15  Historie infračervené techniky

Před rokem 1800 neměl nikdo tušení o existenci infračervené části elektromagnetického spektra. Původní význam infračerveného spektra často nazývaného jednoduše „infračerveného záření“ jako formy vyzařování tepla je dnes možná méně patrný než v roce 1800,‎ kdy toto záření objevil badatel Herschel.

Objev byl učiněn náhodně při hledání nového optického materiálu. Sir William Herschel -‎ dvorní astronom Jiřího III.,‎ krále Anglie,‎ známý již svým dřívějším objevem planety Uran -‎ hledal materiál pro optický filtr,‎ kterým by se při pozorování slunce snížil jas obrazu v dalekohledech. Při testování různých vzorků barevných skel,‎ která velmi podobně snižovala jas,‎ ho zaujala skutečnost,‎ že některými skly procházelo pouze málo slunečního tepla,‎ kdežto jinými skly procházelo tolik tepla,‎ že riskoval poškození očí po pouhých několika sekundách pozorování.

Herschel brzo nabyl přesvědčení,‎ že je zapotřebí provést systematický experiment s cílem nalezení materiálu,‎ jež by zajistil požadované snížení jasu a také maximálně omezil teplo. Začal experimentovat tím,‎ že vlastně opakoval Newtonův experiment s hranolem,‎ ale přitom se zaměřil na tepelný efekt,‎ ne na viditelné rozložení světelné intenzity ve spektru. Nejprve inkoustem začernil baňku s citlivým rtuťovým teploměrem. Tímto detektorem záření testoval tepelné účinky různých barev spektra vytvářených na stole pomocí skleněného hranolu,‎ kterým procházelo sluneční světlo. K porovnání mu sloužily jiné teploměry umístěné mimo sluneční paprsky.

Při pomalém přesouvání začerněného teploměru po barvách spektra vykazovaly zjištěné teploty stálý nárůst,‎ od fialového konce po červený konec spektra. To nebylo až tak nečekané,‎ jelikož italský badatel Landriani pozoroval bezmála stejný efekt při podobném experimentu v roce 1777. Byl to však Herschel,‎ kdo jako první rozpoznal,‎ že musí existovat bod,‎ v němž tepelný efekt dosáhne maxima,‎ a že při měření soustředěném na viditelnou část spektra nebyl tento bod nalezen.

Posouváním teploměru do tmavé oblasti za červený konec spektra Herschel zjistil,‎ že tepelný efekt vzrůstal. Bod maxima nalezl poměrně daleko od červeného konce – v místě,‎ kterému se dnes říká "infračervené vlnové pásmo".

Když Herschel zveřejnil svůj objev,‎ nazval tuto část elektromagnetického spektra "termometrické spektrum". Samotné záření často označoval jako "tmavé teplo" nebo prostě "neviditelné paprsky". Je paradoxní,‎ že na rozdíl od rozšířeného názoru,‎ to nebyl Herschel,‎ kdo vytvořil termín "infračervený". Toto slovo se začalo vyskytovat v tisku asi o 75 let později a je stále nejasné,‎ kdo je jeho původcem.

To,‎ že Herschel při svém původním experimentu použil skleněný hranol,‎ vedlo k určitým počátečním polemikám s jeho současníky o skutečné existenci infračervených vlnových délek. Jiní badatelé ve snaze potvrdit jeho pokus používali různé druhy skla bez rozlišení,‎ čímž ale dosahovali různé průhlednosti v infračerveném pásmu. Ve svých pozdějších experimentech si Herschel byl vědom omezené propustnosti skla vůči nově objevenému tepelnému záření a byl nucen dojít k závěru,‎ že jako optické prvky pro infračervené záření bude možné používat výhradně odrážející prvky (tj. rovná a zakřivená zrcadla)‎. Naštěstí tomu tak bylo pouze do roku 1830,‎ kdy italský badatel Melloni učinil převratný objev,‎ že v přírodě se vyskytující kamenná sůl (NaCl)‎ -‎ která byla k dispozici v přirozených krystalech dostatečně velkých,‎ aby z ní šly vyrobit čočky a hranoly -‎ pozoruhodně propouští infračervené záření. Výsledkem bylo to,‎ že kamenná sůl se stala hlavním optickým materiálem pro infračervené spektrum a zůstala jím po dobu dalších sta let,‎ dokud nebyla v roce 1930 zvládnuta metoda výroby syntetických krystalů.

Teploměry se jako detektory záření používaly až do roku 1829,‎ kdy Nobili vynalezl termočlánek. (Herschelův vlastní teploměr bylo možné odečítat s přesností na 0,‎2 °C (0,‎036 °F)‎ a pozdější modely bylo možné odečítat s přesností 0,‎05 °C (0,‎09 °F)‎.)‎ Pak došlo k převratné události,‎ kdy Melloni připojil určitý počet termočlánků do série a vytvořil tak první termoelektrickou baterii. Toto nové zařízení bylo pro detekci tepelného záření přibližně 40krát citlivější než tehdejší nejlepší teploměr -‎ bylo schopné detekovat teplo osoby stojící v třímetrové vzdálenosti.

V roce 1940 bylo možné vytvořit první takzvaný "tepelný obraz",‎ což byl výsledek práce sira Sir Johna Herschela,‎ syna objevitele infračerveného záření,‎ který byl také známý astronom. Na základě diferenciálního odpařování tenké vrstvy oleje vystavené tepelnému záření,‎ které na ni zaměřil,‎ bylo možné spatřit tepelný obraz díky odráženému světlu,‎ protože interferenční účinky olejové vrstvy zajistily,‎ že obraz byl pro lidské oko viditelný. Sir John Herschel také vytvořil jednoduchý záznam teplotního obrazu na papír -‎ tento obraz pak nazval "termograf".

Zlepšování detektoru infračerveného záření pokračovalo pomalu. Další významný pokrok učinil badatel Langley v roce 1880,‎ když vynalezl bolometr. Tento bolometr sestával z tenkého začerněného proužku platiny připojeného k jedné větvi Wheatstonova můstku,‎ na který bylo zaměřeno infračervené záření,‎ na něž reagoval citlivý galvanometr. O tomto zařízení se říká,‎ že bylo schopno detekovat teplo krávy na vzdálenost 400 metrů.

Anglický vědec sir James Dewar jako první začal používat zkapalněné plyny jako chladiva (například tekutý dusík s teplotou -‎196 °C (-‎320,‎8 °F)‎)‎ ve výzkumu v oblasti nízkých teplot. V roce 1892 vynalezl jedinečnou vzduchotěsnou nádobu,‎ ve které bylo možné skladovat zkapalněné plyny po celé dny. Na tomto vynálezu je založena známá "termoska" používaná k uchování horkých nebo chlazených nápojů.

V období let 1900 a 1920 "objevili" infračervené pásmo i světoví vynálezci. Byly uděleny mnohé patenty na zařízení k detekci osob,‎ dělostřelectva,‎ letadel,‎ lodí a dokonce i ledovců. První funkční systémy začaly být vyvíjeny během první světové války (1914-‎1918)‎,‎ kdy obě strany prováděly výzkumné programy zaměřené na vojenské využití infračerveného záření. Tyto programy zahrnovaly experimentální systémy k detekci pronikání nepřítele,‎ měření teploty na dálku,‎ zabezpečenou komunikaci a navádění "létajících torpéd". Jistý infračervený vyhledávací systém testovaný v této době byl schopen detekovat blížící se letadlo na vzdálenost 1,‎5 km (0,‎94 míle)‎ nebo osobu na vzdálenost větší než 300 metrů (984 stop)‎.

Až do této doby byly všechny nejcitlivější systémy založeny na obměnách bolometru,‎ ale v meziválečném období byly vyvinuty dva nové a revoluční infračervené detektory: konvertor obrazu a fotonový detektor. O konvertor obrazu se zpočátku nejvíce zajímala armáda,‎ protože jako první pozorovateli umožňoval doslova "vidět ve tmě". Avšak citlivost konvertoru obrazu byla omezena na blízké infračervené vlnové délky,‎ a proto většina zajímavých vojenských cílů (tj. nepřátelští vojáci)‎ musela být osvětlována infračervenými vyhledávacími paprsky. Jelikož tak vznikalo riziko,‎ že poloha pozorovatele bude prozrazena podobně vybavenému pozorovateli nepřítele,‎ je pochopitelné,‎ že vojenský zájem o konvertor obrazu brzy zanikl.

Vojensko-‎taktické nevýhody takzvaně "aktivních" (tj. vybavených vyhledávacím paprskem)‎ systémů teplotního obrazu byly po 2. světové válce (1939-‎1945)‎ hybnou silou pro rozsáhlé tajné vojenské programy k výzkumu infračerveného spektra zaměřené na vývoj "pasivních" (bez vyhledávacího paprsku)‎ systémů s využitím extrémně citlivého fotonového detektoru. V té době zakazovaly vojenské bezpečnostní předpisy zveřejňování informací o infračervené zobrazovací technice. Odtajnění bylo zrušeno v polovině padesátých let. Od té doby jsou dostačující teplotní zobrazovací zařízení k dispozici civilnímu sektoru,‎ vědě i průmyslu.