Infraroodtechniek: periode 1960 – 1970

Infraroodtechniek: periode 1960 – 1970

Mede door het succes van de in Amerika ontwikkelde infraroodgeleide raketten als Sidewinder (1955), werd de ontwikkeling van infrarooddetectoren voortgezet. Dit leidde in 1960 tot de eerste TNO warmtebeeldscanner met zelfgebouwde indiumantimonide (InSb) detector met vloeibare stikstofkoeling en met een buizenversterker. Het maken van een plaatje met circa 100 x 100 beeldelementen duurde ongeveer 10 seconden.
 

TNO's eerste warmtebeeldscanner
TNO’s eerste warmtebeeldscanner (1960)

 

Eerste warmtebeeldscanner (1960). Met deze camera werden plaatjes gemaakt met een 3-5 μ InSb detector later ook in 10μ detector (1966). De temperatuurgevoeligheid was 0,1° C. Een plaatje maken van 6°x 9° duurde 10 seconden met een oplossend vermogen van 1 mrad. Het beeldveld was 6° verticaal en 360° horizontaal
Voorzijde TNO’s eerste warmtebeeldscanner (1960). Met deze camera werden plaatjes gemaakt met een 3-5 μ InSb detector later ook in 10μ detector (1966). De temperatuurgevoeligheid was 0,1° C. Een plaatje maken van 6°x 9° duurde 10 seconden met een oplossend vermogen van 1 mrad. Het beeldveld was 6° verticaal en 360° horizontaal. 

 

Optrekapparaat
Optrekapparaat

Optrekapparaat: Voor InSb-detectoren heeft men InSb-éénkristal nodig, met een bepaalde asrichting van het kristal en van voldoende zuiverheid. In deze zelfontwikkelde oprekinstallatie werd gezuiverd InSb gedaan, dat daarna net boven de smelttemperatuur werd gebracht in een H2-atmosfeer om oxidatie tegen te gaan. Boven het oppervlak van dit vloeibare metaal hing een entkristal met de goede asrichting. Deze ent liet men voorzichtig zakken tot de smelt. Hierna werd deze ent gelijkmatig draaiend omhoog gebracht zodat de afkoeling en uitkristalisering gelijkmatig verliep.

 

InSb opgetrokken kristal
InSb opgetrokken kristal
Zaagsysteem voor kristallen
Zaagmachine voor kristallen

De kristallen werden met de op laboratorium ontwikkelde kristalzaagmachine in plakjes en in blokjes gezaagd. De kristallen konden na verdere verwerking dienst doen als lichtgevoelige cellen in verschillende soorten detectoren.
 

Al spoedig werd duidelijk dat infraroodtechnologie niet alleen bestaat uit het bouwen van camera’s. De interpretatie van de beelden vereist andere fysische kennis, iets dat wordt geïllustreerd in het volgende plaatje. Een aantal warmtetransportverschijnselen is verantwoordelijk voor de oppervlaktetemperatuur van een object en zijn omgeving, en dus voor het waar te nemen contrast met een thermisch infrarood ofwel warmtebeeldcamera.

 

Factoren die de warmtebalans beïnvloeden
Factoren die de warmtebalans beïnvloeden

Vele omgevingsfactoren zijn van invloed op het thermisch (temperatuur)contrast.
Daarnaast wordt dit beïnvloed door materiaaleigenschappen als:

  • specifieke dichtheid
  • soortelijke warmte
  • de warmtegeleidingscoëfficiënt
  • de oppervlakteruwheid
  • de spectrale en speculaire reflectie

Is de warmtebalans in evenwicht, dan is de oppervlaktetemperatuur constant. Zo niet, dan neemt de temperatuur toe of af. Gedegen kennis van fysische transportverschijnselen is dus een vereiste voor een juiste contrastinterpretatie van met name infrarode uitstraling.

Om de mogelijkheden van infraroodsensoren nader te onderzoeken, was de voornaamste activiteit in de begin jaren ’60 het realiseren van een camera voor veldgebruik met daarin toegepast een zelfontwikkelde InSb detector.

Een eerste beeld (8 augustus 1961)
Een eerste beeld (8 aug 1961)

 

Een andere medewerker
Opname van een andere medewerker (8 aug 1961)

 

Opname van een met water gevulde testplaat op 20 juni 1962
Opname van een met water gevulde testplaat (20 juni 1962)

Dit resulteerde in 1963 in de eerste echte warmtebeeldcamera met een groot horizontaal beeldveld:

  • geometrische resolutie: 1 mrad
  • thermische resolutie: 0.1 °C
  • beeldveld: 6° verticaal, 360° horizontaal
  • tijd voor een opname van 6°x9°: 10 seconden
  • hoofdspiegel: D=30 cm, f=58 cm
  • detector: InSb foto-Voltacel van 0.5×0.5 mm

Voorbeelden van nachtopnamen met deze camera van schepen en militaire voertuigen zijn hieronder te zien. De warme plekken (wit) op de scheepshuid van het vrachtschip geven de plaats aan van de machinekamer, de schoorsteen, de kombuis en bij de tanker van de compartimenten met warme olie. De voertuigen, afgebeeld enkele uren na het afzetten van de motor, houden hun warmte nog lang vast. Opvallend zijn ook de sporen in het terrein. De resultaten gaven aanleiding tot het ontplooien van verdergaande onderzoeksactiviteiten te meer toen in juni 1966 een Israëlisch oorlogsschip (Eilat) door een Egyptische infrarood anti-schipraket van Russische makelij (SS-N-2 Styx) tot zinken werd gebracht.

Waalsdorpervlakte visueel 2 sept 1963 20:00
Waalsdorpervlakte visueel 2 sept 1963 20:00
Waalsdorpervlakte thermische scan 2 sept 1963 20:00
Waalsdorpervlakte thermische scan 2 sept 1963 20:00

 

Infraroodopname van schepen bij Hoek van Holland; 10 december 1963
Infraroodopname van schepen bij Hoek van Holland; 10 december 1963

 

Infraroodopname van schepen bij Hoek van Holland; 10 december 1963
Infraroodopname van schepen bij Hoek van Holland; 10 december 1963

 

Opname van de zee op 12 juni 1964 om 21:00
Infraroodopname van de zee op 12 juni 1964 om 21:00 met de branding en schepen op de achtergrond

 

5 μm opnamen van militaire voertuigen op de Waalsdorpervlakte, gemaakt vanaf de toren van het Meetgebouw (1966)
Opnamen van militaire voertuigen (M113, AMX en YP408) op de Waalsdorpervlakte; 5 μm opname gemaakt vanaf de toren van het Meetgebouw (1966)

 

10 μm opname van militaire voertuigen op de Waalsdorpervlakte gemaakt vanaf de toren van het Meetgebouw (1966)
10 μm opname van militaire voertuigen op de Waalsdorpervlakte gemaakt vanaf de toren van het Meetgebouw (1966)

 
Mede daarom zijn in de volgende jaren zijn de inspanningen op infraroodgebied sterk toegenomen, zowel op het verbeteren van de opnameapparatuur als op het vergaren van doelsignaturen. Zo werd in 1966 de FLORIS-vliegtuigscanner gerealiseerd, waarmee vanuit een Neptune marinevliegtuig de infraroodsignatuur van Russische oorlogsschepen werden gemeten en vooral ook van de infrarood-decoys die achter het ijzeren gordijn ontwikkeld werden. Deze gegevens waren destijds van groot belang voor de Marine-inlichtingendienst die ze ruilden met inlichtingendiensten van andere landen. Tevens bracht dit onderzoek het ontwikkelen van een infraroodstralingsmodel voor de Nederlandse marineschepen op gang en het bedenken van tegenmaatregelen ter beperking van de infrarooddreiging. Al deze activiteiten werden besproken in de Werkgroep Infrarood en Electro-optische Tegenmaatregelen (Wiet) en de daaronder ressorterende ‘Schoorsteengroep’. Hierin was ook de groep Infrarood van het Physisch Laboratorium TNO vertegenwoordigd alsmede diverse Koninklijke Marineafdelingen waaronder de operationele dienst die ten behoeve van experimenten direct schepen ter beschikking kon stellen.

Floris infraroodscanner (1966) in twee golflengten 3-5µ; beeldveld 120° vlieghoogte 150 meter; 10 scans/s
Floris infraroodscanner met RCA 6655-A fotomultiplier. Twee golflengten 3-5µ; beeldveld 120° vlieghoogte 150 meter; 10 scans/s. Op de schuine plaat wordt het referentiesignaal opgenomen.

 

Floris twee-kleurenopnamen van de Waddenzee op 12 juni 1967, 18:30. Blauw is infraroodsignaal; groen is het signaal van de fotomultiplier.
Floris twee-kleurenopnamen van de Waddenzee op 12 juni 1967, 18:30. Blauw is infraroodsignaal; groen is het signaal van de fotomultiplier. Hoe lichterblauw, hoe warmer. Het (koude) drooggevallen wad toont de hoge helderheid van het zand.  

 

Floris opname
Floris twee-kleurenopnamen van de kernreactor Delft met rechts de Schie (23 mei 1967, 15:30). De s-vormige vertekening is inherent aan het gebruik van lijnscanners. 

Ook de andere krijgsmachtonderdelen zagen het belang van infrarood in. Zo werd bij de NV Optische Industrie “De Oude Delft” vanaf 1968 de Orpheus infraroodscanner ontwikkeld voor een verkenningspod onder de Lockheed F104 (Starfighter). In opdracht van de Koninklijke Luchtmacht (KLu) speelden het Physisch Laboratorium TNO en NLR hierin een begeleidende rol.

TNO heeft in latere jaren veelvuldig geadviseerd bij de materieelaanschaf van materieel door de Krijgsmacht, onder andere bij de invoering van de Leopard-warmtebeeldcamera van Zeiss (Koninklijke Landmacht (KL)), de LION ongekoelde camera voor de soldaat (KL), de LANTIRN verkennings- en laser-designatorpod voor de F16 (KLu) en de SIRIUS rondzoeker voor het LCF fregat (Koninklijke Marine). De kennis, die nodig is voor het geven van de juiste adviezen is opgedaan tijdens het ontwikkelen van diverse technologie demonstrators (prototypen) zoals de Seacat Infrarood Sensor (SIRS) voor het opvangen van de Seacat raket kort na het lanceren (Van Speijk fregat), de CHIK (Combinatie Helderheidsversterker Infrarood Kijker) en de  ETIS (Experimentele Thermisch InfraroodScanner)-serie voor KL en KM toepassingen, en de MDW scanner (Multi Detector Warmtebeeld) voor de F104. Een bijkomend aspect was de assistentie bij het uitvoeren van testen van de prestaties van dit materieel en het vervaardigen van testapparatuur zoals de MRTD (Minimum Resolvable Temperature Difference) opstelling en de SBS en SSS (Subsone en Supersone Missile Simulators) voor de SIRIUS rondzoeker. Verder werd veel kennis opgedaan via de contacten met andere landen, onder andere in de diverse NAVO Research Study Groups en via bilaterale contacten met Engeland, Noorwegen, Amerika en Frankrijk.

In 1969 ontwikkelde TNO de Combinatie Helderheid Infrarood Kijker (CHIK). CHIK moest minstens 15 beelden/s maken, een beeldveld van minstens 1°x3° hebben, maxinmaal 40 W gebruiken, 5x vergroten en minder dan 6 kg wegen.
Het foward looking infraroodbeeld (FLIR) werd via spiegels (in de latere, meer compacte CHIK II via omkeerprisma’s) in het midden van het helderheidsversterkerbeeld gespiegeld. De opbouw van het infraroodbeeld werd daarbij door een snelle scanrotor verzorgd waaraan een facettenschijf met 24 facetten was gekoppeld. CHIK had een optisch scheidend vermogen van 0.5 mRad en termisch scheidend vermogen van 0.6°C.

CHIK I
CHIK I (1969)

 

Optisch principe van de CHIK I
Optisch principe van de CHIK I

 

CHIK II (8 - 14 µm) met bovenop een helderheidsversterker voor het restlichtsignaal (1969)
CHIK II (8 – 14 µm) met bovenop een helderheidsversterker voor het restlichtsignaal (1969)

 

TTwee mannen in terrein op 300 m afstand (20-1-1971)
Twee mannen in terrein op
300 m afstand (20-1-1971)

 

 

Referentie

T. Nooijen (2015), Physics Research at RVO-TNO during the early cold war, Univ. of Utrecht (pdf)