Глядя на мир широко раскрытыми глазами и воспринимая с их помощью громадный объем всевозможной информации, мы редко задумываемся над тем, что же такое глаз, чем он хорош и чем плох. Мы, конечно, имеем в виду не столько форму или цвет и даже не те тайные признаки, которые отличают Мику Морозова на известном портрете В. Серова от репинского «Мужика с дурным глазом». Мы говорим о характеристиках глаза как оптического прибора. 

Человек живет на Земле, освещаемой Солнцем, температура поверхности которого примерно 6000 К. Любое тело, нагретое до такой температуры, излучает электромагнитные волны с широким набором (спектром) длин волн, но максимальную интенсивность имеют лучи с длинами волн вблизи А.гаах=0,5 мкм. В процессе эволюции органы зрения человека (а также многих животных, бодрствующих днем и спящих ночью) приобрели замечательное свойство принимать излучение именно в диапазоне длин волн от 0,4 до 0,7 мкм, причем чувствительность человеческого глаза к видимому излучению (свету) чрезвычайно высока. Глаз, кроме того, легко приспосабливается к низким и высоким уровням освещенности и имеет сравнительно высокое быстродействие (около 40 мс), соизмеримое с временем реакции человека на окружающую обстановку и потому вполне достаточное для его жизнедеятельности. Казалось бы, чего еще не хватает человеку? Но нет же... Человек хочет увидеть движение быстрых частиц в ускорителях, сфотографировать полет пули, измерить скорость сверхбыстрых химических превращений веществ. И создает малоинерционные «глаза» — фотоэлектронные преобразователи изображений. Человек хочет исследовать сверхслабое свечение микроорганизмов и создает специальные фотоумножители, считающие отдельные кванты света. И, наконец, человек хочет видеть в темноте...

Электромагнитное излучение испускают все нагретые тела, причем чем холоднее тело, тем меньше интенсивность излучения и тем дальше в длинноволновую область смещен максимум его спектра. Существует очень простое соотношение Xmax-T'=const (закон Вина), с помощью которого легко установить, где находится максимум излучения тела с температурой Т, если значение константы брать из предыдущего примера с Солнцем! const=6000 К-0,5 мкм=3000 К-мкм. Например, человеческое тело, имеющее температуру 37+273=310 К, испускает инфракрасные лучи с максимумом вблизи значения Xmax мкм.

Если бы мы могли видеть инфракрасные, или, как говорят, тепловые лучи, то даже глубокой ночью нам открылась бы фантастическая картина движущихся силуэтов людей, работающих двигателей, перемещающихся (вспомним о конвекции) теплых и холодных слоев воздуха и т. д. Можно было бы увидеть тепловой след подводной лодки, скрытой толщей воды, или проследить по теплым выхлопным газам траекторию давно пролетевшего самолета.

Существует еще целый круг задач, который можно решать с помощью тепловидения. Например, нужно проверить тепловой режим громадной электрической схемы, узнать, нет ли где-нибудь перегретых элементов. Вы понимаете, что совершенно невозможно тыкать термометром в каждую из тысячи интересующих нас точек или усеивать всю схему дополнительными датчиками температуры. Точно так же для медицинской диагностики важно знать распределение температур по поверхности человеческого тела, это позволяет на ранних стадиях обнаружить опухоли или воспалительные процессы. Знание тепловых режимов различных устройств необходимо и в металлургии, химической промышленности, авиастроении и т. д. Во всех этих случаях сейчас используют тепловизоры, т. е. телевизионные установки, работающие на инфракрасных лучах.

Как-это делается? К сожалению, еще не разработаны телевизионные передающие камеры, которые были бы чувствительны к длинам волн, большим 3 мкм. Поэтому Все изображение целиком принять не удается. Однако есть полупроводниковые приборы, способные выдавать электрический сигнал, пропорциональный интенсивности падающего на них инфракрасного излучения. Обычно это кристалл, для повышения чувствительности помешенный в охлаждаемую жидким азотом или гелием низкотемпературную камеру (криостат). Такой прибор может воспроизвести все изображение только поэлементно с помошью устройства развертки (сканирования). Напри-пер, перед приемником излучения устанавливают объектив и, покачивая его механически вдоль координат х и у, как локатором, «ощупывают» последовательно весь объект. Сигнал с приемника затем используют для управления яркостью луча обычной электроннолучевой трубки (только с медленными развертками луча, идущими в такт с колебаниями объектива). А с обычной трубки человек умеет считывать изображение своими глазами.

Как видите, недостатков у такого тепловизора немало: это громоздкая система, требующая охлаждения до низких температур, к тому же весьма медленно работающая из-за механической развертки изображения на входе. Каковы же другие возможности?

Вот здесь пора нам вспомнить о замечательных свойствах холестерических жидких кристаллов. Нам нужно использовать сильную температурную зависимость их оптических свойств, е которой говорилось выше. Давайте сконструируем тепловизор сами. Итак, мы хотим записать картину распределения температур на поверхности нагретого тела. Здесь могут встретиться два варианта.

Если предмет допускает прямой контакт с жидким кристаллом, то лучше всего нанести жидкокристаллическую пленку прямо на предмет. Пусть предметом будет человеческое тело с температурой, скажем, от 36 До 40 °С. Подберем холестерическую смесь так, чтобы при температуре 36 СС полоса избирательного отражения света совпадала с длиной волны красного (0,6 мкм), а при 40 °С — с длиной волны синего цвета (0,4 мкм).

Тогда такому распределению температур будет соот-ветствовать вся гамма цветов от синего до красного, и мы можем определить, где находятся горячие участки (синие). Технически это делается так: сначала на кожу человека наносится слой черной краски, а на нее — слой жидкого кристалла. Наличие краски облегчает наблюдение избирательного отражения от жидкого кристалла. Ясно, однако, что такая раскраска человеку неприятна, поэтому исследователи разрабатывают специальные многослойные пленки, включающие черную основу (слой жидкого кристалла и защитный слой полимера). Такие пленки можно просто накладывать, причем многократно, на те участки кожи, которые желательно осмотреть. Иногда важно определить ничтожные разности температур в десятые и даже сотые доли градуса. В этом случае подбираются высокочувствительные смеси, у которых полоса отражения «пробегает» весь видимый диапазон при изменении температуры на 0,1 °С (см. третью страницу обложки).

Такой же метод измерения температур может быть реализован в случае плоских интегральных схем или в промышленных установках, применяемых в химической технологии. На этом же принципе работают и обычные комнатные термометры (см. третью страницу обложки).

Второй вариант тепловизора приходится использовать там, где непосредственный контакт жидкого кристалла с источником теплового излучения исключен. Например, электронная схема может содержать крупные и мелкие радиодетали, провода и другие объемные элементы. Источником инфракрасного излучения может быть лазер, и тогда возникает задача регистрации распределения интенсивности по сечению его луча. В этих и множестве других случаев используется схема тепловизора. В ней основным элементом является тонкая пленка холестерического жидкого кристалла, нанесенная на черную пленку — поглотитель излучения. Инженер, конструирующий такой прибор, рассуждает примерно так: объект излучает мало энергии, значит, ее нужно использовать полностью. Прежде всего объектив должен быть сделан из специального материала, прозрачного в инфракрасном диапазоне (например, соли фтористого лития, кальция, бария). Можно использовать и зеркальные объективы. Далее, вгя лучистая энергия, прошедшая объектив, должна быть поглощена в пленке. Поэтому пленка не может быть слишком тонкой. Но она не должна быть и слишком толстой, иначе ее нельзя будет прогреть излучением из-за большой теплоемкости. Пленка жидкого кристалла не может быть очень тонкой еще и потому, что избирательное отражение возникает лишь в том случае, если на толщине слоя укладывается хотя бы несколько витков холестерической спирали.