Történeti áttekintés
210 évvel ezelőtt az elektromágneses spektrum infravörös tartománya még ismeretlen volt. Sir William Herschel – III György híres udvari csillagásza, akit az Uránusz felfedezése tett ismertté – fedezte fel az infravörös sugárzást 1800-ban.
Sir William Herschel (1738–1822)
A felfedezést a
véletlennek köszönhetjük. Sir William Herschel olyan optikai szűrő
anyagot keresett, amely a Nap távcsöves megfigyelése közben kellő
mértékben csökkentheti a fényerőt, ezáltal védi a megfigyelő szemét.
Különböző színes üvegeket tesztelt, amelyek egyformán csökkentették a
fényerősséget. Eközben azt vette észre, hogy néhány üveg igen kevés
hőt engedett át, míg más üvegminták annyit, hogy ez akár szemsérülést
is okozhatott a Nap pár másodperces megfigyelése során.
A
megfigyelő szemének védelme érdekében ezután olyan anyagot keresett,
amely a kívánt fényerő-csökkenés mellett a lehető legkevesebb hőt
engedi át. Az anyag megtalálására szisztematikus vizsgálatokba
fogott. Vizsgálatait Newton prizmás kísérletének megismétlésével
kezdte. A Nap fehér fényét prizmával felbontotta a szivárvány
színeire, de nem magukat a színeket vizsgálta, hanem azok hőhatását.
A színképet a prizma segítségével egy asztal tetejére vetítette. Egy
érzékeny higanyos hőmérő tartályát tintával feketére festette, és
ezzel mérte a különböző színek melegítő hatását. Ahogy a befeketített
hőmérő haladt a színskálán az ibolyától a vörösig, a hőmérsékleti
adatok állandó növekedést mutattak. Ez nem volt teljesen meglepő:
1777-ben hasonló kísérletet végzett már egy Landriani nevű olasz
tudós.
Marsilio Landriani (1746–1815)
Az újdonságot az jelentette, hogy Herschel tovább mozgatta a hőmérőt a vörösön túli sötét tartományban, és azt figyelte meg, hogy a hőmérséklet tovább emelkedik, míg eléri a maximumát. A legmelegebb pont jóval a vörösön túl, a sötét területen volt, ott ahol mai szóval élve az infravörös tartomány helyezkedik el. Amikor Herschel nyilvánosságra hozta a felfedezését, úgy írta le az elektromágneses spektrum ezen részét, mint „hőmérsékleti spektrum”-ot. A sugárzásra „sötét hőként”, vagy „láthatatlan sugárként” utalt. Az „infravörös” kifejezés csak 75 évvel később jelent meg, ma sem tudjuk, hogy kié az elnevezés érdeme.
A kortársak figyelmét
is felkeltette Herschel eredménye, többen megismételték kísérleteit
különböző üvegprizmákkal. Ám minthogy a különböző üvegek átlátszósága
az infravörös tartományban eltérő, volt olyan kortárs, aki
üveglencsékkel kísérletezve nem talált infravörös sugarakat, és
megkérdőjelezte létezésüket. Ez korai vitákhoz vezetett.
Herschel
maga is felismerte, hogy az üveg csak korlátozottan átlátszó az
újonnan felfedezett hősugárzás számára. Ebből azt a következtetést
vonta le, hogy ha az infravörös sugárzás optikájával akr foglalkozni,
azt a tükrökre kell korlátoznia, lencsékkel nem érdemes foglalkozni.
Szerencsére ezt az állítást 1830-ban megcáfolta egy olasz kutató, Mellonié. Felfedezte, hogy a természetben is előforduló kősó, NaCl, átengedi az infravörös sugárzást. Kősóból elég nagy kristályok álltak rendelkezésre ahhoz, hogy lencséket és prizmákat készítsenek az infravörös sugarak számára. A felfedezésnek köszönhetően a kősó vált az infravörös optika legfontosabb anyagává, és ezt a pozícióját 100 évig tartotta. Az 1930-as években megjelentek az első szintetikusan növesztett kristályok, amelyek lassan átvették a kősó szerepét.
Macedonio Melloni (1798–1854)
A hőmérő, mint sugárzási detektor egyeduralkodó maradt egészen 1829-ig. Ekkor Nobili feltalálta a hőelemeket, más szóval termoelemeket. (Herschel saját hőmérője 0.2 C-os pontossággal mért, a későbbi hőmérők pontossága már 0.05 C volt.) Nobili felfedezése nagy áttörést hozott: Melloni több hőelem sorba kapcsolásával hőelemoszlopot hozott létre. Az új berendezés legalább 40-szer érzékenyebb volt az akkori legjobb hőmérőknél: képes volt érzékelni egy három méter távolságra álló ember testmelegét is!
Az első úgynevezett
"hőkép" 1840-ben készült Sir John Herschel munkájának
eredményeként. Ő Sir William Herschelnek, az infravörös sugárzás
feltalálójának fia volt, maga is neves csillagász.
Alapötlete a
következő volt. Vegyünk egy vékony olajréteget! Ez a vékony olajréteg
különböző mértékben párolog, ha rá különböző hőmérsékletű foltok
sugárzását fókuszáljuk. Ha egy különböző hőmérsékletű tartományokkal
rendelkező tárgy sugárzását vetítjük az olajfoltra, annak vastagsága
a hőmérsékleti tartományoknak megfelelően változik. A hőkép
visszavert fényben válik láthatóvá azáltal, hogy a vékony olajrétegen
annak vastagságától függően különböző interferenciaszínek jelennek
meg. Sir John Herschelnek sikerült rögzítenie egy kezdetleges hőképet
papíron is, amit õ hődiagramnak hívott.
Az infravörös érzékelők fejlődése lassan folytatódott. A következő nagy áttörést az hozta, hogy Samuel P. Langley 1880-ban feltalálta a bolométert. Ez egy vékony, korommal befeketített platinacsík, ami egy érzékeny galvanométerrel ellátott Wheatstone-hídnak az egyik ága. Az infravörös sugárzást erre a platinacsíkra fókuszálták. A hőmérsékletnövekedés hatására megváltozott a csík ellenállása, amit az érzékeny hídkapcsolással mérni tudtak. Ezzel az eszközzel állítólag egy 400 méter távol álló tehén testmelegét is tudták érzékelni!
Samuel P. Langley (1834-1906)
1900
és 1920 között a világ feltalálóinak figyelme a hősugárzás felé
fordult. Sok szabadalmat jegyeztek be olyan eszközökre, amelyek
észlelik az embereket, tüzérséget, repülőgépeket, hajókat –
sőt, még a jéghegyeket is.
Az
első, mai szemmel nézve is hatásos eszközöket az első világháború
(1914-1918.) ideje alatt fejlesztették ki. Ekkor mindkét szembenálló
félnek voltak az infravörös technológia felhasználásával kapcsolatos
katonai kutatásai. Ezekben a kutatási programokban az ellenség
felfedezésével, távoli hőmérsékletérzékeléssel, biztonságosabb
kommunikációval és repülő torpedók vezérlésével foglalkoztak. Ebben
az időben már olyan infravörös keresőrendszert teszteltek, amely egy
közeledő repülőt már 1.5 km távolról, egy embert pedig már 300
méterről képes volt észlelni. A legérzékenyebb eszközök ebben az
időben mind a bolométer különböző változatait használták
hőmérsékletmérésre.
A
két világháború között két forradalmian új infravörös detektort
fedeztek föl: az úgynevezett képátalakítót és a fotondetektort.
A
képátalakító a katonaságnál rögtön központi figyelmet vívott ki, mert
ezzel a technológiával – először
a történelem folyamán – képesek
voltak szó szerint „látni a sötétben”. Sajnos a
képátalakító érzékenysége a közeli infravörös hullámhosszakra
korlátozódott. Így a legérdekesebb katonai célpontokat (például az
ellenséges katonákat) infravörös keresőnyalábokkal kellett
megvilágítani ahhoz, hogy a képátalakító számára láthatóvá váljanak.
Mivel az ellenség egy hasonló eszközzel fölszerelt embere könnyen
megtalálhatta az infravörös keresőnyalábokat kibocsátó, katonai
célpontokat kereső embereket, a katonaság képátalakítók iránti
érdeklődése lanyhult.
Az infravörös keresőrendszerek hátrányai
ellenére a katonaság tovább támogatta a technológiát, így a második
világháború után sikerült kifejleszteni egy passzív, keresőnyaláb
nélküli rendszert, ami a nagyon érzékeny fotondetektorra
(fotonérzékelőre) épült. Ebben az időben a katonaság minden
információt visszatartott a nagyközönség elől az infravörös képalkotó
technológiával kapcsolatban. A titoktartást csak az 50-es években
oldották föl, így a technológiát lassan a civil tudományok és az
ipari kutatás is megismerhette.