Устройство приборов ночного видения

05.08.2014
   90%  информации об окружающем мире человек воспринимает с помощью зрения. Глаза  можно было бы считать идеальным оптическим биоинструментом, если бы не  их ограниченная  спектральная  чувствительность . Если весь оптический  диапазон простирается на длинах волн  от  0.001 мкм до 1000 мкм, то человеческий глаз, при определенном уровне освещенности, способен воспринять  только  участок  от 0.38 мкм до 0.78 мкм. При уровне освещенности менее 0.01 люкс (почти полная темнота), человеческий глаз различает только крупные объекты на очень маленьком расстоянии. 
    Стремительное развитие военно-промышленного комплекса в 30-х 50-х годах прошлого века поставило перед учеными задачу создания оптических приборов, способных усилить и перевести в видимый диапазон излучение, недоступное восприятию человеческим глазом. Первые изобретенные приборы ночного видения не могли похвастаться выдающимися характеристиками и имели крупные габариты.


 
   Дальнейшие разработки дали возможность заметно улучшить основные параметры приборов ночного видения. 


 
   Принцип действия современных приборов ночного видения (ПНВ) основывается на внешнем и внутреннем фотоэффекте. Внешний фотоэффект заключается в том, что под воздействием квантов оптического диапазона из твердого тела испускаются электроны.


 

   Этот эффект явился основой работы электронно-оптических преобразователей (ЭОП), которыми оснащены современные приборы ночного видения. Эти преобразователи представляют собой вакуумный фотоэлектронный прибор, способный усиливать слабый свет видимого глазу диапазона в тысячи раз. Кроме этого, он преобразует в видимое и усиливает  рентгеновское излучение, а также  ультрафиолетовое и инфракрасное.


 
   Внутренний фотоэффект заключается в том, что под воздействием квантов оптического диапазона происходит изменение электропроводности полупроводников. Этот эффект лег в основу работы фотоприемных устройств. Сигналы, вырабатываемые ими, возникают под действием излучения объектов. Последующая электронная обработка сигнала создает видимое глазом тепловое изображение. На тепловидении основано действие ПЗС (приборов с зарядовой связью). Это многоэлементные самосканирующиеся матрицы, которые преобразуют изображение сначала в последовательные электрические сигналы, а потом в стандартный видеосигнал. 
Все существующие современные приборы ночного видения делятся на  те, которые  работают на основе электронно-оптических преобразователях и на приборы, которые используют эффект фотопроводимости. Если говорить о существующих типах приборов ПНВ, то их можно разделить на пассивные, - работающие при естественном ночном освещении, активные, работающие с подсветкой и активно-импульсные, работающие в стробирующем режиме фотокатода с подсветкой. По принципу работы приборы ночного видения можно разделить на усиливающие и преобразующие.

 
   Рассмотрим более детально принцип действия современных приборов ночного видения. Конструкция ПНВ на основе электронно-оптического преобразователя состоит из телескопической оптической системы и встроенного в нее преобразователя. Через объектив на фотокатоде преобразователя создается слабоосвещенное изображение объекта. Фотокатод – полупроводниковый слой внутренней поверхности входного окна корпуса электронно-оптического преобразователя. Он эмитирует электроны в вакуум. При этом, число электронов, эмитированных из каждой точки, пропорционально спроецированной объективом яркости в данной точке изображения. Поток электронов, несущий электронное изображение, с помощью электронно-оптической системы ускоряется и фокусируется на катодолюминесцентный экран. Благодаря преобразованию фотонов в электроны и ускорению, достигается возможность усиления яркости изображения. Поток электронов, ускоренный и сфокусированный, при попадании на люминесцентный экран приводит к его свечению в доступной человеческому глазу области спектра. Современный ПНВ на основе электронно-оптического преобразователя даёт отчетливое изображения, даже в безлунную ночь, поскольку яркость усиливается в десятки тысяч раз. Кроме усиления происходит и преобразование изображения. Оно достигается в результате разницы спектральных характеристик чувствительности фотокатодов и человеческого глаза. Современные фотокатоды позволяют успешно различить отражения света от искусственных и естественных объектов. Поэтому то, что неразличимо в темноте для человеческого глаза, отчетливо видно в прибор ночного видения. 

 
   Конструкции всех ПНВ оптимизированы, согласно их назначению. Основными типами (по назначению) ПНВ являются приборы наблюдения, очки, прицелы и документирующие изображение приборы. Их стоимость определяется, как правило, используемыми в них ЭОП. Однокамерные электронно-оптические преобразователи имеют стеклянный вакуумный корпус с плоским входным и выходным окном. Они применяются в большинстве ПНВ и усиливают яркость в 1000 раз. Но при этом, высокая разрешающая способность характерна для однокамерных ЭОП только в центре изображения. При удалении от центра четкость изображения значительно падает. Это отрицательно влияет на информативность наблюдения. Однако, доступная цена делает приборы ночного видения с однокамерными ЭОП привлекательными для  массового покупателя. Однокамерные ЭОП относятся к «нулевому поколению». 

 
   Однокамерные электронно-оптические преобразователи, имеющие волоконно-оптические пластины на входе и выходе, использующие встроенный ИП (источник питания) и имеющие микроканальный усилитель яркости относятся ко «второму поколению» ЭОП. Они усиливают яркость в 30-50 тысяч раз. При этом, им характерно высокая четкость изображения в любой точке поля и они защищены от ярких локальных засветок. Естественно, что ЭОП «второго поколения» имеют более высокую цену. 

 
   Миниатюрные ЭОП с фотокатодами с повышенной эффективностью относят к «третьему поколению» преобразователей. Они имеют «плоскую» электронно-оптическую систему. Высокая цена обусловила применение этих ЭОП в  спецтехнике.  А стоить они могут уже более 10 тысяч долларов. Для коммерческих целей используются приборы ночного видения с ЭОП, с условным определением «2+ поколения». 
Некоторыми фирмами производителями разработаны и уже выпускаются приборы ночного видения «четвертого поколения». 


 
 В некоторых случаях наблюдение с ПНВ требует документирования (видео запись или фотография). С этой целью к прибору вместо окуляра присоединяется фото или видеокамера. Более совершенной является система, при которой изображение с ПНВ передается с помощью фоконов (волоконно-оптических конусов) на ПЗС – матрицу. Там полученное изображение преобразуется в аналоговую или цифровую форму. 

 
   Использование ПНВ нашло широкое применение не только в военных подразделениях. С их помощью проводятся различные спасательные операции, их широко используют охотники и туристы, водители автомобилей и катеров.   Основным предназначением приборов ночного видения с ЭОП является наблюдение ночью за удаленными объектами. 

 

   Электронно-оптический преобразователь для ультра-фиолетового света,  дает уникальную возможность увидеть то, что принципиально невозможно увидеть глазами.   Электронно-оптический преобразователь для ультра-фиолетового света,  дает уникальную возможность увидеть то, что принципиально невозможно увидеть глазами.   Электронно-оптический преобразователь для ультра-фиолетового света,  дает уникальную возможность увидеть то, что принципиально невозможно увидеть глазами.   Электронно-оптический преобразователь для ультра-фиолетового света,  дает уникальную возможность увидеть то, что принципиально невозможно увидеть глазами.
   
 Чувствительность УФ ЭОП заключается в диапазоне 0.1 мкм-0.3 мкм. Они широко применяются экологами, так как с их помощью можно наблюдать за свечением объектов с повышенной радиоактивностью, за выхлопом токсичных газов, за состоянием озоновых дыр. В современной криминалистике УФ ЭОП успешно применяют для выявления всевозможных подделок. Залитые непрозрачной жидкостью документы исследуются криминалистами при помощи ЭОП, чувствительностью 1.2 мкм-1.3 мкм. Эти преобразователи оснащены кислородно-серебряно-цезиевыми фотокатодами, делающими прозрачным пятно в ИК диапазоне. 

 
   ЭОП, которые имеют вместо катода, так называемый, рентгенолюминофор-прослойку-фотокатод, дают возможность визуализировать рентгеновское излучение и широко применяются в медицинской рентгенодиагностике. 


 
   Огромное количество различных типов ПНВ с современной электроникой значительно расширяет возможности видения при низкой освещенности и в недоступных глазу диапазонах. 


 
   Здесь следует вспомнить о ПНВ, работающих по принципу внутреннего фотоэффекта и создающих видимое глазу тепловое изображение.  


 
     Этот эффект лег в основу создания тепловизоров. Они нашли широкое применение на промышленных предприятиях (тепловой контроль состояния объектов), в современном строительстве (оценка теплоизоляционных свойств), в медицине (диагностика заболеваний). Широко применяются тепловизоры вооруженными силами различных государств. С их помощью удается обнаруживать теплоконтрастные цели в любое время суток и вопреки оптическим маскировкам. Тепловизор используется военными не только как разведывательный прибор. Он стал неотъемлемым элементом прицельных комплексов авиации и бронетехники.