birmaga.ru
добавить свой файл

1 2 ... 24 25
Источник: http://www.photo-element.ru

X. ГИБСОН

ФОТОГРАФИРОВАНИЕ В ИНФРАКРАСНЫХ ЛУЧАХ
Перевод с английского

канд. техн. наук А. Б. МЕЩЕРЯКОВА,
канд. хим. наук В. М. ТУЛЬЧИНСКОГО

под редакцией

Д-ра техн. наук А. А. ПЕТУШКОВА

Издательство «Мир»

Москва 1982

PHOTOGRAPHY BY INFRARED ITS PRINCIPLES AND APPLICATIONS

Н. LOU GIBSON

RBP, FBPA, Hon. FPSA, FRAS, FRM

A Third Edition of Photography by Infrared, by Walter Clark, Ph. D., FRPS, FPSA

A Wiley-Interscience Publication

John Wiley & Sons, New York-Chichester-Brisbane-Toronto

1978

ГЛАВА 1
Об инфракрасном излучении:
истории, природе и применении


Древние философии в отношении материи веками придерживались существовавших представлений. Когда с помощью научного изыскания начали проверять эти философии, многие из них оказались неполноценными. Тем не менее они в редких случаях были полностью ошибочными: просто оказались несовершенными или выражались архаичным языком. Существовала гипотеза о флогистоне как элементе чистого огня, который постоянно присутствовал в горючих телах и который отличался от свободного огня в действии. Сегодня специалист по радиационной физике оказался бы в затруднительном положении, приняв теорию флогистона.

Тем не менее можно обнаружить зародыш истины, который содержится в этой теории.

Подобным образом Аристотель диалектически объединил свет и тепло и провозгласил огонь одним из основных элементов физического мира. Опять есть зародыш истины. Эксперименты Ньютона с вакуумными колбами привели его к выводу, что свет и тепло — различные виды одного и того же явления. Это случилось за 100 лет до того, как Гершель продемонстрировал, что такая теория правдоподобна [1.30].

Гершель сумел исследовать открытие Ньютона, показывающее, что с помощью стеклянной призмы солнечный свет можно разложить в цветной спектр (рис. 1.1). В 1800 г. Гершель во время работы с этой радужной дисперсией при попытке найти защитный фильтр для телескопа, с помощью которого он наблюдал Солнце, заметил, что некоторые фильтрующие стекла ослабляют свет, но пропускают тепло, в то время как другие ослабляют тепло, но пропускают свет. Он сделал вывод, что спектр состоит из светового и теплового излучений.


Проверяя это предположение, Гершель помещал термометры в различных областях ньютоновского спектра и обнаружил повышение температуры в направлении красной области и затем за красной областью в невидимой части спектра. Он открыл инфракрасные лучи. Таким образом был заложен краеугольный камень огромного здания инфракрасной техники. Эксперимент Гершеля представлен на рис. 1.2.

Интересно отметить, что фотография как научный инструмент возникла годом позже. Термометры Гершеля не были достаточно чувствительными для обнаружения тепла на другом конце видимой области спектра (в ультрафиолетовой области). Предполагая, что за фиолетовой областью спектра также может существовать невидимый «свет», Риттер в 1801 г. изобрел метод его исследования. Он вспомнил, что нитрат серебра темнеет под действием света, и проверил слой хлорида серебра, который он имел под рукой. Риттер обнаружил, что эта соль темнеет, когда помещается за фиолетовой областью, указывая на фотохимическое действие излучения. Таким образом, он сделал первую научную фотографию десятилетиями раньше, чем создатели изображения пришли к тому же.



Рис. 1.1. Образование видимого спектра путем разложения белого света.

Необходимо отметить, что дисперсия увеличивается с уменьшением длины волны излучения.

Гершелю, конечно, было очень любопытно узнать, являлись ли невидимые тепловые лучи идентичными по природе с видимым светом. Он провел множество экспериментов, чтобы это определить, изучая не только солнечные лучи, но и лучи от искусственных источников, таких, как свечи, лампы и огонь своего камина. Он нашел, что лучи, вызывающие тепло, подчиняются тем же законам отражения и преломления, что и световые лучи. Однако он был озабочен тем, что существовал эффект нагревания, связанный с видимым спектром, но отсутствовал свет, связанный с инфракрасным излучением. Гершель пытался выяснить был ли эффект нагревания, который сопровождал красные лучи, обусловлен светом самих красных лучей. В связи с этим он изучал механизм, согласно которому свет и тепло пропускались различными материалами (особенно красным стеклом) и рассеивались грубыми поверхностями. Гершель нашел, что красным стеклом они пропускались по-разному и что тепло не рассеивается так сильно, как свет. Из этих наблюдений Гершель пришел к заключению, что тепловое и световое излучения различны по своей природе.


Многие ученые интересовались этой проблемой, однако только Ампер в 1835 г. установил идентичность световых и тепловых лучей. В последующие годы многочисленные исследования показали, что тепловые лучи обладают всеми существенными свойствами световых лучей; единственное важное различие заключается в более низкой преломляемости тепловых лучей, которую мы теперь приписываем их большей длине волны.



Рис. 1.2. Вид устройства, использованного Гершелем для изучения инфракрасного излучения.

Этот рисунок был опубликован в 1800 г. во второй работе Гершеля и является копией рисунка, помещенного в журнале Philosophical Transactions за тот же год. Спектр солнечного света, полученный с помощью стеклянной призмы, проецировался на поверхность стола, Ближайший термометр 1 использовался для регистрации повышения температуры за пределами красной области, два других термометра были контрольными.
Обычно принято считать, что край видимого спектра в красной области расположен вблизи 760 нм. Более длинные волны по сравнению с упомянутой представляют собой инфракрасные или тепловые лучи. Область длин волн короче фиолетовой относится к ультрафиолетовой области. Однако спектр не заканчивается на инфракрасной и ультрафиолетовой областях. Исследование показало, что спектр простирается довольно далеко — от чрезвычайно коротких космических лучей до очень длинных радиоволн. Видимый спектр является лишь небольшой частью этого широкого диапазона. Приблизительные границы по длинам волн главных участков известного спектра излучения приведены в табл. 9.1. Лишь фотохимическую часть инфракрасной области можно сфотографировать непосредственно на пленку. Более длинные волны можно зарегистрировать с помощью термодатчиков, а также косвенным фотографированием. Микроволны, такие, как волны РЛС, обнаруживаются с помощью электронных приборов.

Для обозначения длин волн применяют несколько способов. В данной книге используется нанометр (ранее обозначали миллимикрометр), который равен 10 А, или 10-6 мм (1 мкм равен 103 нм). Частота волн выражается волновым числом, которое представляет собой число волн в установленной единице длины. Она получается из обратной величины длины волны (в нанометрах) и ее периода. Так для длины волны 1 мкм волновое число составляет 104 см-1.


Термин «инфракрасный» впервые был упомянут Абнеем [1.17] в 1880 г. Прежде употребляли термин «ультракрасный».

Следующее дополнение к основам инфракрасной техники было сделано Меллони в 1833г. Он предвосхитил инфракрасные тепловые чувствительные методы, рассматриваемые в гл. 5, 9 и 10. Меллони усовершенствовал открытие Гершеля и измерительную схему, применяя более чувствительный термоэлемент. Однако поверхность детектирования у Меллони составляла 1 см2. Этот размер связывают с тем фактом, что стеклянные призмы не диспергируют ИК-излучение широко (рис. 1.1), препятствуя его исследованию всей ИК-области. Отсюда следовало, что разрешение в 1 мкм было предельным.

Приблизительно в 1870г. Ланглей изготовил нитевидный болометр и увеличил измеряемую дисперсию с помощью вогнутых отражающих решеток и призм из каменной соли и флюорита. Он заложил основу инфракрасной спектроскопии в области до 5,3 мкм. И не будет чрезмерным считать, что Ланглей явился первооткрывателем еще одной важной области применения ИК-фото-графии — аэрофотографии. 6 мая 1896 г. его приводимый в движение двигателем «аэродром» совершил свой первый полет на расстояние 800 м за 90 с.

Прекрасные статьи о вкладе в науку Гершеля, Меллони и Ланг-лея были опубликованы Барром [1.20—1.22]. Остальные этапы раннего развития ПК-техники указаны в его статье [1.19]. Ловелл [1.32] обобщил успехи в оптике, астрономии и приборостроении. Джонс [1.31] в общих чертах наметил развитие фотографических и современных инфракрасных чувствительных систем. Кларк [1.24] подробно рассмотрел историю инфракрасного излучения с точки зрения технологии.

Физические основы инфракрасной фотографии представлены в гл. 3, а специальные аспекты раскрыты в некоторых главах, посвященных вопросам применения. Для читателя, который предпочел бы более широкий просмотр литературы, предлагаются следующие работы: Бауэр [1.3], Хедни [1.5], Хадсон [1.6], Хекфорт [2.80], Дерибере [5.109], Хоутон и Смит [10.4], Киттель [10.8], Смит с сотр. [10.11]. Томас [1.13] издал хороший справочник для Общества ученых-фотографов и инженеров. Кингслайк [1-7] рассмотрел ряд статей, которые обсуждаются в последующих главах.


В статьях Мейера-Арендта [1.18], Нейша [1.35] и Ванцетти [1.37] обсуждаются природа, свойства и терминология ИК-излучения. По теории фотографии см. Мисс с сотр. [1.8] или Джеймс [3.12].

Хотя лабораторное фотографирование в ближней инфракрасной области началось в 1904 г. (рис. 3.12), первые исследования Вуда в этой области были выполнены в 1910г. [2.124], только после 1927г. начали появляться ключевые статьи в областях, охватываемых данной книгой. С 1930г. нарастает волна дальнейшего интереса, связанного с применением ИК-фотографии, диапазон которого в настоящее время непрерывно расширяется.

Читатель, который связан с особыми областями применения ИК-фотографии, может найти для себя информацию в последующих специализированных главах. Здесь же впервые дано краткое изложение материала о применениях ИК-фотографии, поэтому часто оказываются полезными предварительные знания в родственных областях. Это относится к тем, кто, обладая широким интересом, желает найти направление своей будущей деятельности, исходя из представлений о возможностях инфракрасной фотографии и зондирования. В соответствии с этим вниманию читателя предлагается краткое изложение основных тем.

Одно из первых применений ИК-фотографии заключалось в экспертизе исправленных цензурой, поврежденных и поддельных книг, рукописей и документов. Фактически ИК-фотография проникла в суть вычеркиваний и добавлений цензора. С помощью ИК-фотографии часто обнаруживают подчистки и подделки. Многочисленные ссылки, касающиеся применения ИК-фотографии в музейном и библиотечном деле, приведены в гл. 4. В нее также включены специфические статьи по распространению этого метода на криминалистическую фотографию. Основной книгой о расследовании преступления является книга Николлса [1.10] из Скот-ленд-ярда. Деятельность ФБР в этой области обобщена Парсонсом [1.36].

Музеи изобразительных искусств давно используют инфракрасные методы для определения подлинности произведений искусств с помощью поглощательных и отражательных свойств ИК-излучения. С другой стороны, можно изучить манеру письма художника и любую последующую реставрацию. Ценность и важность исследования с помощью ИК-излучения подтверждается тем фактом, что современные высокочувствительные методы включают в себя непосредственно фотографическую ИК-технику (Ван Асперен де Боэр [10.85]).


С помощью ультрафиолетового и сине-зеленого света можно возбудить инфракрасную флуоресценцию (люминесценцию). Возможность регистрации люминесценции на инфрапленке используется во многих случаях в работе музеев, а также для других целей.

Медики-исследователи быстро заимствовали ИК-фотографию как способ изучения крови и кровеносных сосудов. Позже этот метод был использован как дополнительное средство в лабораторных опытах при диагностике некоторых заболеваний. Цветная ИК-фотография (гл. 2) является одним из самых последних достижений, которое относится ко всем областям применения, упомянутым в данной книге. Она была привлечена в клиническую практику, так как может дать информацию, недоступную для других методов. Например, Даллов и Мак-Милл [1,27], а также Кабберли [1.25] описали значение цветного метода как инструмента для регистрации и диагностики офтальмологических явлений. Фотографирование «в темноте» позволяет получить фотографию зрачков человека и животного без влияния окружающего освещения (Ло-венфельд и Розкотен [1.33]). Блзкбурн [1.23] анализировал ночные перемещения больных в темноте. Мак-Карти [1.34] недавно описал применение ИК-фотографии в стоматологии.

Медицинская термография, позволяющая получать карты распределения температуры поверхности тела, является косвенным методом ИК-фотографии. Термические детекторы используются для сканирования объектов и получения электронных изображений, которые фотографируются быстродействующими камерами. При этом достаточно определенно либо с некоторой вероятностью выявляются многочисленные заболевания, в том числе заболевания органов кровообращения. Одной из важнейших областей исследования является раннее обнаружение рака грудной железы. Цель монографии, изданной Эганом [1.4], заключается в описании новейших методов ранней диагностики.

Промышленная термография относится к одному из замечательных методов ИК-фотографии. Ее существо и применения были недавно рассмотрены в содержательном сборнике под редакцией Уоррена [1.15]. Горячие объекты, имеющие недостаточную для свечения температуру, можно сфотографировать непосредственно на ИК-пленку (Говард [8.229]).


Теплые объекты, например паровые трубы, стены домов, выделяющие большое количество тепла, а также тело человека, являются объектами термографии.

Спектроскопия и астрономия получают много преимуществ от использования инфракрасных методов. Харрисон с сотр. [8.167] и Хилтнер [8.169] соответственно опубликовали солидные монографии по этим вопросам.

Отражение инфракрасного излучения листвой обусловливает широкое применение ИК-фотографии в лесоводстве, помологии и сельском хозяйстве. Лабораторные исследования (Джексон [2.106] и Книплинч [6.111]) повлекли за собой использование как дистанционной фотографии, так и зондирования с самолетов и спутников (гл.9).

Растения и другие объекты в естественных науках изучаются с помощью инфракрасной камеры и микроскопа. К ним относятся животные, образцы деревьев, каменный уголь, ископаемые и минералы. Необходимые методы фотографирования могут выдвигать особые требования к фотографическому мастерству и знаниям нефотографического характера, как это наглядно демонстрируется на примере устройства, описанного Эндлом [1.28]. Для фотографирования полетов животных в темноте он изобрел лабораторную систему, основанную на включении камеры с помощью отфильтрованного инфракрасного луча. Другие примеры даны в гл. 6.

Наиболее широкое применение ИК-метод получил в аэрофотосъемке и съемке со спутников. Кроме вышеупомянутого случая применения этого метода для съемки листвы, его можно распространить на геологию, гидрологию, экологию и археологию. Фотограмметрия главным образом ограничена проведением измерений в этих отраслях науки, однако ее методы являются основой для разведки и дистанционных съемок. Куртис [1.26] предлагает простое обсуждение этой темы. Книга Вольфа [1.16] представляет собой более современный источник общей информации. При чтении других монографий и статей на указанные темы читатель, вероятно, ознакомится с сообщениями Комиссии VII. Работа этой международной группы свидетельствует о важности дистанционного зондирования. Направления деятельности и имена участников Комиссии VII приводятся Ферстаппеном [1.38].


Применения в военных целях (Вольф [8.180]) включают как обнаружения маскировки, так и разведку (Авери [9.4]). Центр документации Министерства обороны США [1.3] опубликовал библиографию на эту тему.

Гибсон [1.29] представил общую картину применений ИК-фотографии во всех областях. Некоторые авторы (Нурнберг [1.11], Спенсер [1.12], Ванцетти [1.14] и др., перечисленные в гл. 2) включили в свои монографии обсуждения различных применений методов инфракрасной фотографии.



следующая страница >>