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.
Приборы видения в темноте
Используются при организации наблюдения в темных помещениях или на местности в ночное время и в условиях недостаточной освещенности. В условиях практически полного отсутствия освещения они позволяют с высокой эффективностью решать задачи по борьбе с вооруженными преступниками, сбору оперативной информации, охране месторасположения оперативных подразделений, активному проведению операций, наблюдению и др.
В приборах ночного видения (ПНВ) применяется усилитель яркости изображения, в котором используется микроканальная пластина, выполняющая функцию ограничителя тока и уменьшающая расплывание изображения. Эта же пластина осуществляет функцию умножения электронов. После микроканальной пластины, расположенной между фотокатодом и фосфорным экраном, электроны попадают в выходное окно, состоящее из множества оптических волокон, а затем в окуляр. В настоящее время в усилителях изображения применяются фотокатоды из арсенида галлия, которые обеспечивают значительно более высокие характеристики и контрастность получаемого изображения.
По способу получения изображения наблюдаемого объекта ПНВ можно разделить на три типа.
В первом типе приборов объект наблюдения «подсвечивается» с помощью искусственного источника ИК-излучения. Отраженное от объекта излучение принимается оптической системой прибора и с помощью электронно-оптического устройства усиливается и преобразуется в видимое изображение. В качестве источника подсветки используется мощная лампа накаливания с ИК-светофильтром.
Примером первого типа ПВТ является изделие С-270 — портативный наблюдательный прибор видения в темноте, разработанный специально для ОВД. С помощью этого прибора можно вести наблюдение в полной темноте за движущими и неподвижными объектами на расстоянии до 120 м. На этом же расстоянии можно различить силуэт человека и определить тип транспортного средства. Увидеть особенности движения человека и находящиеся в его руках крупные предметы можно на расстоянии до 80 м. С расстояния 50 м и ближе определяются признаки внешности (телосложение, рост, походка и т.д.). Опознать человека по лицу и прочитать государственный номерной знак транспортного средства можно на расстоянии 30-35 м.
Прибор состоит из электронно-оптического устройства, инфракрасного осветителя, источника питания. При использовании прибора в ходе осуществления засад для задержания преступников можно быстро переключить осветитель на излучение сильного видимого света, что позволяет временно ослепить человека и оказать на него сильное психологическое воздействие.
ПВТ второго типа используются, когда применение ИК-осветителя нежелательно. Такие приборы позволяют вести наблюдение за объектами и местностью при естественном освещении (за счет света луны, звезд и т.д.). Характерным представителем данного типа ПВТ являются приборы семейства «Ворон».
Дальность видения с помощью прибора зависит от величины естественного освещения, прозрачности воздуха и контраста между фоном и объектом наблюдения. Этот прибор обеспечивает видимость фигуры человека в полный рост на расстоянии до 300-400 м. При этом модификации приборов типа «Ворон» позволяют осуществить наблюдение с использованием телевизионной камеры и монитора, а также регистрировать изображение с помощью фотокамеры или видеоаппаратуры. Когда уровень освещенности очень низок, дополнительно с данным прибором может использоваться лазерный инфракрасный осветитель, который при импульсном режиме работы срабатывает синхронно со срабатыванием затвора фотокамеры, повышая степень скрытности наблюдения.
Принцип действия ПВТ, отнесенных к третьему типу, основывается на восприятии собственно электромагнитного теплового излучения объектов живой и неживой природы. Так называемые тепловизоры предназначены для обнаружения подвижных целей на большом расстоянии. Они позволяют четко наблюдать самые затемненные объекты и совершенно не подвержены воздействию ярких источников света, даже если они направлены прямо в объектив. С помощью таких приборов можно вести наблюдение при тумане и задымлении. Для работы тепловизор может оснащаться телескопическими объективами, что обеспечивает максимальное общее увеличение от 12 до 75 крат.
Тепловизор позволяет обнаруживать на большом удалении самые разнообразные цели, в частности людей, транспортные средства и летательные аппараты в условиях плохой видимости или в полной темноте. Камера обеспечивает высококачественное изображение целей, скрытых дымом, пылевым облаком или дымкой и, будучи полностью пассивной, не может быть демаскирована при работе. Одной из характерных особенностей прибора является возможность многоцелевого использования. Тепловая картинка воспроизводится на встроенном видеомониторе для прямого видения или может воспроизводиться на отдельном мониторе при дистанционном использовании, что позволяет применять его личным составом для наблюдения на местности, с транспортных средств или в системах оружия с целью расширения их возможностей в ночное время.
Тепловизор обладает особенностями, позволяющими использовать его при минимальном тыловом обеспечении (элементом питания, хладагентом). В приборе используется уникальный охладитель, работающий по замкнутому циклу, энергоемкость прибора, включая охладитель, не превышает 10 Вт. Сейчас ведутся работы по миниатюризации тепловизоров до размеров, позволяющих при работе удерживать эти приборы в руке.
Одним из перспективных образцов для использования в органах внутренних дел является тепловизор “Thermovision 510”, предлагаемый фирмой AGEMA (Швеция). Он представляет собой компактную камеру, обладающую разрешением и функциями гораздо более дорогостоящих аппаратов. Охлаждение детектора термоэлектрическое, что позволяет мгновенно и практически бесшумно приводить камеру в рабочее состояние. Настройка наилучшего изображения производится автоматически, либо вручную. Тепловизионная камера обладает массой преимуществ, важнейшими из которых являются ее нечувствительность к свету, она ничего не излучает и, таким образом, себя не обнаруживает. При этом различается перепад температур в 0,1 градуса. Камера весит не более 1,6 кг при встроенной батарее. Возможно дистанционное управление работой камеры.
ПВТ третьего типа весьма эффективно применять в ночное время при проведении засад, операций по обезвреживанию террористов, розыску скрывающихся преступников и т.д. При работе с вертолета тепловизоры обеспечивают обнаружение кострищ спустя сутки после разведения костров, позволяют определить число пассажиров транспортного средства «сквозь» его крышу, выявить на местности человека на расстоянии 3-5 км и т.д.
Обеспечивают скрытый осмотр замкнутых, закрытых для непосредственного обзора полостей, помещений. Принцип действия основан на использовании оптических свойств специальных объективов и световодов. Конструктивно состоят из миниатюрных объективов, окуляров и соединяющих их световодов из стекловолокна или системы зеркал и призм. С помощью эндоскопов может быть выполнен осмотр помещений без их вскрытия, скрытых полостей транспортных средств. Современные специальные эндоскопы имеют длину рабочего тела от 40 до 400 см и диаметр от 0,8 до 18 мм и обеспечивают возможность дистанционного управления ориентацией объектива и подсветки объекта наблюдения.
Примером таких приборов может служить семейство приборов визуального контроля и регистрации типа «Вулкан». В них предусмотрена возможность подключения ПВТ типа «Ворон», имеются дополнительные адаптеры для подключения фотоаппарата и телевизионной камеры. В зависимости от вида исполнения волоконно-оптического жгута (гибкий, жесткий) и его длины (от 40 до 270 см) различают несколько модификаций таких приборов.