśmy w stanie stwierdzić przy pomocy zmysłów wzroku czy węchu mamy z nim do czynienia bardzo często np. zbliżając dłoń do rozgrzanego spodu żelazka, piecyka kuchennego czy ogniska wyraźnie czujemy bijące od nich ciepło.

Historia badań i zastosowania promieniowania podczerwonego:

1666: Izaak Newton dokonuje doświadczalnego rozszczepienia promieniowania widzialnego w pryzmacie na poszczególne barwy.

1744: Émilie du Châtelet wydała dzieło poświęcone naturze ognia w którym przewidziała zjawisko podczerwieni i naturę światła.

1752: Thomas Mevill dostrzega emisję promieniowania podczerwonego podczas spalania mieszanki alkoholu i sodu.

1756: Fizyk niemiecki Franz Ulrich Theodor Aepinus odkrywa zjawisko piroelektryczne, które polega na wytwarzaniu na powierzchni kryształów ładunku elektrycznego pod wpływem zmian temperatury.

1800: Wilhelm Herschel odkrywa niewidzialne promieniowanie podczerwone.

1814: Zostają stworzone podstawy spektroskopii podczerwonej.

1821: Thomas Johann Seebeck dokonuje odkrycia zjawiska termoelektrycznego. Eefekt Seebeck’a – różnica temperatur pomiędzy złączami dwu metali powoduje pojawienie się niewielkiego napięcia. Przyczynia się to do powstania nowego czujnika – termopary.

1833: Włoski fizyk Macedonio Melloni wynalazł pierwszy termostos – czujnik promieniowania podczerwonego wykorzystujący zjawisko termoelektryczne.

1834: James David Forbes wykazuje, że promieniowanie cieplne może być polaryzowane w taki sam sposób jak światło.

1835: William Fox Talbot formułuje niepełną podstawową zasadę absorbcji rezonansowej, stwierdzając, że światło przechodząc przez ośrodek przezroczysty zdolne jest do wytwarzania ruchu cząsteczek tego ośrodka.

1837: Jean Bernard Léon Foucault i Armand Hippolyte Louis Fizeau po serii doświadczeń przyjmują identyfikację podczerwieni ze światłem.

1840: John Herschel, syn Wilhelma wykazuje istnienie pasm absorbcyjnych w widmie podczerwonym.

1859: Gustaw Robert Kirchhoff formułuje prawo promieniowania temperaturowego, a trzy lata później wprowadza pojęcie teoretyczne – ciało doskonale czarne.

1864: James Clerk Maxwell przewidział teoretycznie istnienie fal elektromagnetycznych i zaproponował ich identyczność z falami świetlnymi.

1873: Willoughby Smith dokonuje pierwszej obserwacji efektu fotoelektrycznego w ciele stałym.

1878: Samuel Pierpont Langley buduje nowy detektor podczerwieni – bolometr.

1879: Jožef Stefan w oparciu o eksperymenty Johna Tyndalla wraz z Ludwigiem Boltzmannem formułują prawo Stefana-Boltzmanna, które opisuje całkowitą moc wypromieniowaną przez ciało doskonale czarne.

1880: Hendrik Lorentz wprowadza uproszczony model atomu i klasyczną teorię dyspersji.

1887: Heinrich Hertz wytwarza w laboratorium fale elektromagnetyczne i potwierdza, że rozchodzą się z tą samą prędkością co światło i mają takie same własności polaryzacyjne.

1880 – 1890: John Strutt Rayleigh wraz z Wilhelmem Wienem podejmują wysiłki, mające na celu wyprowadzenie praw promieniowania podczerwonego. Osiągają oni tylko częściowy sukces, efektem są jedynie przybliżone wyniki.

1895: Hans Friedrich Geitel i Julius Elster konstułują pierwszą fotokomórkę.

1896: Max Planck wprowadza teorię kwantową, żeby wyjaśnić rozkład energii w widmie ciała doskonale czarnego co zostało ostatecznie wydane pięć lat później w poprawionej formie prawa promieniowania w ciele doskonale czarnym.

1905: Albert Einstein zastosował po raz pierwszy koncepcję kwantową w swojej teorii

efektu fotoelektrycznego. W tym samym roku William Coblentz ogłosił szczegóły nowej metody spektroskopii oraz opublikował strukturę widm dość dużej liczby ciał stałych, ciekłych i gazowych.

1913: Niels Bohr wprowadza kwantową teorię widma atomowego, która z kolei dała podwaliny mechaniki kwantowej. W ten sposób pojęcie światła osiągnęło dwoisty charakter.

1917: Theodore Case opracowuje światło-czułą lampę elektronową, która zostaje niedługo potem wykorzystana przez Flotę Stanów Zjednoczonych do stworzenia systemu sygnalizacyjnego w podczerwieni. Również w tym roku zostaje opracowany pierwszy system poszukiwania i śledzenia w podczerwieni – IRST. W czasie pierwszej wojny światowej umożliwia on wykrycie samolotu z odległości około 1.6km.

1923: Ernest Fox Nichols i J.D. Tear zdołali uzyskać generację fal dalekiej podczerwieni o długości 200 μ, za pomocą miniaturowego oscylatora iskrowego, udowadniając ponad

wszelką wątpliwość, że promieniowanie podczerwone ma również naturę elektromagnetyczną.

1926: John Logie Baird przeprowadza doświadczenia i badania nad telewizją.

Przyczynia się to do stworzenia podstaw noktowizji.

1933: Władimir Kosma Zworykin skonstruował pierwszy próżniowy przetwornik obrazu, który w latach późniejszych znajdzie zastosowanie w noktowizorach.

1938: Brytyjczycy opracowują noktowizory (generacji 0-wej) w oparciu o przetworniki CV144. Powstaje system przeznaczony do nocnej obserwacji R.G. Equipment, który będzie później znany pod nazwą Tabby.

1943 – 1944: Niemcy testują noktowizory dla pojazdów i żołnierzy oraz celowniki noktowizyjne, które zostaną użyte bojowo w roku nadchodzącym.

1945: William Burdette McLean rozpoczyna prace nad wynalezieniem układu naprowadzania w podczerwieni dla rakiety.

1946: Walter Houser Brattain i Joseph Becker z Bell Telephone Laboratories tworzą pierwszy bolometr półprzewodnikowy. W tym samym roku Marcel Golay zbudował nowy detektor promieniowania podczerwonego – komórkę ciśnieniową (komórka Golaya).

1953: Ruszają próby nad pierwszą rakietą wyposażoną w zestaw podczerwonych czujników umożliwiający samonaprowadzanie na cel - AIM-9 Sidewinder.

1965: Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych inicjują program którego zadaniem jest stworzenie rakiety naprowadzanej na podczerwień, przeznaczonej dla samolotów mogących z jej pomocą atakować cele naziemne. W trzy lata później Hughes Missiles Systems opracowuje AGM-65 Maverick.

1978: Powstaje firma FLIR (Oregon, USA) zajmująca się produkcją urządzeń termowizyjnych dla wojska i cywilnych zastosowań.

1980: Firma Martin Marietta (obecnie Lockheed Martin) rozpoczęła prace nad opracowaniem systemu LANTIRN. W tym samym roku wprowadzone zostają bolometry krzemowe (mikrobolometry), mające zastosowanie w większości dzisiejszych kamerach termowizyjnych.

1981: Na wyposażenie Armii Amerykańskiej wchodzi rakieta powietrze-ziemia FIM-92 Stinger

1987: Zasobniki systemu LANTIRN zostają wprowadzone do użytku przez Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych.

1993: Powstaje grupa producentów, którzy opracowują później system komunikacji bezprzewodowej wykorzystujący promieniowanie podczerwone – IrDA.

2005 – 2008: Opracowanie pierwszej polskiej lunety termowizyjnej CTS-1.