Что относится к приборам ночного видения
Приборы ночного видения (ПНВ)
Устройство и принцип работы ПНВ
Приборы ночного видения имеются в арсенале не только армии, но и охотников, рыболовов, спасателей, охранных подразделений и спецслужб.
Также приборы ночного видения находят применение в сфере изучения ночной жизни природы.
На фото – охотничий прицел Dedal 164 Night Vision со встроенным устройством ночного видения и активной ИК-подсветкой.
Принципы ночного видения.
В дневное время суток окружающие нас предметы мы видим по причине того, что солнечный свет падает на поверхность предметов и объектов, а затем рассеивается и попадает на чувствительную сетчатку глаза.
В ночное время естественного освещения нет, и человеческий глаз не в силах хорошо разглядеть окружающие предметы. Несмотря на отсутствие естественного освещения в ночное время присутствует слабое фоновое инфракрасное излучение с длиной волны менее 1 мкм (микрометра).
Фоновое инфракрасное излучение вызвано рассеянием в облаках и других неоднородностях атмосферы удалённых источников излучения, таких как звёзд, Луны и пр. Чтобы разглядеть окружающую обстановку ночью необходимо принять это фоновое излучение, затем усилить и преобразовать в видимое изображение.
Для работы в шахтах, закрытых помещениях и тоннелях, где естественного фонового излучения нет, применяется активная инфракрасная подсветка.
Как устроены приборы ночного видения?
В основе любого прибора ночного видения лежит электронно-оптический преобразователь (ЭОП).
Электронно-оптический преобразователь состоит из объектива, вакуумной трубки, умножителя напряжения, источника питания и экрана. Вот здесь можно ознакомиться с устройством электронно-оптического преобразователя на конкретном примере.
Объектив содержит в своём составе 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 кВ (10000 – 12000 Вольт). Это напряжение разгоняет электроны от фотокатода, и они попадают на люминесцентный слой, который нанесён на экран. Люминесцентный слой начинает светиться в видимой для человеческого глаза области излучения.
Для того чтобы получаемое на экране изображение было более чётким, внутри вакуумной трубки размещена фокусирующая система. Эта система способствует формированию более чёткой траектории движения электронов, а, следовательно, и более чёткому изображению на люминесцентном слое.
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-цезиевый или многощелочной (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.
Требования к экрану.
Самая главная характеристика люминесцентного экрана – это светоотдача и чёткость.
Для получения высокой светоотдачи экран покрывают люминофором из водной суспензии. Поверх люминофорного покрытия наносят слой органического лака. Затем методом испарения в вакууме напыляют алюминиевую плёнку. После этого всю систему нагревают до 400°C, в результате чего органический лак сгорает.
Толщина алюминиевой плёнки 120 – 200 нм (нанометров). Служит алюминиевая плёнка для того, чтобы свечение люминофора, направленное в сторону фотокатода (около 50%) отразилось и излучало в сторону окуляра.
Этим достигается высокая светоотдача экрана.
Алюминиевая плёнка задерживает 2-3% быстрых электронов при ускоряющем напряжении 15 кВ. Выигрыш, который получается при использовании алюминиевой плёнки гораздо выше.
В современных приборах ночного видения коэффициент усиления света может достигать величины 100000 при угле зрения в 10 – 25 градусов.
Невероятно высокого коэффициента усиления света удалось получить с применением микроканальных пластин, а высокую разрешающую способность при помощи волоконно-оптических пластин.
Изображение, наблюдаемое в окуляре прибора ночного видения, как правило, имеет зеленоватый оттенок.
Существует несколько поколений ЭОП, характеризующихся различными особенностями, технологическими уловками и усовершенствованиями.
Поколение Ⅰ (изображение размыто по краям, а к центру имеет более высокую чёткость);
Поколение Ⅱ (применяется микроканальная пластина – МКП.);
Поколение Ⅲ (используется фотокатод на основе арсенида галлия – GaAs);
Поколение Ⅳ (применены новые технологии, позволившие увеличить дальность обнаружения и разрешающую способность, применение матриц ПЗС, встраивание ПЗС-матриц внутрь ЭОП, удалённая передача изображения от сенсорного блока (Объектив+ЭОП+ПЗС) на дисплей по проводному или радиоканалу);
Поколение Ⅴ (встраивание в ЭОП ПЗС, а также процессоров обработки изображения, приёмопередатчика, схемы управления питанием и т.д).
Кроме этого, есть приборы поколения Ⅰ+, Ⅱ+. Так, 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 и ПНВ на основе ПЗС-матрицы (CCD), а не электронно-оптического преобразователя.
При желании 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 ней используются специализированные контроллеры и процессоры.
Далее на фото показан объектив и печатная плата фоточувствительной матрицы от ПНВ фирмы Pulsar. Как видим, на печатных платах установлено множество цифровых микросхем.
Такие приборы относятся к Ⅳ и Ⅴ поколениям. Приборы на основе ПЗС-матриц больше похожи на цифровую видеокамеру. Их относят к поколению Digital. Изображение у ПНВ на базе ПЗС-матриц чёрно-белое и не имеет зеленоватого оттенка, как у приборов на основе ЭОП.
Изображение с ПЗС-матрицы обрабатывается процессором и выводится на миниатюрный LCD-экран, который встроен в сам прибор ночного видения. Оцифрованное изображение можно записывать и сохранять в память, выводить на внешний монитор.
ПНВ с ПЗС-матрицей можно использовать в светлое время суток – засветка им не страшна. Минусом таких приборов является то, что для работы CCD-матрицы нужна активная инфракрасная подсветка. Например, в модели PULSAR Reflescope Digisight N770 подсветка реализована на базе лазерного диода с длиной излучаемой волны 780. 915 нм.
Прибор ночного видения
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.
Содержание
Типы ПНВ
Варианты применения
Устройство ПНВ
Наблюдательный ПНВ состоит из следующих основных частей: объектива, приёмника излучения, усилителя, устройства отображения изображения. Во многих современных ПНВ роль приёмника излучения, усилителя средства отображения усиленного изображения выполняет электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Оператор рассматривает изображение на экране ЭОП через окуляр. В качестве приёмника может использоваться ПЗС-матрица. В этом случае оператор наблюдает изображение на экране монитора.
История
М.В. Ломоносов создал прибор «для сгущения света», названный им «ночезрительной трубой», предназначенный для рассмотрения на море удалённых предметов в ночное время или, как говорится в его статье «Физическая задача о ночезрительной трубе» (1758) — служившую возможности «различать в ночное время скалы и корабли».
Активные ПНВ нулевого поколения
Разработаны в Германии во время Второй мировой войны. Применение союзниками по антигитлеровской коалиции во всех возрастающих объемах авиации для борьбы с немецкими танками (особенно после открытия второго фронта в Европе) свело возможность передвижения танковых частей днем практически к нулю. Остро встал вопрос об оснащении танков приборами ночного видения, работа над которыми велась фирмой AEG с 1936 года. Такие устройства требовали активной подсветки инфракрасными прожекторами. Основной фотоэлемент — электронно-оптический преобразователь с фотокатодом, который позволял изображать обстановку, подсвеченную ИК-светом, в окуляре в видимом спектре. Недостатком являлись отсутствие защиты от яркого света (защиты от вспышки) и демаскировка ИК-прожекторами.
Но чтобы вести ночью и огонь, требовался более мощный осветитель. Для этого на полугусеничном бронетранспортере Sd Kfz 250/20 был установлен инфракрасный прожектор Uhu мощностью 6 кВт, обеспечивавший работу прибора ночного видения на дистанции 700 метров. Испытания его прошли удачно, и фирма Leitz-Wetzlar изготовила 800 комплектов оптики для ночных приборов.
В 1944 году была выпущена опытная партия из 300 инфракрасных прицелов Zielgerat 1229 (ZG.1229) «Vampir», которые устанавливались на автоматы МР-44/1. Вес прицела вместе с аккумулятором достигал 35 кг, дальность не превышала ста метров, время работы — двадцать минут. Тем не менее немцы активно использовали эти приборы во время ночных боёв.
Основа технологии — фотоумножители, поставленные между фотокатодом и окуляром, что позволяло добиться многократного усиления видимого ИК света с переводом последнего в видимый диапазон.
Применена микроканальная технология, что позволило избавиться от паразитной засветки. Яркая точка на изображении оставалась точкой и не засвечивала соседние каналы.
Применены фотокатоды на арсениде галлия, что позволило ещё больше увеличить коэффициент усиления света и уменьшить габариты приборов.
Приборы ночного видения в традиционном и дневно-ночном исполнении
Область применения приборов ночного видения и их возможности
Типичные ПНВ для систем охраны и безопасности
Рассмотрим сначала портативные ПНВ. К ним относятся ночные монокуляры (НМ) и очки ночного видения (ОНВ).
Ночные монокуляры
НМ при наблюдении может удерживаться в руке или крепиться на шлеме либо на специальном универсальном ременном оголовье. По желанию заказчика предусмотрена возможность закрепления НМ на шлемах (касках) различных конструкций с помощью специального универсального крепления.
Рис. 1. НМ «Альфа-90223» и насаженный на его корпус с помощью крепления «ласточкин хвост» ИК-осветитель «Альфа-8111-2» (справа)
Рис. 2. Сопряжение НМ «Альфа-9022» с видеокамерой с помощью специального адаптера
Рис. 3. Светодиодный ИК-осветитель «Альфа-8111-1»
Рис. 4. Лазерный целеуказатель «Альфа-7115»
Рис. 5. Ночной прицельный комплекс «Альфа-1962» в рабочем положении
Рис. 6. Псевдобинокулярные ОНВ ПН-14К
Очки ночного видения
Различают бинокулярные и псевдобинокулярные ОНВ (табл. 1) [1]. Бинокулярные ОНВ состоят из двух идентичных ночных каналов под правый и левый глаз оператора. Каждый канал состоит из объектива, ЭОП и окуляра. В ОНВ обеспечивается плавная регулировка расстояния между зрачками глаз (базы глаз) в пределах 52–72 мм. Бинокулярные ОНВ формируют стереоскопическое изображение. Это удобно для ночного вождения транспортных средств. Однако наибольшее распространение получили псевдобинокулярные ОНВ, в особенности для обеспечения охраны и безопасности. В них используется один объектив и один ЭОП. С экрана последнего изображение разводится на оба глаза с помощью псевдобинокулярного микроскопа. По сравнению с бинокулярными такие ОНВ обладают минимальной массой и стоимостью. Примером псевдобинокулярных ОНВ может служить модель ПН-14К (рис. 6) [3]. Если вместо объектива с фокусным расстоянием 27 мм поставить зеркально-линзовый объектив с фокусным расстоянием 100 мм, то данные ОНВ преобразуются в ночной бинокль (рис. 7) [3].
Рис. 7. Псевдобинокулярные ОНВ ПН-14К с зеркально-линзовым объективом
Примечание: * — низкопрофильные, ** — псевдобинокулярные, *** — в виде бинокля после замены объектива с фокусным расстоянием 27 мм на зеркально-линзовый с фокусным расстоянием 100 мм.
Общим недостатком наиболее распространенных традиционных ОНВ являются их значительные продольные габариты. Из-за них возникает большой опрокидывающий момент. Он создает нагрузку на шейные и лицевые мышцы оператора, вызывая утомление. Поэтому усилия разработчиков направлены на создание низкопрофильных («плоских») ОНВ с минимальным продольным габаритом. Типичными их представителями являются ОНВ GN-2 фирмы Simrad (Норвегия) [4] и ОНВ Lucie фирмы ANGENIEUX (Франция) [5]. Расстояние от первой поверхности ОНВ до зрачка глаза не превышает 80 мм, в то время как для традиционных ОНВ этот габарит колеблется от 135 до 200 мм. В России созданы низкопрофильные ОНВ 1ПН105 (рис. 8) [6].
Рис. 8. Низкопрофильные ОНВ 1ПН-105
Рис. 9. Дневно-ночные ОНВ AN/GVS-21
Бинокль «день–ночь»
Бинокль «день–ночь» БДН-9С (рис. 10) [7] предназначен для круглосуточного ведения визуальной разведки местности, обнаружения и распознавания целей в дневных условиях и в условиях ЕНО. Дневной светосильный канал БДН построен по классической стереоскопической схеме. В ночном канале БДН применен малогабаритный герметизированный ЭОП поколения 2+ с прямым переносом изображения, с микроканальным усилением и встроенным высоковольтным источником питания. Усиленное по яркости изображение предметов на экране ЭОП рассматривается далее наблюдателем с помощью оптической системы, состоящей из проекционного объектива, отражателя, оборачивающих линзовых систем и окулярных блоков. Включение и выключение ночного канала БДН производится поворотом ручки переключения режимов работы. Дальномерная сетка БДН позволяет определять расстояние до объектов при работе как дневным, так и ночным каналами. Характеристики БДН-9С приведены в таблице 2.
Рис. 10. Бинокль «день–ночь», модель БДН-9
Активно-импульсные приборы ночного видения
Все указанные выше ПНВ не могут работать при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад, пыльная буря и др.) и при воздействии мощных световых помех (фары встречного транспорта, излучение прожекторов и др.). Для преодоления этого недостатка были созданы лазерные активно-импульсные приборы ночного видения (АИ ПНВ). Их принцип действия основан на импульсном подсвете наблюдаемого объекта излучением импульсного лазерного осветителя и синхронизированным с ним импульсным управлением (стробированием) ЭОП [1]. АИ ПНВ могут работать в пассивном (без подсвета) режиме, в активно-непрерывном режиме (работает осветитель, ЭОП не стробируется) и в активно-импульсном (АИ) режиме (работает осветитель, ЭОП стробируется). Характеристики АИ ПНВ моделей ННП-130 («НИИ «Полюс» [9]) и «Титан 720» («Медитон» [10]) приведены в таблице 3. Внешне АИ ПНВ выглядят так же, как ночной бинокль с осветителем. Благодаря высокой степени защиты от световых помех АИ ПНВ могут работать даже в дневных условиях (в АИ режиме).
| Характеристики | Модель | ||
| ННП-130 | Титан 720 | ||
| Dрас., м | Пассивный режим | 300–400 | 500 |
| АИ режим | 800 | 1000 | |
| 2?, град | Пассивный режим | 8 | 15° |
| АИ режим | 2?1 | 4,8?2,4 | |
| Напряжение питания, В | 10–14 | 9–12 | |
| Энергопотребление, Вт | 3,5 | 14,4 | |
| Вес, кг | 3 | 2 | |
| Габариты, мм | 300?160?110 | 330?170?85 | |
Основные результаты и выводы
На основании изложенного выше можно утверждать, что в настоящее время существуют достаточно эффективные ПНВ для целей охраны и безопасности. Возможно обеспечение с их помощью даже круглосуточной работы, а в случае применения АИ ПНВ — еще и работы при пониженной прозрачности атмосферы. Это позволяет надежно обеспечить охрану от злоумышленников в широком диапазоне изменения внешних условий. Применение таких ПНВ целесообразно как для работников охраны, так и для бойцов спецподразделений, решающих сложные боевые задачи в ограниченных условиях видимости.
Возможные перспективы совершенствования
Другим перспективным направлением совершенствования ПНВ является использование для их производства 3D-печати [11]. На ее основе возможно создание микроминиатюрных лазерных целеуказателей, ИК-осветителей, а также твердотельных преобразователей изображения взамен традиционных ЭОП. Для ПНВ использование 3D-печати позволит создать сверхминиатюрные электронные схемы с высоким быстродействием, а также первичные источники питания в интегральном исполнении. В свою очередь, это приведет к сокращению массы, габаритов и энергопотребления ПНВ, а также к повышению их надежности. Уровень развития 3D-печати, достигнутый за последнее время, позволяет рассчитывать на дальнейшее совершенствование ПНВ уже в ближайшие годы.
Приборы ночного видения для охоты — история, устройство, применение и правила выбора
Прибор ночного видения незаменим на охоте. Он позволяет ориентироваться, выслеживать добычу, и целиться при слабом свете луны и звезд. Возможность видеть в темноте — дополнительное преимущество, еще один шанс добыть желанный трофей.
Есть несколько вариантов конструкции: монокуляры, бинокли, очки и прицелы. Несмотря на отличия, принцип действия неизменен — все приборы ночного видения преобразуют слабый, неразличимый свет в видимое изображение.
История создания
Приборы ночного видения появились в Германии, в середине Второй мировой войны. Первые устройства были громоздкими, действовали на расстоянии до 150 метров и не могли обойтись без подсветки инфракрасным прожектором. Они устанавливались на танках и помогали передвижению колонн. К концу войны появились более компактные устройства — мобильные ночные прицелы. Они работали на дистанциях до 100 метров и весили, вместе с батареями для осветителя, более 30 кг.
Сейчас ПНВ меньше размером и эффективнее. Они сложнее предшественников и используют различные технологиям. В зависимости от типа, современные ПНВ могут:
Технологии постоянно развиваются, но пока что более распространены приборы ночного видения на основе ЭОП. Они достаточно надежны, просты в эксплуатации и дают качественное изображение.
Устройство и принцип действия
Принцип работы обычного ПНВ с электронно-оптическим преобразователем прост. Устройство усиливает яркость объекта в тысячи раз. Это может быть естественное освещение или ИК- подсветка, которая преобразуется в видимый спектр.
Прибор состоит из одного или двух объективов, окуляров и ЭОП, расположенного между ними. Именно электронно-оптический преобразователь позволяет видеть в темноте. Это «сердце» прибора ночного видения, его основа.
Как работает ЭОП
Если не вдаваться в технические детали, ЭОП — это вакуумный фотоэлектронный прибор — радиолампа, сродни кинескопу старого телевизора, но компактнее. Он состоит из фотокатода, умножителя электронных потоков и анода, покрытого люминофором, на котором появляется изображение наблюдаемого объекта, как на рисунке.
Для работы требуется высоковольтный источник питания. Он преобразует низкое напряжение аккумулятора в необходимые прибору 4-5 тысяч вольт.
Из колбы ЭОПа там, где находятся фотокатод и люминофор, откачивают воздух. Вакуум необходим, чтобы молекулы воздуха не мешали движению электронов. Вот как все это работает:
Цвет картинки — зеленый. Это связано с технологией изготовления люминофора, его свойствами и составом. Кроме того, зеленый неплохо воспринимается глазом, меньше утомляет. Кстати, в более новых приборах последних поколений изображение черно-белое, более высокой детализации.
Поколения ЭОП
В зависимости от применяемых ЭОП, специалисты делят приборы ночного видения на поколения. Это условная классификация, связанный с развитием технологий. Принцип действия остается неизменным — усиление слабого света от слабых источников.
Сейчас есть четыре поколения ЭОП. Каждое из них, за исключением нулевого, развивается и совершенствуется независимо. В результате этого модели с улучшенными характеристиками базового поколения получают знак «плюс».
Нулевое поколение
Самые первые ЭОП. В их основе так называемый стакан Холста. Представляют собой два полых цилиндра — стакана, вставленных друг в друга. На один нанесен фотокатод, на второй — люминофор. Изображение передается напрямую, без усиления. Устройство имеет низкую чувствительность, не работает без подсветки и сейчас не применяется.
Производство ЭОП нулевого поколения прекращено, но образцы еще можно найти. Существует даже конструктор для самостоятельной сборки ПНВ для подростков.
Поколение I и I+
Доступный по стоимости тип ПНВ. Рассчитан на дальность в пределах 100 метров, при наличии слабого освещения или инфракрасной подсветки. Имеет ряд недостатков:
В поколении I+ большинство недостатков исправлено. Применение волоконно-оптических пластин (ВОП) позволило почти полностью убрать размытость по краям. Современные модели дают картинку с одинаковым разрешением в центре и периферии, не боятся точечных засветок, а дистанция работы увеличена до 150 метров. Их корпуса изготовлены из металлокерамики и не боятся отдачи.
Поколение II и II +
Второе поколение использует для ускорения микроканальную пластину (МКП), которая увеличивает поток электронов. Усиление изображения в этих ПНВ выполняется в два этапа — сначала в разгонной камере, затем в МКП.
С развитием технологии расстояние распознавания объектов увеличилось до 400-600 метров, а на дистанции 200-300 можно вести прицельный огонь. ЭОП второго поколения имеют большую длину. Поэтому они устанавливаются в прицелы ночного видения, чаще чем в бинокли.
В ЭОП поколения II+ нет разгонной камеры. За счет этого габариты стали меньше, а четкость картинки выше. Устройство имеет меньший коэффициент усиления, но более чувствительный фотокатод. Он обеспечивает лучшую видимость на открытой местности. ИК-подсветка имеет длину волны, незаметную для зверя. Она необходима только в полной темноте, а при низком уровне освещенности преобразователь неплохо работает в пассивном режиме.
Поколение III и III+
Конструкция ОЭП третьего поколения мало отличается от второго. Главная особенность — фотокатод из арсенида галлия. Он создает чёткую, хорошо проработанную картинку на расстоянии до 500 метров при очень низкой освещенности, например, безлунной ночью, при свете звезд, в пасмурную погоду.
Приборы третьего поколения почти не нуждается в дополнительном источнике света. Это особенно ценится военными, которых ИК-подсветка демаскирует. Охотникам эти приборы не всегда подходят — на входе нет оптоволоконной пластины, защищающей от боковой засветки.
Защита от бокового света появилась у поколения III+, причём яркость изображения снижается на том участке, где расположен яркий источник. Пользоваться приборами можно даже днем, но качество картинки будет значительно хуже. Это довольно дорогие изделия, для производства которых нужно 300 часов работы в вакуумной камере. Серийно изготавливают ПНВ поколения III+ лишь 3 завода в мире, один из которых — российское НПО Катод.
Поколение IV
ЭОП IV поколения уже разработаны, существуют но практически недоступны на рынке. Они используют фотокатоды из арсенида галлия и сложную систему синхронизации напряжения.
Другие типы ПНВ
Существуют приборы ночного видения, в которых совсем нет электронно-оптического преобразователя:
Цифровые ПНВ удобны в использовании, имеют массу настроек, обеспечивают качественную картинку и ночью, и днем. Их главные недостатки – высокое энергопотребление и боязнь низких температур.
На что обратить внимание
Приборы ночного видения иногда выбирают по поколению, но это неправильно. Не стоит покупать дорогое устройство без учета условий, в которых оно применяется. Например, ПНВ 3 поколения боится боковой засветки и не подойдет для охоты вблизи трасс или жилых мест. Для этого лучше использовать устройства II +.
Нужно учитывать условия охоты и дистанцию стрельбы. Также стоит обратить внимание на потребительские характеристики:
Остальные характеристики — вес и габариты прибора, ресурс его работы и наличие настроек каждый выбирает сам, на основе личных предпочтений и требований. Сейчас у охотников популярны недорогие модели первого поколения с достойными характеристиками и более универсальные II+. Новые, но довольно дорогие приборы третьего поколения пока что больше подходят для силовиков и охранных структур.