Приборы ночного видения

Приборы ночного  видения

 

Введение

 

Несовершенство собственной  природы, компенсируемое гибкостью  интеллекта, непрерывно толкало человека к поиску. Желание летать как птица, плавать как рыба, или, скажем, видеть ночью подобно кошке, воплощались  в действительность по мере достижения требуемых знаний и технологий.

Наиболее информативное  чувство восприятия человеком внешнего мира – зрение, являясь весьма совершенным оптико-биологическим инструментом, обладает, к сожалению, ограниченной спектральной чувствительностью. Из широкого диапазона спектра оптического излучения (от 0,00 1 до 1 000 мкм) глаз воспринимает очень узкий участок от 0,38 до 0,78 мкм, да и то, начиная с определенного уровня освещенностей: при освещенностях менее 0,01 люкс глаз не воспринимает цвета и различает только крупные близлежащие объекты.

Все, что мы видим, –  это свет, который отражается от объектов. Источниками света являются, к примеру, Солнце и звезды, а также  наземные объекты, такие как фонари уличного освещения. В зависимости  от наличия или отсутствия источника света, а также от его интенсивности, мы можем ясно наблюдать окружающий мир или, наоборот, ничего не видеть в темноте. Стремление хорошо видеть в ночное время было присуще человеку всегда, ведь это позволяло бы легко ориентироваться в пространстве и избегать опасностей.

Для того чтобы расширить  возможности человеческого зрения в условиях недостаточной освещенности, был изобретен специальный прибор ночного видения (ПНВ).

Первые успешные результаты в этом направлении были получены в 30-х годах ХХ века. Особенную актуальность проблема наблюдения в условиях низкой освещенности приобрела в ходе Второй мировой войны. Ее практическая реализация предоставила возможность действовать в сумерках и ночью без использования источников видимого света.

Позднее эти приборы стали использоваться не только военными, но и сотрудниками спецподразделений и спасательными отрядами, а затем и охотниками, туристами и водителями автомобилей, яхт и катеров. Первые аналоги ПНВ были довольно массивными и не отличались выдающимися характеристиками, однако с течением времени основные недостатки этих приборов были устранены, а их ключевые параметры – заметно улучшены. Этого удалось добиться за счет комплектации приборов ночного видения современными электронно-оптическими преобразователями – ЭОП.

 

 

 

Определение

 

Прибор ночного  видения (ПНВ) — вакуумный фотоэлектронный прибор для преобразования невидимого глазом изображения объекта (в инфракрасном, ультрафиолетовом или рентгеновском спектре) в видимое либо для усиления яркости видимого изображения.

ПНВ делятся на:

- пассивные (работают в условиях естественной ночной освещённости);

- активные (работают с подсветкой, обычно в ближнем ИК-диапазоне);

- активно-импульсные (работают с подсветкой в стробирующем режиме работы фотокатода).

 

Устройство. Принцип  действия

 

 

 Главным элементом прибора ночного  видения является вакуумный фотоэлектронный  прибор: электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Действие ЭОПа основано на явлении внешнего фотоэффекта. Внешний эффект - эмиссия электронов в вакуум из тонких полупрозрачных полупроводниковых слоев (фотокатода) под воздействием квантов оптического диапазона спектра (диапазон длинн электромагнитных волн от 0,001 до 1000 мкм). Поток электронов ускоряется под воздействием напряжения порядка 10000 вольт, фокусируется электронно-оптической системой и попадает на катодолюминисцентный экран, вызывая его свечение в видимой глазом области спектра (диапазон длинн 0.38-0.78 мкм). Изображение на экране наблюдается с помощью лупы или регистрирующего прибора. На рисунке 1 показана упрощенная схема прибора ночного видения.

Рис.1. Упрощенная схема прибора  ночного видения. 1 – объект; 2 – объектив; 3 – корпус; 4 – источник питания; 5 – вакуумный корпус; 6 – фотокатод; 7 – электронно-оптическая система; 8 – катодолюминисцентный экран; 9 – окуляр.

 

Изображение наблюдаемого слабоосвещенного (ночным небом, звездами, луной) объекта (1) через объектив (2) проецируется в перевернутом виде на входное стекло электронно-оптического преобразователя, представляющего собой “высоковакуумную лампу” с двумя плоскими торцами, входным и выходным окнами соответственно. На внутренней стороне входного окна нанесен тонкий полупрозрачный слой светочувствительного материала – фотокатод (6), испускающий электроны при поглощении квантов света. Фотокатод эмиттирует в вакуум электроны, причем число эмиттированных из каждой точки электронов пропорционально яркости в этой точке изображения, спроецированного объективом.

Несущий таким образом "электронное изображение" поток  электронов ускоряется и фокусируется электронно-оптической системой на катодолюминесцентный экран (8). Ускорение фотоэлектронов происходит под действием напряжения порядка 10 000 вольт, вырабатываемого источником питания. Именно за счет преобразования фотонов в электроны и ускорения последних в ЭОП происходит усиление яркости, т.к. усилить энергию нейтральных фотонов принципиально невозможно.

Ускоренные и сфокусированные  фотоэлектроны, попадая на люминесцентный экран, вызывают его свечение в видимой  глазом области спектра (практически во всех ЭОП - в зеленой).

 

Классификация и виды ПНВ

 

1. Классификация ПНВ.

На современную классификацию  ПНВ влияют как характеристики электронно-оптического  преобразователя, так и используемая при изготовлении этой техники оптика.

И все выпускаемые и реализуемые в наши дни приборы ночного видения условно подразделяются на I, II и III поколение. Также среди этой классификации часто выделяются промежуточные варианты I+ и II+. Причем эта классификация напрямую зависит от имеющегося у ПНВ электронно-оптического преобразователя.

 I поколение.

Основа технологии — фотоумножители, поставленные между фотокатодом  и окуляром, что позволяло добиться многократного усиления видимого и  ИК света с переводом последнего в видимый диапазон.

II поколение.

Применена микроканальная технология, что позволило избавиться от паразитной засветки. Яркая точка на изображении оставалась точкой и не засвечивала соседние каналы.

III поколение.

Применены фотокатоды на арсениде галлия, что позволило ещё больше увеличить коэффициент усиления света и уменьшить габариты приборов.

 

2. Виды приборов ночного  видения.

Однако необходимо отметить, что все выпускаемые и реализуемые сегодня приборы ночного видения подразделяются на несколько основных видов:

-приборы наблюдения (монокуляры, псевдобинокуляры, бинокли);

-прицелы для стрелкового оружия;

-очки;

-приборы, позволяющие  документировать наблюдаемое изображение (ночные фото- и видеокамеры).

 

Технические характеристики

 

Основные технические  характеристики ПНВ и их стоимость во многом определяются применяемыми в них ЭОП.          

 

Поколения ЭОП			Тип фотокатода	Интегральная  чувствительность, мкА/лм	Чувствительность  на  длинах волн 830-850 нм, мА\Вт	Коэффициент усиления, усл. ед.	Предел разрешения, штр/мм	Доступная дальность  распознования фигуры  человека в условиях ЕНО**, м
0	“Стакан Холста”		S-1	20-40	около 1, ИК подсветка	--		--
	0		S-20	150-200	только при свете  луны или ИК осветителе	До 100		40
	SUPER 0
I*		I	S-20	120-260	только при свете  луны или ИК осветителе	250-500	25-30	60
		I+	S-25	150-200	до 10	500-1000	45	90
		Super I+	S-25R	250-350	25-35			110
II		II	S-25	220-300	18-25	(2,5-3,0)x104	39-45	150
		II+						200
		Super II+ или II++	S-25R	350-500	30-40			250
III		III	Ga-As	1000-1350	70-120	(3,0-4,0)x104	32-64	250
		Mil-Spec III	Ga-As	1550-1800	80-190	(3,0-5,5)x104		300

* Не учитываются многокамерные ЭОПы и ЭОП с увеличенным диаметром фотокатода (25 мм против 18 мм), они предполагают специальные конструкции ПНВ.

** ЕНО - нормированная  «естественная ночная освещённость», 5х10^-3 лк, свет звёзд без света луны и облаков; ЭОП III - тоже, но при 5х10^-4 лк, «пасмурном» свете звёзд, небо в облаках.

Достоинства и  недостатки

 

0 поколение ПНВ. В качестве фоточувствительного слоя в “стакане Холста” использовался серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод (или S-1), имевший довольно низкую чувствительность и обладавший высоким уровнем шумов, для устранения которых требовалось охлаждение до минус 40^о С.

Эти недостатки позволяли  использовать ЭОП только в активном режиме, то есть с подсветкой наблюдаемого изображения ИК-прожектором. Кроме того, наблюдался резкий спад разрешающей способности от центра поля зрения к краям из-за несовпадения криволинейного электронного изображения с плоским фотокатодом и экраном. А так же полная засветка экрана, при попадании на него прямого света.

Из-за “букета” недостатков  ранних ЭОП первые ПНВ отличались значительными массогабаритными параметрами и энергопотреблением, а также невысоким качеством изображения.

 

I поколение ПНВ. Эти ПНВ отличаются недорогой стоимостью. Для применения в условиях полной темноты ПНВ I поколения оснащены специальным ИК осветителем.

Отличительная особенность этих приборов в том, что изображение четкое только в центре, с искажением и меньшим разрешением по краю. Кроме того, если в поле зрения попадают яркие источники света, происходит полное засвечивание поля зрения.

Из-за низкого усиления однокаскадные приборы I-го поколения очень критичны к светосиле оптики и параметрам ЭОП.

Для увеличения коэффициента усиления ЭОП иногда последовательно  стыкуют два, три и более изделие, собирая конструктивно их в один корпус. Коэффициент усиления света трехкаскадного ЭОП составляет 20000-50000. Однако при стыковке сильно растут искажения, и падает разрешение по краям поля изображения. Главным достоинством ПНВ первого поколения стало использование волоконно-оптических пластин (ВОП) для стыковки камер, что упростило сборку и позволило повысить качество изображения. Разрешающая способность стала по всему полю зрения такой же, как и в центре.

Применение металлокерамики взамен стекла существенно повысило прочность конструкции.

Существенно увеличилась дальность  действия.

Однако приборы, построенные на многокаскадных ЭОП, получаются очень громоздкими и тяжелыми, поэтому в последнее время их практически вытеснили малогабаритные приборы I+ и II-го поколения, имеющие лучшие характеристики и близкую стоимость.

 

I+ поколение  ПНВ. Приборы, построенные на ЭОП поколения I+, отличаются от приборов поколения I, прежде всего очень четкой и комфортной картинкой, низким уровнем собственных шумов и, как правило, большей дальностью действия в пассивном и активном (при использовании ИК подсветки) режимах работы. На открытой местности приборы эффективны до уровней освещенности, соответствующих 1/4 Луны на небе. При боле низких освещенностях необходима ИК подсветка.

 Стоимость ЭОП поколения  I+ в 4-9 раз выше ЭОП I-го поколения.

 

II поколение  ПНВ. Конструктивно ЭОП II-го поколения отличается от I+ наличием специального усилителя электронов - микроканальной пластины (МКП). Использование МКП обеспечило выпуск малогабаритных и энергоэкономичных ЭОП, пригодных для применения в наголовных ПНВ, то есть очках и монокулярах.

Это уменьшило (по сравнению  с ПНВ первого поколения) массу  и габариты прибора в 1,5-2 раза при  одновременном повышении на такое  же значение дальности действия. Кроме  того, они существенно менее чувствительны  к световым помехам.

Стоимость ПНВ II поколения в несколько раз выше, по сравнению с ПНВ I поколения. Однако эти ПНВ эффективны, когда расстояние от наблюдателя до объекта наблюдения достигает 700 м.

По коэффициенту усиления приборы второго поколения уступают многокамерным ПНВ первого поколения. Да и стоимость последних значительно ниже.

 

II+ поколение  ПНВ. Из-за отсутствия разгонной камеры ЭОП поколения II+ имеют меньший коэффициент усиления яркости, чем ЭОП поколения II. Однако из-за разницы в чувствительности фотокатода в этих ЭОП и особенно высокой чувствительностью в ИК диапазоне, в большинстве случаев в приборы II+ поколения видно на открытой местности лучше, чем в поколение II.

Приборы поколения II и II+ имеют: автоматическую регулировку  яркости, защиту от превышения общего уровня яркости, защиту от боковых и прямых засветок точечными источниками света, хорошее качество изображения без искажений по всему полю зрения.

Эти приборы относятся  к классу профессиональной техники  и до настоящего времени стоят  на вооружении армий большинства западных стран, так как работают при очень низких условиях освещенности, соответствующих звездному небу и звездному небу в легких облаках.

 

III поколение  ПНВ. Отличаются от ЭОП поколения II+ фотокатодом на основе арсенида галлия, с еще большим смещением пика чувствительности фотокатода в большую ИК-область, имеющем ресурс до 10000 часов, что в 3 раза больше, чем ЭОП II-го поколения.

Приборы на базе ЭОП III-го поколения очень хорошо работают в условиях предельно низкой освещенности: сигнал от фотокатода усиливается в 4 раза, что обеспечивает высокое разрешение целей в ПНВ третьего поколения и повышение дальности их действия на 30-40 %.