Источники инфракрасного излучения

Фотографирование в инфракрасных лучах осуществляется с использованием тех же источников излучения, как и обычное фотографирование, т. е. солнца и фотоламп. Величины экспозиций для инфрапленок при том или другом виде освещения сопоставимы с экспозициями при обычном фотографировании, и поэтому никаких особых проблем не возникает. Однако интенсивность инфракрасного излучения колеблется в течение дня, и ее довольно трудно предсказать, как уже было сказано в разделе, посвященном чувствительности пленки.

Излучение солнца

Насчитываются следующие шесть основных причин, вызывающих изменение интенсивности солнечной радиации у поверхности земли:

1) изменение количества энергии, излучаемой солнцем;

2) изменение расстояния до солнца;

3) содержание водяных паров в атмосфере (в общем случае содержание водяных паров уменьшается с увеличением широты, высоты и расстояния от океана и увеличивается с ростом температуры);

4) запыленность или затуманенность атмосферы (эти две причины довольно тесно связаны);

5) зенитное расстояние1);

6) высота солнца.

Обычно содержание водяных паров в атмосфере северного полушария увеличивается в то же самое время года, когда увеличивается и расстояние до солнца. Таким образом, при данном зенитном расстоянии интенсивность солнечного излучения намного больше зимой и ранней весной, чем летом и поздней осенью соответственно.

Наиболее тщательное и полное измерение распределения солнечной энергии у поверхности земли было выполнено Смитсоновской астрофизической лабораторией (Аббот [3.29]). Последние данные были опубликованы Текаекара [3.151] в 1976 г. График, представленный на рис. 3.15, изображает облучение горизонтальной поверхности (в единицах Вт/см²) в функции длины волны излучения для солнца, находящегося в зените в ясный день. Как видно из рисунка, зрительное восприятие возникает в области максимальной солнечной энергии. В спектре солнечного излучения наблюдаются линии Фраунгофера, обусловленные поглощением излучения раскаленными газами в солнечной атмосфере, а также полосы поглощения воды, кислорода и озона земной атмосферы.

Рис. 3.1.5. Спектральное облучение солнца для нулевой массы воздуха на уровне земли для воздушной массы, определяемой согласно стандартной атмосфере США.

Нисходящие кривые описывают облучение воздушной массы следующим образом: 0 — 1353; 1 — 800,2; 4 — 303,1; 7 — 133,3; 10 — 63,4. (С любезного согласия М. П. Текаекара и Смитсоновской астрофизической обсерватории.)

Имеются значительные различия в интенсивности излучения солнца, падающего в разные точки Земли. Фоул [3.66] в 1935 г. опубликовал график, приведенный на рис. 3.16. Этот график раскрывает природу некоторых полос поглощения в инфракрасной области, обусловленных компонентами атмосферы. Данная кривая была построена для условий г. Вашингтона (округ Колумбия), приведенных к уровню моря, и в момент построения этой кривой толщина слоя водяных паров в атмосфере достигала 2 см. Заметим, что масштаб длин волн на рис. 3.16 сужается в направлении более длинных волн. Эта шкала является призматической; равные расстояния вдоль спектра представляют по мере приближения к длинноволновому участку все большие области длин волн. Полосы атмосферного поглощения, обозначенные на ИК-спектре как О₂ и Н₂О, относятся к кислороду и воде соответственно. Интенсивность полос поглощения воды определяется концентрацией водяных паров в атмосфере. На практике влажность воздуха измеряется иногда по интенсивности полосы поглощения воды.

Рис. 3.16. Полосы поглощения, обусловленного кислородом и водяными парами, в актиничной и инфракрасной областях солнечного спектра (на уровне моря). (С любезного согласия Ф. Е. Фоула.)

 

Общее количество солнечного излучения, падающего на горизонтальную поверхность на уровне моря, в течение ясного летнего дня изменяется, достигая максимума в полдень. Так как высота солнца изменяется, то изменяется также спектральная характеристика и интенсивность излучения. Эти параметры изменяются не только в течение дня, но и в течение года, так как за этот период меняется высота солнца. Если на открытом воздухе в солнечный день выставить лист бумаги, то он будет частично освещаться излучением, приходящим непосредственно от солнца, а частично — приходящим от неба.

На рис. 3.17 (Кимбалл [3.103]) изображено такое излучение, падающее на горизонтальную поверхность в летний день от солнца (А) и от неба (В). В полдень доля небесного излучения для данного случая составляет около 12,5%. В середине утра и после полудня эта доля составляет около 20%, а при восходе и заходе солнца излучение неба превосходит излучение, поступающее непосредственно от солнца. Это является следствием того, что по мере приближения солнца к горизонту его лучи проходят через все увеличивающуюся толщу воздуха. Если прямое солнечное излучение измеряется на поверхности, которая непрерывно изменяется так, что постоянно находится к нему под прямым углом, изменения интенсивности солнечного излучения не так велики в течение большей части дня по сравнению с тем случаем, когда интенсивность измеряется по отношению к горизонтальной поверхности. Зимой высота солнца меньше, чем летом, и изменения в интенсивности его излучения напоминают изменения, происходящие в начале или в конце дня. С приближением зимы время, отводимое на фотографирование, уменьшается в зависимости от широты местности. В табл. 3.1, взятой из работы Люкиша [3.16], показана максимальная продолжительность солнечного дня в середине лета и зимы в зависимости от широты места.

По мере опускания солнца цвет солнечного неба меняется; в частности, уменьшается интенсивность коротковолнового ультрафиолетового и синего излучений по сравнению с интенсивностью красного и инфракрасного излучений. Максимум кривой сдвигается в сторону оранжевого и красного участков спектра, что выражается в пожелтении солнечного освещения к концу дня. На рис. 3.18. представлены кривые, полученные Кимбаллом [3.104] и показывающие влияние высоты солнца на спектр излучения. Эти кривые учитывают рассеяние солнечного излучения газами и пылью, содержащимися в атмосфере. Они указывают на отсутствие полос поглощения кислорода и водяных паров в инфракрасной области выше 700 нм, которые представлены на рис. 3.16.

Рис. 3.17. Сравнение величин полного излучения солнца (А) и неба (В) на плоской поверхности в течение дня. (С любезного согласия Г. Г. Кимбалла.)

 

Рис. 3.18. Влияние высоты солнца на спектральное распределение солнечной энергии у поверхности земли.

1 — солнечная энергия за пределами атмосферы; 2 — солнечная энергия для района Калама, Чили (солнце в зените); 3 — солнечная энергия для района г. Вашингтона (солнце в зените); 4—солнечная энергия для района г. Вашингтона (зенитное расстояние 60°); 5 — солнечная энергия для района г. Вашингтона (зенитное расстояние 75° 7'); 5—солнечная энергия для района г. Вашингтона (зенитное расстояние 80° Т). (С любезного согласия Г. Г. Кимбалла.)

Изучение энергии в различных областях спектра представляет интерес в связи с использованием солнца как источника излучения при фотографии. Люкиш [3.16] опубликовал данные, основанные на вычислениях Фореста и Кристисона. Его результаты представлены в табл. 3.2.

Приведенные величины относятся к лучистой мощности, которая представляет собой энергию, падающую на 1 см² поверхности в единицу времени.

 

Таблица 3.2                          

Интенсивность излучения солнца в различных областях спектра

	0,1	Па	0,15	Па	0,24 Па
Область спектра, нм	Общее излучение, %	мВт/см2	Общее излучение, %	мВт/см2	Общее излучение, %	мВт/см2
240—400	3,9	4,22	2,8	27	1,62	1,3
400—760	43,7	46,8	42,1	40,4	39,1	31,4
760—1400	35,6	38,1	37,1	35,7	38,2	30,6
1400—	16,8	42,1	38,1	37,1	17,9	16,9
Общее ИК-излучение	52,4	56,0	55,1	53,0	59,3	47,5
Полное излучение	100,0	107,0	100,0	06,1	100,0	80,2

 

Данные приведены в процентах от полного излучения, падающего в ясный день под прямым углом на поверхность. Были выбраны три значения высоты солнца: 1) солнце в зените, ясный полдень, середина лета; освещенность 91924,56 лк при давлении 0,1 Па; 2) высота солнца уменьшается, 15 февраля, г. Кливленд, шт. Огайо; освещенность 53 174,16 лк, давление 0,15 Па; 3) высота солнца вновь уменьшалась, 21 декабря, г. Кливленд, шт. Огайо; освещенность 25995,06 лк, давление 0,24 Па. Мун [3.121] опубликовал подробные данные о стандартном солнечном излучении с соответствующими графиками. Позже Гейтс [3,70J уточнил данные Муна, в частности касающиеся коэффициента ослабления.

Экспозиции. Фотографу очень хотелось бы знать, существует ли строгая зависимость между интенсивностями видимого излучения солнца и невидимого инфракрасного излучения. Если такая зависимость существует, то показания экспонометра, зависящие от интенсивности видимого излучения, можно использовать для определения времени экспозиции при фотографировании в инфракрасных лучах. В этой связи Харрисон [3.75] провел некоторые интересные наблюдения, используя фотоэлементы из окиси меди.

Рис. 3.19. Инфракрасная и видимая составляющие дневного света за 2 дня.

На верхних графиках показано изменение инфракрасной составляющей, на нижних — видимой составляющей в течение этих дней. (С любезного согласия Г. Б. Харрисона и Pfiotographic Journal.)

Графики, приведенные на рис. 3.19, основываются на результатах, полученных Харрисоном.

В каждом случае верхние кривые описывают изменение в течение дня инфракрасной составляющей дневного света, а нижние — соответствующие изменения видимого дневного света. Кривые на рис. 3.19, а были получены в Англии в ясный солнечный день 7 декабря 1932 г. Ранее утро этого дня сопровождалось дымкой, через которую солнце казалось красным. Дымка в определенной степени ослабляла видимое излучение, однако не задерживала инфракрасного излучения. Со временем дымка исчезла, а интенсивность видимого излучения увеличилась, в то время как величина инфракрасного излучения изменилась мало. Так как день был безоблачным, то заметные изменения в интенсивности освещения были вызваны изменениями плотности тумана. Эти изменения вызвали относительно незначительные колебания интенсивности инфракрасного излучения.

Кривые на рис. 3.19,б были получены 23 января 1933 г. в условиях незначительных изменений погоды. До 11 ч солнце светило очень ярко, но позднее стали собираться облака. Около 12 ч 30 мин облачность значительно уменьшилась. Заметное увеличение интенсивности видимого излучения было вызвано появлением солнца, казавшегося сквозь облака белым пятном. Хотя небольшая облачность пропускала достаточно много видимого излучения, она заметно ослабляла интенсивность инфракрасного излучения.

Исходя из работы Харрисона и соображений, уже рассмотренных в данной главе, становится ясным, что определение интенсивности излучения с помощью экспонометра может привести к серьезным ошибкам при экспонировании пластинок и пленок, чувствительных к ИК-излучению. Например, из рис. 3.19,6 видно, что интенсивность видимого излучения увеличилась примерно в 16 раз в промежутке времени 12.15—12.30, в то время как интенсивность инфракрасного излучения увеличилась менее чем в 2 раза. Единственным экспонометром, пригодным при фотографировании в инфракрасных лучах, мог бы оказаться экспонометр, границы чувствительности которого лежат в пределах инфракрасной области. Однако ни один из обычных фотоэлектрических экспонометров не пригоден для этой цели, так как они недостаточно чувствительны к инфракрасному излучению. Оптические экспонометры совершенно не годятся для этих целей. Можно изготовить специальные инфракрасные экспонометры, но от них будет мало пользы, если их использовать без усилительной аппаратуры.

Опыт фотографов, работающих с инфрапленками, показывает, что при облачной погоде требуется экспозиция в несколько раз больше, чем экспозиция, необходимая при использовании обычных фотографических материалов. Таким образом, в пасмурную и облачную погоду время экспозиции для инфракрасной фотографии необходимо увеличить в значительно большей мере, чем указано в таблицах для обычных материалов. Хотя и невозможно дать точные указания по выбору экспозиции в облачную погоду, Роулинг [2.86] вывел правило, которое, по его утверждению, весьма применимо на практике. Оно гласит, что при использовании пластинок для фотографирования в инфракрасных лучах в облачный день необходимо величину нормальной экспозиции для наилучших погодных условий умножить на 4, а при пасмурной погоде — на 8 или более. Соответствующие величины для обычных фотоматериалов равны 2 и 4 (табл. 2.3).

Мак-Доуэлл [3.118] определил влияние двух крайних состояний тумана для ясных в других отношениях дней. Это влияние является одним из основных факторов в аэрофотографии (свойства атмосферы рассматриваются ниже). Робинсон [3.22] провел широкие исследования скорее по физике солнечной радиации, чем по фотографии. Были рассмотрены также некоторые аспекты нагревания, вызванного солнечным излучением.

Искусственное ИК-излучение

Первым искусственным излучением, полученным человеком, было излучение раскаленного угля и нагретых газов от костров и факелов. При этом можно было увидеть свет и почувствовать инфракрасное излучение. Раскаленные вещества и возбужденные газы до сих пор являются основными источниками инфракрасного излучения для фотографирования в помещении. Во многих книгах по инфракрасным методам рассматриваются различные устройства, обеспечивающие пучки инфракрасного излучения для разнообразных целей. Глава, написанная Карлсоном и Кларком [3.51], касается в основном ламп и дуг как источников видимого и инфракрасного излучений. Работы [2.80, 3.4, 10.11, 10.12] представляют собой обстоятельные монографии по технологии получения инфракрасного излучения, в которых имеются главы, касающиеся источников и теории излучения. В них включено описание специальных источников излучения, используемых в спектроскопии, подобных нити накаливания Нернста и Глобара. Дерибере [6.66] рассмотрел несколько французских источников излучения, а также методы выделения областей инфракрасного излучения путем многократного отражения от граней кристалла. Канн [3.50] опубликовал доклад, посвященный приборному оборудованию для дистанционного зондирования и содержащий перечень соответствующих фирм-изготовителей.

В данном разделе рассматриваются в основном характеристики ламп, применяемых в фотографии.

Лампы с вольфрамовой нитью. Характеристики перекальных и других фотоламп определяются законами излучения. Только «черное тело», описываемое в физике, теоретически поглощает все падающее на него излучение, не отражая и не пропуская его. Реальные тела непрерывно излучают при температуре выше абсолютного нуля, а температура, до которой нагрето тело, определяет диапазон излучения.

Рис. 3.20. Характеристические кривые излучения черного и серого тел, раскаленных до видимого свечения.

Кривые уходят в длинноволновую тепловую область. Представлены перекальная фотолампа и обычная бытовая осветительная лампа, а также указаны их цветовые температуры. Данные нормированы на равную энергию актиничного инфракрасного излучения с учетом эмиссионной способности вольфрама и коэффициента пропускания стекла.

Характеристическая кривая излучения начинается в длинноволновой области, достигает максимума интенсивности и затем падает в коротковолновой области. Изучая эту кривую, можно определить другой признак «черного тела». Этим признаком является то, что такое «черное тело» излучает большую мощность на единицу поверхности, чем любое другое тело при тех же длине волны и температуре. При этом предполагают, что сравниваемое тело не обладает какой-либо специфической особенностью, например флуоресценцией.

Ни одно вещество, имеющееся в лаборатории или в природе, полностью не удовлетворяет характеристикам «черного тела». Вольфрамовая нить представляет собой «серое тело». Кривая, описывающая его излучение, почти параллельна кривой для черного тела, но мощность излучения на каждой длине волны меньше. На рис. 3.20 представлена общая форма кривых, описывающих излучение черного и серого тел. Так как абсолютный нуль по шкале Кельвина равняется по Цельсию —273 °С, то °С равен 273 К. Температура раскаленного тела обычно измеряется по шкале Кельвина. Для определения качества излучения какого-либо тела его «цветовая температура» выражается в Кельвинах. Этот термин описывает качество света, который был бы испущен и черным телом при данной температуре. Так как серое тело излучает в меньшей степени, чем черное, то его фактическая температура всегда больше цветовой. Цветовая температура описывается кривыми, относящимися только к видимой области спектра. Тем не менее эти кривые следуют общей форме кривых для черного тела в области актиничного инфракрасного излучения.

 

Качество излучения в зависимости от температуры		Таблица 3.3
Источники света	Цветовая температура, К	Максимум1), мкм
Перекальная фотолампа2) без фильтра	3500	0,82
Перекальная фотолампа	3400	0,85
Фотолампа	3200	0,90
Лампа мощностью 200 Вт 3)	2850	1,02
Нагревательная ИК-лампа без фильтра 3)	2500	1,15
Британская стандартная свеча 3)	1930	1,51
Источники актиничного излучения3)	Фактическая температура, К
Электронагревательная спираль	950	3,05
Нагретый паяльник	700	4,14
Стена печи	550	5,27
Неактиничные объекты
Кипящая вода	373	7,78
Человеческое тело	310	9,35
Лед	273	10,03
1) Максимум приведен для черного тела при данном значении температуры; основано на распределении по закону Вина. 2) Данные изменяются в зависимости от типа сгораемого металла. 3)Область ИК-излучения простирается от максимума в актиничную область.

Всякий, кто видел раскаленную докрасна кочергу, маломощную осветительную лампу и перекальную фотолампу, знает, что свет становится более синим по мере увеличения температуры. Это явление объясняется законом Вина, определяющим смещение максимума спектра излучения в коротковолновую область как функцию увеличения температуры.

Для фотографов представляет интерес тот факт, что максимум спектра излучения черного тела при длине волны 1 мкм соответствует 2898 К. Таким образом, эффективным источником актиничного инфракрасного излучения могут быть лампы накаливания с вольфрамовой нитью, температура которых близка к вышеуказанной. В табл. 3.3 приведены характеристики некоторых обычных ламп в сравнении с характеристиками нераскаленных (но актиничных) объектов и неактиничных объектов, излучение которых можно зарегистрировать косвенными методами.

Лампы накаливания излучают как свет и тепло, так и актинич-ные инфракрасные лучи. Фотограф должен рассмотреть проблему оптимального баланса между этими видами энергии, помня об изменениях в излучении в зависимости от цветовой температуры. Ослепительный свет и чрезмерное тепло могут оказаться непригодными при фотографировании пациентов, биологических объектов и хрупких произведений живописи. Однако, какая же лампа с вольфрамовой нитью обеспечивает достаточное освещение и наименьший нагрев для данной экспозиции при фотографировании в инфракрасных лучах?

Так как фотолампы горят очень ярко и из-за своей большой мощности выделяют много тепла, то с их помощью редко удается получить ответ. Обычные бытовые осветительные лампы мощностью более 500 Вт были бы необходимы для испускания того же количества ИК-излучения в области 700—900 нм, что и перекальная фотолампа мощностью 500 Вт, но при этом увеличивалась бы интенсивность теплового излучения и несколько меньше интенсивность светового излучения. На рис. 3.20 приведены две кривые, описывающие относительные спектральные энергии, излучаемые лампами двух типов. Количество тепла возрастает от длинноволнового ИК-излучения. В этой области кривые резко расходятся. В видимой области спектра эти кривые сближаются; заметим, что перекальная фотолампа обеспечивает лишь незначительное увеличение яркости освещения. Наиболее пригодна лампа с температурой 3200 К, поскольку она оказывается одинаково эффективной в актиничной ИК-области, как и перекальная фотолампа, такая лампа производит несколько меньше света, зато имеет более долгий срок службы. Терапевтические лампы инфракрасного излучения с красным фильтром обеспечивают меньшую яркость, но излучают много тепла, что создает неудобство в работе по сравнению с эквивалентным по мощности источником актиничного инфракрасного излучения.

Галогенные лампы. Первые вольфрамовые лампы были вакуумными для предохранения нити от окисления. Однако они вскоре чернели из-за испарения вольфрама. Наполнение лампы инертным газом привело к значительному уменьшению скорости испарения. В некоторых лампах применяется сетчатый коллектор, что уменьшает почернение, но не влияет на износ нити накала. Дальнейшего улучшения можно достичь путем наполнения лампы парами галогенов (Зублер и Мосби [3.170]). Эти пары действуют подобно регенеративному газопоглотителю, в результате чего испарившийся вольфрам осаждается на нить накала. Изготовление баллона из кварцевого стекла позволяет значительно уменьшить размеры лампы.

Такие компактные лампы оказываются весьма удобными для получения микро- и макрофотографий в инфракрасных лучах. Некоторые студийные лампы больших размеров можно было бы использовать для съемки больших объектов. Однако фотографам необходимо знать, что конструкция некоторых галогенных ламп включает в себя холодные зеркала для устранения инфракрасного излучения из потока.

Те, кто интересуется применением этих ламп для точных исследований в оптике, отсылаются к работе Тайлера с сотр. [3.156]. В этой работе приведены значения абсолютных спектральных выходных данных вольфрамовых ламп. Карлсон и Кларк [3.51] рассмотрели характеристики мощных вольфрамовых и галогенных ламп, а также угольных дуг, используемых в кинематографии.

Электронные лампы-вспышки. Электронная лампа-вспышка наиболее практична в медицинских и биологических исследованиях. Такая вспышка обеспечивает достаточное количество актиничного инфракрасного излучения. Так как длительность вспышек небольшая, то их излучение и тепло не вызывают неприятных ощущений, а при съемке живых объектов влияние движения последних на качество фотографии сводится к минимуму.

Рис. 3.21. Характерный спектр излучения электронной лампы-вспышки.

Рассматривается лампа типа Edgerton FT-15 с питанием от конденсаторов емкостью 56 мкФ при напряжении 2000 В. (С любезного согласия фирмы General Electric)

Такой тип ламп был разработан X. П. Эджертоном. Принцип действия заключается в электрическом разряде мощных конденсаторов через кварцевые трубки, содержащие инертные газы. Качество цвета получаемого излучения близко к качеству дневного освещения и может определяться цветовой температурой, хотя, строго говоря, этот термин применим только к непрерывному излучению. На рис. 3.21 представлен характерный спектр прерывистого излучения. Лампы-вспышки с рабочим напряжением около 500 В испускают значительно больше инфракрасного излучения при одинаковой мощности вспышки, чем лампы с большим рабочим напряжением.

Выход вспышки выражается в единицах Вт на вспышку. Такая единица предполагает сравнение мощности различных ламп-вспышек. Более четко с экспозицией связана новая характеристика пучка излучения (кд-мощность-с), при которой учитывается Эффективность встроенных отражателей. При использовании инфрапленок необходимо рассмотреть некоторое отступление от закона взаимозаместимости. Туттл с сотр. [3.154] исследовали образцы первых ламп-вспышек с сенситометрической точки зрения. На практике применяются опубликованные таблицы экспозиции, подобные тем, которые приведены в гл. 2, или пробное фотографирование.

В кинематографии и микрокинофотографии используются лампы-вспышки многократного действия. При этом применяется специальная конструкция ламп, учитывающая постоянную времени электрических конденсаторов. Обычно такая постоянная очень велика для одного конденсатора, однако можно обеспечить последовательный разряд ряда конденсаторов, причем каждый из них заряжается, пока другие разряжаются.

Обзор по конструкциям электронных ламп-вспышек был сделан недавно Модом [3.113]. Логан и Эджертон [3.112] описали исключительно мощные электронные лампы-вспышки, используемые для воздушной разведки в ночное время. Запасенная энергия составляла 2150, 5760 и 9600 Вт.

Ратерфорд [3.134] применил электронные лампы-вспышки для выявления надписей на деревянных древнеримских табличках. Он осуществлял фильтрацию ультрафиолетового излучения с помощью фильтров Chance OXT и Chance OX9A, пропускающих ультрафиолетовое, красное и инфракрасное излучения для возбуждения инфракрасной люминесценции. Использование этих фильтров предохраняло хрупкие древние предметы от воздействия тепла в большей степени, чем при использовании вольфрамовых ламп с сине-зелеными фильтрами (гл. 2). Возможно, что установка сине-зеленого стекла на лампы-вспышки привела бы к усилению возбуждения ИК-люминесценции. В общем случае, чем ближе длина волны возбуждения к длине волны излучения, тем более эффективным оказывается излучение. Результаты Ратерфорда можно также получить при одновременном использовании сильного отражения инфракрасного излучения и люминесценции, которые можно обнаружить у деревянных предметов.

Лампы-фотовспышки. По сравнению с дымным горением осветительной смеси лампа-вспышка представляет собой остроумное средство освещения большой интенсивности. Нити накала или фольги, выполненные из горючего сплава металлов, заключаются в стеклянные баллоны с достаточным количеством кислорода для горения. Стеклянные баллоны не взрываются, поскольку кислород полностью расходуется до того, как волна давления достигнет стенок баллона лампы.

Такие лампы имеют цветовую температуру около 3500 К и являются хорошими источниками инфракрасного излучения. Уровень инфракрасного излучения таков, что экспозиции при фотографировании в инфракрасных лучах сравнимы с экспозициями при панхроматической фотографии.

Вопросы использования ламп-вспышек и их гигантских двойников (аэрофотобомб) рассматриваются в главах о применении источников излучения.

Компактные электрические дуги. В микрофотографии используется несколько видов дуг. Циркониевая дуга обеспечивает непрерывное излучение, испускаемое небольшой каплей расплавленного циркония диаметром 0,013 мм (в лампе мощностью 2 Вт) и 0,26 мм (в лампе мощностью 300 Вт). Дуга мощностью 100 В очень часто используется в микроскопах. Ксеноновая импульсная дуга представляет собой другой источник инфракрасного излучения. Излучение обеспечивается в основном линиями ртути, а ксенон добавляют для получения непрерывной эмиссии и дополнительного актиничного инфракрасного излучения. Карлсон и Кларк [3.51] подробно описали компактные дуги различных типов.

Лазеры. Лазеры являются сравнительно новыми источниками инфракрасного излучения. Некоторое применение они нашли для косвенного ИК-фотографирования в непрямом ИК-фотографировании при дистанционном зондировании с воздуха (гл. 9). Лазер испускает тонкий луч когерентного излучения с очень низкой расходимостью. В длинном и тонком стержне или в камере содержатся атомы, которые можно возбуждать электрической или фотонной энергией, «накачиваемой» в цилиндр. Возбужденные атомы имеют характерное синфазное излучение, которое вызывает лавинообразное возбуждение других атомов, пока не будет получен мощный короткий импульс.

Атомы, способные к возбуждению, можно получать в синтетических кристаллах, специальных стеклах, растворах красителей и газах. Одним из первых образцов был лазер на неодимовом стекле. Он испускает луч инфракрасного излучения (1060 нм). Аргоновый лазер излучает пучок синего цвета. Более подробная информация о лазерах имеется в работах [1.7, 3.64]. Лазеры на базе красителей рассматривались Каннингхемом [3.61] и Вангом [3.159]. Недавно были получены полупроводниковые лазерные диоды, которые будут изучаться с целью применения для точечного сканирования, в волоконной оптике и приборах ночного видения. Однако при применении лазера в качестве небольшого источника инфракрасного излучения для макрофотографии автор обнаружил, что когерентное лазерное излучение вызывает нежелательную сцинтилляцию (информация по лазерным диодам представлена фирмами RCA и ITT).

Фотографирование поперечного сечения лазерных лучей представляет некоторый интерес при изучении картины распределения энергии. Лучи наивысшей интенсивности воспламеняют большинство целей при открытом затворе, уничтожая таким образом лазерное изображение. Используя лампу-вспышку при фотографировании в темноте и цветную инфрапленку, автор зарегистрировал соударения луча неодимового лазера с куском сухого льда. В этом случае испарение имело место в темноте потому, что импульс заканчивался до образования пара. Непосредственные соударения с эмульсиями пленки или бумаги также можно зарегистрировать, если уменьшить интенсивность луча путем его отражения от прозрачной стеклянной пластинки. В этом случае большая часть излучения пропускается, однако отраженная часть излучения, имеющая интенсивность, недостаточную, чтобы вызвать сгорание эмульсии, создает скрытое изображение. При использовании инфракрасного лазера это влечет за собой реакцию «теплота — туман» в фотоматериалах, не сенсибилизированных к инфракрасному излучению.

3.5. ОТРАЖАЮЩАЯ, ПРОПУСКАЮЩАЯ
И ИЗЛУЧАЮЩАЯ СПОСОБНОСТИ ОБЪЕКТОВ

Свойства элементов объекта, касающиеся характеристик его взаимодействия с ИК-излучением, влияют на информацию, представленную на ИК-фотографиях и других видах записей ИК-излучения. В главах, посвященных применению ИК-фотографии, это обстоятельство отражается при описании исследуемых природных объектов. В данном разделе обсуждаются основные работы, описывающие скорее методологию, но не делающие упор на объяснении полученных экспериментальных данных.

Рассматриваются три категории объекта:

1) естественные объекты (скалы, вода и листва);

2) искусственные объекты (краски, строительные материалы и маскирующие материалы);

3) лабораторные объекты (кристаллы, образцы минералов, металлические поверхности, волоконная оптика, фотодиапозитивы и кровь).

Естественные объекты

Физика взаимодействия вещества с инфракрасным излучением была подробно изложена Ривсом [9.27] и кратко — Колуэллом [9.128]. В этих работах рассмотрены такие вопросы, как диссоциация на ионы, смещение электронной плотности, колебание и вращение молекул, взаимодействия электромагнитных полей, тепловое и микроволновое излучения, а также излучения в видимой и инфракрасной областях. Знание основных физических принципов взаимодействия излучения с веществом необходимо для понимания фотографических методик и получаемых результатов. Например, некоторые металлы совершенно прозрачны для излучения определенной длины волны, в то время как газы в прозрачной атмосфере совершенно непрозрачны в определенных областях спектра. Физическая плотность и длина пути излучения, естественно, влияют на абсолютную степень пропускания.

Скалы и почвы. Некоторые работы почти полностью посвящены методологии. Кондит [3.58] при исследовании характеристик местности использовал спектрорефлектометр Beckman DK-2R, работающий в спектрорадиометрическом режиме, для непосредственных измерений и векторного анализа дневного света. Тест-объектом служила пластина, покрытая сульфатом бария и ориентированная 1 плоскости 15—0°. Кривые, полученные Кондитом, простирались лишь до 700 нм, однако они важны для инфракрасной цветной фотографии. Кондит также исследовал образцы американской почвы в области до 1000 нм при помощи регистрирующего спектрофотометра типа Сагу и спектрофотометра Beckman DU. Макдоуэлл и Шпехт [3.119] использовали спектрорадиометрическое оборудование типа EG и G в полевых условиях для определения отражательной способности сельскохозяйственных культур в области до ³ 1100 нм. Результаты согласовывались с аэрофотоснимками. Фотоснимки в инфракрасных и видимых лучах были получены Векслером [3.162] со спутника «Тирос-3». Датчики, описанные в гл. 9, использовались в диапазоне 0,2—13 мкм. Были описаны различные методы теплового зондирования. По этому вопросу необходимо смотреть работы Блока и Захора [3.43], Ховиса [3.87], Блита и Курата [3.45], Штингелина [3.148], а также [9.53, 9.85, 9.286, 9.343].

Ховис установил взаимосвязь между полосами в инфракрасных спектрах отражения нескольких выделенных природных минералах со спектрами отражения содержащих их скал. Он показал, что такие данные могут оказаться полезными для идентификации внеземных поверхностных компонентов. Халберт [3.89] сравнил отражательную способность желтоватых и белых песков из штатов Мэн и Флорида с отражательной способностью свежего снега. Он получил следующие относительные данные:

Длина волны, нм	Песок (шт. Мэн)	Песок (шт. Флорида)	Снег
300—400	8	15	35
400—800	25	40	40
800—2600	33	50	15
2600—7000	31	30	18

Рейне и Ли [3.131] сообщили результаты, полученные на основе 8600 измерений выходов горных пород с помощью фотометра, снабженного 13 фильтрами. В работе Коулсона [3.60] указывалось на ценность разведочного оборудования, снабженного поляризующей оптикой для видимой и инфракрасной областей спектра. Данные, касающиеся скал, почвы и атмосферных условий на Земле, для разных углов отражения сравнивались с помощью поляризационного рефлектометра. Была упомянута также возможность применения этого метода для изучения Луны и планет.

Миннус [3.19] исследовал обнажения почвы центральной Европы, Кринов [9.246] интересовался территорией СССР, а Кондит [9.131] — почвами США. Хантер и Бэрд [9.220] обсуждали, как избежать противоречий при спектрометрическом анализе результатов фотографирования.

Водные массивы. Свойства водных массивов и влажной местности рассматриваются в различных разделах данной книги. Например, результаты лабораторных измерений спектрального коэффициента прозрачности воды до 2,5 мкм приведены на рис. 5.1. В этом разделе рассматривается пропускание и отражение свободной воды. Брюер [9.81] описал способы измерения коэффициента пропускания. Измеритель прозрачности воды, сконструированный Скрипсовским институтом, оказался более пригодным, чем обычные воздушные фотометры, используемые под водой в водонепроницаемом кожухе. Сравнивались другие различные устройства, используемые в видимой области спектра. С помощью фотографических методов Брюер установил, чт