Прибор ночного видения: принцип работы

Эффективно использовать ночное время суток для решения тактических задач военачальники стремились ещё с древности. Но для этого нужно было обладать глазами филина или кошки, которые видят в темноте. В середине двадцатого века, благодаря развитию науки, такие «глаза» были изобретены. Тем не менее, многие из тех людей, кто пользуется приборами ночного видения, даже не имеют понятия о том, как они работают.

В 1930-х годах появились первые фотоэлектронные приборы. Одно направление их развития привело к изобретению телевидения и современного цифрового видео, а второе – к появлению электронно-оптических преобразователей (ЭОП), ставшими основой для прибора ночного видения.

Детище военных времён

Первые устройства ночного видения появились в годы Второй мировой войны. Они были тяжёлыми и громоздкими, не слишком «дальнобойными» (обеспечивающими видимость максимум на 200 метров). В 1944 году немецким инженерам удалось разработать первый прибор ночного видения для снайперов – такого, каким привыкли его представлять мы, люди XXI века.

При небольшой дальности – порядка 100 метров – этот прибор, под названием Zielgerät 1229 (ZG.1229) «Vampir», вместе с батареями питания весил целых 35 кг! А время работы от полностью заряженной батареи составляло всего лишь 20 минут. Таких устройств было выпущено всего 300 штук. На вооружение ШИСБр (штурмовых бригад) Советской Армии в конце войны тоже поступили опытные приборы ночного видения, такие, как прицел Ц-3.

Работали эти приборы по принципу «стакана Холста» – устройства из двух вложенных друг в друга стаканов, донышки которых покрыты фото­катодом и люминофором. На фотокатод попадало слабое инфракрасного излучение и инициировало высвобождение электронов. Эти электроны попадали на люминофор, который начинал светиться в видимом диапазоне.

Качество изображения было низким, а сам прибор ночного видения – чувствительным к вспышкам света, поэтому мог выйти из строя от обычного прожектора. Отличительной особенностью приборов первого поколения было то, что изображение чётким было только в центре, а по краям передавалось с искажениями и меньшим разрешением. Если же в поле зрения попадали яркие источники света – фонари, светящиеся окна домов и т.п., то они засвечивали сразу всё изображение.

В Советском Союзе основой для прибора ночного видения стала система «Квант», в основе которой лежал принцип инфракрасного излучения. Для работы прибора был необходим отражённый от окружающих объектов инфракрасный свет, а сам ЭОП (электронно-оптический преобразователь) имел фотокатод и люминесцирующий экран. Подобная система, между прочим, применяется до сих пор, хотя уже и конкурирует с другими типами приборов ночного видения.

«Квант» был крупногабаритным и тяжёлым – применять его можно было если только для обеспечения ночного прохождения танковых колонн. Однако к 1944 году сотрудники электротехнического института смогли создать и первый ночной прицел для стрелкового оружия. При использовании внешнего источника инфракрасного излучения система работала неплохо. Но дальность действия была небольшой – даже в 1945 году, даже у самых совершенных прототипов этот показатель не превышал 200 метров.

После Победы наши специалисты смогли сравнить свои разработки с трофейными. Это показало, что хвалёная немецкая аппаратура, с её лучшей в мире оптикой, по своим показателям была практически аналогичной отечественным образцам.

Дальнейшее развитие

В 1960 – 1970 годах на смену приборам ночного видения первого поколения пришли устройства нового принципа действия: с электростатической фокусировкой, достигаемой с помощью специальных линз.

В итоге такая система оказалась исчерпавшей себя, но она давала гораздо лучшее разрешение на выходе. Плюс к тому – не так уж демаскировала бойцов, благодаря отказу от внешней вспомогательной инфракрасной подсветки.

Приборы ночного видения с электростатическими линзами достаточно успешно использовались американскими войсками во время долгой и бесславной войны во Вьетнаме.

Настоящим прорывом в этой области стало изобретение микроканальных пластинок. Название говорит само за себя: МКП представляет собой чрезвычайно узкие стеклянные пластинки с множеством каналов диаметром порядка 10 мкм. А стенки этих каналов покрыты йодидом меди или йодидом цезия.

Они стали усилителями: электрон, влетающий внутрь, выбивает один или несколько вторичных электронов, а те, в свою очередь, тоже выбивают частицы из стенок. Таким образом, на люминофорный слой попадает целая лавина электронов, благодаря которой формируется гораздо более качественное изображение.

Применение микроканальной технологии помогло добиться просто невероятных для тех времён результатов: создать приборы с коэффициентом усиления света в 20 тысяч раз! И при этом гораздо компактнее предыдущих громоздких. Именно технология микроканальных пластинок продвинула приборы ночного видения на гражданку «гражданскую сферу»: их начали использовать кинооператоры, охотники, спасатели, охранные службы.

Технология МКП не стала вершиной развития приборов ночного видения. Учёными были изобретены инновации, позволившие значительно улучшить чувствительность этих устройств. В частности, арсенид-галлиевые фотокатоды. Их применение дало возможность различать объекты при степени освещённости порядка 10-ти микролюкс — то есть, даже в глубокую безлунную ночь и при плотной облачности.

Принципы действия прибора ночного видения простыми словами

Принципов этих два. В основе прибора ночного видения – устройство, способное воспринимать излучение в невидимой части спектра (например, ультрафиолетовое или инфракрасное) и превращать его в видимое для человеческих глаз.

Либо устройство, способное улавливать крайне слабое отражение света и усиливать его до той степени, при которой человеческие глаза могут его воспринять. Эта часть прибора ночного видения называется ЭОПом – электронно-оптическим преобразователем.

Днём все окружающие нас предметы и объекты мы видим по причине того, что солнечный свет падает на поверхность этих предметов и объектов, а затем рассеивается и попадает на чувствительную сетчатку глаз.

В ночное время яркого естественного освещения нет, и человеческие глаза не в силах хорошо разглядеть окружающие предметы. Но, несмотря на отсутствие яркого естественного освещения, в ночное время имеется слабое фоновое инфракрасное излучение с длиной волны менее 1 мкм (микрометра).

Фоновое инфракрасное излучение вызывается рассеянием в атмосфере удалённых источников излучения – звёзд и Луны. Чтобы разглядеть окружающую обстановку ночью, необходимо принять это фоновое излучение, затем многократно усилить его, чтобы оно преобразовалось в видимое для человека изображение, и передать глазам через оптику.

Схема достаточно простая. Однако тут же возникает вопрос: а как будет работать прибор ночного видения в условиях исключительно низкой освещённости, в полной темноте? Например, в абсолютно безлунную ночь, когда звёзды спрятаны за густыми тучами? Или – в шахте, в тоннеле?

Для таких случаев приборы ночного видения снабжаются дополнительной инфракрасной подсветкой. Она создаёт отражение необходимого излучения, которое поможет увидеть обстановку даже в полной кромешной темноте.

Типовой прибор ночного видения состоит из объектива, электронно-оптического преобразователя с блоком питания и окуляра. Отражаемый объектами наблюдения слабый, невидимый глазу свет проходит через объектив и создаёт изображение на входе (катоде) ЭОП, которое электронным способом многократно усиливается и, проецируясь в желто-зелёном свечении на выходном экране преобразователя, передаётся через окуляр на глаза наблюдателя.

Различия между приборами ночного видения и тепловизорами

Нередко в интернете встречаются безграмотные выражения, типа «прибор ночного видения с тепловизором». На самом деле, такого не бывает – это два разных вида оптических устройств.

Тепловизор улавливает не световое излучение, а инфракрасные волны, соответствующие определенному температурному диапазону. Тепловизор реагирует на собственное тепловое излучение объектов наблюдения.

ИК излучение попадает через объектив на сенсор, рабочими элементами которого являются микроболометры. Затем данные с сенсора обрабатываются и подаются на экран. При этом для тепловизора степень освещённости объектов не имеет никакого значения. Он ведь улавливает разницу температур.

Поэтому тепловизор может распознавать объекты даже в полной и кромешной тьме без привлечения дополнительной инфракрасной подсветки. Однако большая влажность воздуха, сильный туман или дождь сразу начинают сильно мешать его работе – висящая в воздухе вода экранирует тепловое излучение объектов, и начинает маскировать их.

Тепловизор – прибор более дорогостоящий, чем прибор ночного вида. Для его создания применяются редкие металлы – например, германий, поэтому в настоящее время ведутся поиски более доступных материалов.

Как устроены приборы ночного видения?

В основу любого прибора ночного видения заложен электронно-оптический преобразователь (ЭОП).

Состоит электронно-оптический преобразователь из объектива, вакуумной трубки, умножителя напряжения, источника питания и экрана.

В составе объектива есть полупрозрачный фотокатод, который улавливает инфракрасное излучение. Под действием эффекта фотоэлектронной эмиссии (внешнего фотоэффекта) вокруг фотокатода появляется облако электронов. Плотность электронов в облаке полностью соответствует распределению света и тени в принимаемом оптическом изображении.

Между фотокатодом и экраном приложено постоянное напряжение величиной 10 – 12 килоВольт (10 – 12 тысяч Вольт). Это напряжение разгоняет электроны от фотокатода, и они попадают на люминесцентный слой, нанесённый на экран. Люминесцентный слой начинает светиться в видимой для человеческого глаза области излучения.

Для того, чтобы получаемое на экране итоговое изображение сделать более чётким, внутри вакуумной трубки размещена фокусирующая система. Данная система способствует формированию более чёткой траектории движения электронов, а, следовательно, и более чёткому изображению на люминесцентном слое.

Излучение от объектов, за которыми наблюдают через прибор ночного видения, первым делом попадает на объектив, и с его помощью проецируется на фотокатод. Это приводит к тому, что на поверхности фотокатода начинается эмиссия электронов. Интенсивность данного процесса на отдельных участках фотокатода зависит от яркости спроецированного изображения объекта.

Как устроен фотокатод?

Изнутри входного окна объектива нанесён прозрачный токопроводящий слой – это электрод фотокатода. На этот электрод осаждают активный слой полупроводникового материала. Полупроводниковый слой может быть сурьмяно-цезиевым, кислородо-серебряно-цезиевым или многощелочном (соединение сурьмы с калием, натрием и цезием).

Фотокатод обладает хорошей фотоэмиссией в видимой и инфракрасной областях спектра. Самой лучшей фотоэмиссией обладает многощелочной фотокатод. Изготавливают его методом осаждения слоя сурьмы с обработкой парами цезия, натрия и калия. Спектральная чувствительность такого фотокатода находится в области значений длины волны от 0,3 мкм до 0,9 мкм.

Частицы, выброшенные с поверхности фотокатода, попадают в усилитель. В современных приборах эту роль, как уже было указано выше, выполняют МКП – микроканальные пластины. В её каналах количество электронов, летящих к люминофору, увеличивается в сотни тысяч раз. Затем эти частицы попадают на люминофорный экран, где и формируют изображение.

Самые главные характеристики люминесцентного экрана – это светоотдача и чёткость.

Для получения высокой светоотдачи экран покрывается люминофором из водной суспензии. Поверх люминофорного покрытия наносится слой органического лака. Затем, методом испарения в вакууме, напыляется алюминиевая плёнка. После чего вся система нагревается до 400 градусов Цельсия, в результате чего органический лак сгорает.

Толщина алюминиевой плёнки находится в диапазоне от 120 до 200 нм (нанометров). Служит алюминиевая плёнка для того, чтобы свечение люминофора, направленное в сторону фотокатода (около 50%) качественно отразилось и дало излучение в сторону окуляра. Этим достигается высокая светоотдача экрана.

Алюминиевая плёнка задерживает 2-3 процента быстрых электронов при ускоряющем напряжении 15 кВ. Однако выигрыш, который получается при использовании алюминиевой плёнки, – гораздо выше.

В современных нам приборах ночного видения коэффициент усиления света может достигать величины 100 тысяч (!), при угле зрения в 10 – 25 градусов.

Такого невероятно высокого коэффициента усиления света удалось получить с применением микроканальных пластин, а высокую разрешающую способность – получить при помощи волоконно-оптических пластин.

Итоговое изображение, наблюдаемое в окуляре прибора ночного видения, как правило, имеет зеленоватый оттенок. Зелёная гамма выбрана по двум причинам: во-первых, человеческий глаз наиболее восприимчив к волнам именно такой длины, а, во-вторых, она меньше других утомляет глаза при длительном воздействии.

Поколения приборов ночного видения

Существует условное деление приборов ночного видения на несколько поколений. А именно, это 5 поколений электронно-оптических преобразователей (ЭОП), характеризующихся различными особенностями, инновациями и технологическими усовершенствованиями.

• Первое поколение (то, про которое шла речь в экскурсе в историю, в начале статьи – изображение размыто по краям, а к центру имеет более высокую чёткость);
• Второе поколение (когда изобрели и начали применять МКП – микроканальную пластину);
• Третье поколение (приборы, в которых используются фотокатоды на основе арсенида галлия – GaAs);

• Четвёртое поколение (с внедрением новых технологий, позволивших увеличить дальность обнаружения и разрешающую способность, с применением матриц ПЗС, встраиваемых внутрь ЭОП, с удалённой передачей изображения от сенсорного блока (Объектив+ЭОП+ПЗС) на дисплей по проводному или по радио каналу);
• Пятое поколение (встраивание в ЭОП ПЗС, дополненные процессорами обработки изображения, приёмопередатчика, схемы управления питанием).

Кроме этого, имеются приборы поколения Ⅰ+, Ⅱ+. А именно, в приборах поколения Ⅰ+ на входе или выходе ЭОП устанавливается оптоволоконная шайба, за счёт которой удаётся увеличить разрешение и устранить характерное для ЭОП первого поколения размытие по краям.

Существуют также Digital (цифровые) приборы ночного видения – работающие полностью на основе ПЗС-матрицы (CCD), а не электронно-оптического преобразователя. При желании эту CCD-матрицу можно разглядеть сквозь линзу объектива.

Так как ПЗС-матрица является полупроводниковым устройством, и больше похожа на фоточувствительную память, то для работы совместно с нею применяются специализированные контроллеры и процессоры.

Такие цифровые приборы относятся к четвёртому и пятому поколениям. Приборы на основе ПЗС-матриц очень похожи на цифровые видеокамеры. Изображение у приборов ночного видения на базе ПЗС-матриц – чёрно-белое, и даже практически уже избавлено от «фирменного» зеленоватого оттенка, который характерен для всех приборов на основе ЭОП.

Изображения с ПЗС-матрицы цифрового прибора ночного видения обрабатываются процессором и выводятся на миниатюрный LCD-экран, который встроен в сам прибор ночного видения. Эти оцифрованные изображения можно не только просто смотреть, но и записывать, и сохранять в память, и выводить на внешние дисплеи, и передавать по вай-фай.

Цифровые приборы ночного видения не боятся ярких источников света – засветка от их воздействия им абсолютно не страшна.

Сегодня вовсе не обязательно быть военным, чтобы использовать прибор ночного видения. На рынке представлены монокулярные и бинокулярные устройства. Монокуляры значительно легче, дешевле и компактнее, но при помощи бинокулярного устройства легче прикинуть расстояние до объекта, да и дальность наблюдения у него побольше.

Производителей приборов ночного видения существует немало. Лидирующим является компания Yukon Advanced Optics Worldwid (торговая марка Pulsar).