В каком году появился прибор ночного видения

Прибор ночного видения

В каком году появился прибор ночного видения

В каком году появился прибор ночного видения

В каком году появился прибор ночного видения

В каком году появился 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

  1. пассивные (работают в условиях естественной ночной освещённости);
  2. активные (работают с подсветкой, обычно в ближнем ИК диапазоне);
  3. активно-импульсные (работают с подсветкой в стробирующем режиме работы фотокатода).
  1. усиливающие (усиление яркости видимого изображения);
  2. преобразующие (преобразование ИК, УФ излучения в видимое).

Варианты применения

Современные ПНВ выпускаются в нескольких основных форм-факторах. Наиболее простым является ночной монокуляр — удерживаемая в руке оператора зрительная труба обычно невысокой кратности. Бинокли ночного видения имеют два ЭОП и выводят увеличенное стереоскопическое изображение. Очки ночного видения — закрепляются на голове, имеют широкое поле зрения и не увеличивают изображение (либо имеют переменное увеличение от 1х до более высокого значения, что позволяет использовать их как бинокль). Очки могут иметь два ЭОП либо быть псевдобинокулярными, когда изображение с одного ЭОП поступает на оба окуляра. Монокуляр кратности 1х, закрепленный на оголовье, может использоваться как дешевая альтернатива очкам. Прицелы ночного видения закрепляются на оружии, как правило увеличивают изображение и имеют прицельную сетку. Существуют также приставки ночного видения к дневным оптическим прицелам. Эти приборы должны выдерживать отдачу оружия, не все прицелы могут применяться на стрелковом оружии высокой мощности. Альтернативным вариантом прицеливания через ПНВ является использование закрепленного на оружии инфракрасного лазерного целеуказателя, невидимый глазу луч которого наблюдается через очки ночного видения. Приборы ночного видения также устанавливаются на боевую технику, где они интегрированы в прицельные комплексы.

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.

Итогом этих разработок стали монтируемые на командирской башенке «Пантеры» инфракрасные прожектора-осветители мощностью 200 Вт плюс приборы наблюдения, которые позволял осматривать при движении местность с дистанции 200 метров. При этом водитель такого прибора не имел и управлял машиной, руководствуясь указаниями командира. В ноябре 1944 года панцерваффе получили 63 «Пантеры», оснащенные первыми в мире серийными активными приборами ночного видения. Фирмой Zeiss-Jena разрабатывался ещё более мощный прибор, позволявший «видеть» на расстоянии 4 км, однако из-за больших размеров осветителя — диаметр 600 мм — применения на «Пантерах» он не нашел. [1] .

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 — история создания

Советские «ночники» начинались без всякого импорта, в СССР приборы ночного видения были созданы одновременно с немцами.

В каком году появился прибор ночного видения

Приборы ночного видения (ПНВ) и тепловизоры для российской армии долгое время собирались на базе иностранных элементов. Лишь недавно предприятиям корпорации «Ростех» удалось наладить производство отечественных матриц для бронетехники и других родов войск.

Но в истории нашей страны был период, когда с нуля создавались «ночники» силами советских конструкторов. При этом советские ученые в 1930-х гг. шли «ноздря в ноздрю» с немецкими конструкторами, которые были мировыми лидерами технологических решений.

В каком году появился прибор ночного видения

Советский прибор ночного видения «Дудка» для механика-водителя

Первый прибор ночного видения был изобретен практически одновременно с немецкими конструкторами в 1935 году. Испытания «ночников» противоборствующим странам пришлось проводить уже на фронте.

За семь лет до начала войны в лаборатории В.И. Архангельского советские ученые начали разработку приборов ночного видения для военной техники. Опыт Первой мировой войны показал растущую роль ночных боев, скрытных перемещений сухопутных и морских группировок для внезапных ударов. Красной армии нужны были «ночные глаза». Разработка наведения и прицеливания велась по принципу электронно-оптического преобразователя (ЭОП). Объект освещался инфракрасным прожектором, невидимым человеческому глазу. Размеры прожектора для танков достигали 15–20 сантиметров. Первый испытательный макет был создан в 1937 г. для кораблей, где размер прожектора был не важен. Прибор позволял морской эскадре перемещаться в темноте, указывая инфракрасными датчиками друг другу безопасный путь, а также наблюдать за судами противника на расстоянии 500 метров. Приборы носили название Ц-1 и Ц-2.

В это же время инженер-конструктор Соломон Валк разработал концепцию планирующих торпед с самолетов, наводящихся инфракрасным лучом с самолетов на цель. Система получила название «Квант», и в 1938 г. испытания были успешно пройдены.

Еще раньше, в 1927 г., советские конструкторы начали разрабатывать первый тепловизор для обнаружения военно-морской техники. В то время их называли теплопеленгаторами. Уже в середине 1930-х гг. теплообнаружители применялись для охраны базы торпедных катеров в Ленинградской области. Одновременно советские тепловизоры испытывали на выявление самолетов и танков вероятного противника. Так, полутораметровый пеленгатор улавливал сторожевые корабли за 15 км, миноносцы за 20 км, подводные лодки при всплытии за 4 километра. В поиске танков успехов достигнуто не было. Это было связано со слабым сигналом пеленгатора, которого хватало для водной глади, но было недостаточно для суши при наличии брони вокруг двигателя.
Советские ученые решили сосредоточиться на разработке приборов ночного видения для бронетехники и стрелкового оружия.

За два года до начала войны на полигоне прошли испытания ПНВ «Шип» и «Дудка» на танке БТ-7. Комплект состоял из перископических инфракрасных очков для механика-водителя и командира, двух инфракрасных прожекторов мощностью по 1кВт и диаметром 14 см, блок-пульта, инфракрасного сигнального фонаря и толстого кабеля, соединяющего очки и прожектор. Дальность видения была небольшой и составляла 50 метров. Такие ограничения позволяли использовать прибор только для управления танком в темноте. Но громоздкость очков и неудобство их использования во время движения вынудило военный комитет отправить в январе 1941 г. ПНВ на доработку.

Начало войны через полгода внесло свои коррективы, изменив приоритеты. Сил и ресурсов на ПНВ для танков выделялось меньше, а цель прибора свелась к использованию инфракрасного прожектора для ночной координации танковой колонны во время передислокации. С конца 1942 по 1945 г. Государственный оптический институт и Всероссийский электротехнический институт вели работы по созданию ПНВ для Т-34. Испытания проходили не на полигонах, а сразу в прифронтовой зоне, и курировались лично главнокомандующим Сталиным.

По воспоминаниям генерала Н.И. Бирюкова, после того как один из испытательных танков был захвачен немцами на Западном фронте, товарищ Сталин заявил виновникам: «Вам обоим по „Железному кресту“ от Гитлера».
Массовое производство ПНВ во время войны не состоялось. Приборы поступали на флот и танковые дивизии в качестве испытательных образцов. Так, Черноморский флот летом 1941 г. располагал 15 комплектами корабельных систем ночного видения, а к осени получил еще 18 приборов. Сухопутные бронетанковые войска начали получать ПНВ только к 1943 г. малыми испытательными партиями, которые запрещалось применять в боях. Дальность действия приборов не превышала 150–200 м и годилась только для перемещения колонн.

В ходе войны немцы также работали над созданием ПНВ для танков, но процесс двигался медленно. Только в 1939 г. немецкая фирма AEG представила фюреру первый образец инфракрасного прицела для войск. Испытания на артиллерийской пушке PaK 35/36 не удовлетворили военных. Только в 1944 г. AEG смогла создать ПНВ для пушки PaK 40 с прицеливанием на 400 м и выпустить 1 тысячу приборов для армии. Генерал танковых войск Г. Гудериан, оценив в 1943 г. «ночники» на испытаниях, распорядился оснастить ими новые танки «Пантера».

Если советским конструкторам удалось создать прибор наблюдения, то немцы смогли продвинуться чуть дальше, разработав ПНВ для прицеливания. Но времени для внедрения катастрофически не хватало. В 1945 г. было оснащено 54 танка «Пантера» из опытной партии приборов в количестве 310 штук. После войны практически все немецкие разработки получили в свое распоряжение британцы и американцы. В США были вывезены все военные конструкторы для продолжения разработок, в том числе доктор Х. Гертнер, создавший WaPruf 8 для сухопутных войск.

Советская армия активно использовала испытательные образцы в инженерных войсках и разведке. В первую очередь велось наблюдение за передним краем обороны, обеспечение переправ, наблюдение из дзотов. В 1943 г. появился первый прибор ночного видения для разведчиков Ц-3, который крепился на пистолет-пулемет Шпагина (ППШ). Секретное оружие получали штурмовые инженерно-саперные бригады и СМЕРШ НКВД под расписку о неразглашении.

В то же время начали испытывать инфракрасные приборы для авиации. Маяк с самолета был виден группе локации с земли на расстоянии до 40 км, а кодовые мигающие огни — до 8 километров. Приборы давали возможность проводить в будущем диверсионные высадки и распознавать свои самолеты с тайных аэродромов в тылу врага. Массовое производство приборов ночного видения началось только в середине 1950-х годов. По воспоминаниям конструктора Игоря Землянского, первые ПНВ получил новый танк Т-54, на котором штатно были установлены приборы ночного видения для водителя, командира и наводчика.

Разделы сайта

Источник: журнал «Специальная Техника»

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. Научные изыскания часто подстегивались нуждами военной деятельности, а результаты определялись существующим технологическим уровнем.

Расширение диапазона зрения для визуализации недоступной для глаз информации является одной из наиболее трудных задач, так как требует серьезной научной подготовки и значительной технико-экономической базы. 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.

Первые успехи применения техники ночного видения, еще не осознанные общественностью, сделали войну при свете звезд мечтой военных специалистов. На достижение результатов были затрачены колоссальные средства, выделяемые как правительствами, так и ведущими фирмами развитых стран. О “победе над ночью” заговорили уже во время войны в Персидском заливе. Последующие конфликты в Югославии и Чечне сделали ночной бой неизбежным атрибутом современной войны.

Естественно, усилия, затраченные в этом направлении, привели к прогрессу в научных исследованиях, медицине, техники связи и других областях. Адаптированные для индивидуального использования, аналоги военной техники находят все более широкое применение для нужд правоохранительных органов, служб охраны, спасения, задач навигации, среди любителей ночной охоты и т.п. Изменение конъюнктуры рынка, ставшей следствием глобальной реструктуризации экономики из-за падения ряда политических барьеров в последние десятилетия, привело к стремительной коммерциализации продукции современного высокотехнологичного производства. В итоге, результаты научно-технических разработок, основанные на знаниях о волнах оптического диапазона не только видимой области спектра, но и инфракрасного (ИК) излучения, сегодня стали доступными потребительским товарам.

К сожалению, вопросы техники ночного видения, открыто обсуждавшиеся в широких кругах развитых стран, в СССР (России) были ориентированы только на представителей ВПК и непосредственных разработчиков. Краткая ретроспектива истории приборов ночного видения (ПНВ) и обзор современного состояния данного сегмента рынка оптоэлектронной продукции призваны, отчасти, восполнить этот пробел.

Принцип действия классического ПНВ основан на преобразовании ИК-излучения, создаваемого на наблюдаемом объекте свечением ночного неба, звездами и луной, в видимый свет. Функциональная блок-схема оптического тракта современного ПНВ представлена на рис. 1.

В каком году появился прибор ночного видения

Рис. 1. Функциональная блок-схема оптического тракта современного ПНВ

  1. Объект наблюдения
  2. Корпус ПНВ
  3. Объектив
  4. ЭОП со встроенными МКП, ВОЭ и ВИП
  5. Окуляр
  6. Элементы питания, обычно пальчиковые батарейки (типа АА)
  7. Встроенная ИК-подсветка

Изображение наблюдаемого объекта через объектив 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), испускающий электроны при поглощении квантов света. На внутренней стороне входного окна находится слой люминофора, материала, излучающего свет при попадании на него электрона (экран). Перенос электронов, эмитированных фотокатодом, обеспечивается электростатическим полем, для чего к фотокатоду и экрану приложено напряжение в несколько кВ. Полученное на экране изображение рассматривается через окуляр.

В современных конструкциях ЭОП для усиления изображения используется вторично-эмиссионный усилитель или микроканальная пластина (МКП), устанавливаемая между фотокатодом и экраном. МКП позволяет получить усиление в десятки тысяч раз, а в некоторых ЭОП специального назначения – до 10 7 раз, что достаточно для регистрации единичных фотонов.

Входное и выходное окна ЭОП выполняются на плоском стекле или на волоконно-оптической пластине (ВОП). Для оборота изображения на 180 о в качестве выходной ВОП используется волоконно-оптический оборачивающий элемент (ВОЭ), он же твистер. В более сложных конструкциях для оборота изображения используется бинокулярный окуляр или дополнительный линзовый оборачивающий элемент.

Несмотря на простоту конструкции и минимальное количество узлов, к каждому элементу ПНВ предъявляются довольно высокие и часто противоречивые требования. Очевидно, наиболее сложным и ответственным узлом ПНВ, определяющим как его предельные параметры, так и цену, является ЭОП. Историю рождения и совершенствования этого узла следует считать показательной для технократической эпохи.

Первый преобразователь был разработан Холстом с соавторами в исследовательском центре фирмы “Филипс” (Голландия) в 1934 году. Он остался известен как “стакан Холста”. Его схема, иллюстрирующая принцип действия, приведена на рис. 2.

В каком году появился прибор ночного видения

Рис. 2. Принцип действия “стакана Холста”

Этот ЭОП представлял собой два вложенных друг в друга стакана, на плоские донышки которых и наносились фотокатод и люминофор. Приложенное к этим слоям высоковольтное напряжение, создавало электростатическое поле, обеспечивающее прямой перенос электронного изображения с фотокатода на экран с люминофором. В качестве фоточувствительного слоя в “стакане Холста” использовался серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод (или S-1), имевший довольно низкую чувствительность (рис. 3), хотя и работоспособный в диапазоне до 1,1 мкм. К тому же, этот фотокатод обладал высоким уровнем шумов, для устранения которых требовалось охлаждение до минус 40 о С.

В каком году появился прибор ночного видения

Рис. 3. Кривые спектральной чувствительности фотокатодов ЭОП

1. S-1;
2. S-20;
3. S-25;
4. S-25R (2 + );
5.GaAs;
6. Near IR GaAs

Эти недостатки позволяли использовать ЭОП только в активном режиме, то есть с подсветкой наблюдаемого изображения ИК-прожектором. Кроме того, изображение на экране получалось нерезким. Расстояние между фотокатодом и экраном следовало делать возможно малым из-за разлета электронов, покидающих фотокатод под различными углами. В “стакане Холста” оно составляло несколько мм и сократить его было невозможно по технологическим причинам.

Появление первых ЭОП в условиях предвоенной обстановки вызвало значительный интерес. “Стакан Холста” был доработан до уровня серийного производства фирмой EMI (Англия), и с 1942 по 1945 год их было выпущено несколько тысяч штук (рис.4).

В каком году появился прибор ночного видения

Рис. 4. Первые серийные образцы “стакана Холста”.

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

Тем не менее, они активно применялись в ходе Второй мировой войны всеми сторонами. Весьма успешным оказалось применение ПНВ с ИК-прожекторами Германией для обеспечения действий боевых машин. В результате Советская армия понесла серьезные потери в боях в районе венгерского озера Балатон. Стремление уравнять шансы и лишить противника возникшего преимущества вынудило советское командование подсветить зенитными прожекторами поле боля при форсировании реки Одер*. Следует отметить, что для нужд германской армии использовались более современные ЭОП с электронно-оптической фокусировкой, обеспечивающей разрешение на экране до 20 мкм, а в более сложных вариантах даже до 1 мкм.

Крупных успехов добились американские и английские фирмы. Хорошо известны ночные прицелы для стрелкового оружия “Снайперскоп”, удачно примененные при десанте американцев на остров Окинава. Раритетная фотография американских перископических очков показана на рис. 5.

В каком году появился прибор ночного видения

Рис. 5. Раритетная фотография американских перископических очков

Примечание: * Мнение автора

Достижения электронной оптики середины 30-х годов позволили заменить прямой перенос изображения фокусировкой электростатическим полем. В этом направлении за рубежом активно работали Зворыкин, Фарнсворд, Мортон и фон Арденна, а в СССР – Г.А. Гринберг, А.А. Арцимович. В результате были разработаны трех-, а затем и двухэлектродная системы, обеспечивавшие усиление порядка сотен раз с одновременным оборачиванием изображения (рис. 6).

В каком году появился прибор ночного видения

Рис. 6. Конструкция трехэлектродного ЭОП.

1 – фотокатод
2 – манжета
3 – корпус
4 – фокусирующий электрод
5 – анод
6 – экран

Последующие работы привели к открытию “мультищелочного фотокатода” (S-20), состоящего из арсенидов натрия и калия, активированных цезием. Такой фотокатод уже 40 лет служит основой большинства ЭОП практически всех типов. ЭОП с электронным переносом изображения и мультищелочным катодом сегодня относится к нулевому поколению, на сленге специалистов – “нулевка”. Наиболее распространенные представители этого семейства в России – В-8, знаменитая “восьмерка”, и К-4, представляющая интерес как простой преобразователь.

Эффективность таких ЭОП можно определить через усиление светового потока hф (коэффициент преобразования).

где
Sk – чувствительность катода, выражаемая обычно в мкА/лм;
U – приложенное напряжение, В;
g – светоотдача экрана, лм/Вт.

Например, для В-8 интегральная чувствительность многощелочного фотокатода может составлять 200 мкА/лм, U — порядка 20 кВ, g – порядка 30 лм/Вт. Усиление светового потока составит 120 раз. Аналогичным образом можно определить коэффициент преобразования монохроматического лучистого потока hф( l ) в лм/Вт, то есть на конкретной длине волны. Спектральная чувствительность так же указывается в лм/Вт.

ЭОП данного типа уже сняты с производства во всем мире и заменены более эффективными, но и более дорогими преобразователями последующих поколений. Сохранившееся в России производство “нулевок” поддержало национальную оптическую промышленность, лишившуюся рынка сбыта собственной продукции в период кризиса начала 90-х годов. Достаточно быстро был налажен массовый выпуск дешевых ПНВ, заполнивших прилавки. Сегодня преобразователи 0-го поколения можно приобрести по 20$ за штуку, а в сборке с высоковольтным источником питания (ВИП) приблизительно за 50$. В сочетании с невысокими требованиями к оптическим узлам таких ПНВ, их стоимость составляет $100-200. Недостаточные характеристики позволяют рассматривать такие приборы только как сувениры или игрушки, что часто бывает недооценено покупателями. Тем не менее, они нашли свою нишу на рынке, определив нижний ценовой диапазон ПНВ.

Наибольшим недостатком ЭОП с электростатическим переносом изображения является резкий спад разрешающей способности от центра поля зрения к краям из-за несовпадения криволинейного электронного изображения с плоским фотокатодом и экраном. Для решения этой проблемы их стали делать сферическими, что существенно усложнило конструкцию объективов, рассчитываемых обычно на плоские поверхности.

Развитие волоконной оптики в США в 60-е годы позволило усовершенствовать ЭОП. На базе волоконно-оптических пластин (ВОП), представляющих собой пакет из множества светодиодов, были разработаны плосковогнутые линзы, которые и стали устанавливать взамен входного и выходного окон. Оптическое изображение, спроецированное на плоскую поверхность ВОП, без искажений передается на вогнутую сторону, что и обеспечивает сопряжение плоских поверхностей фотокатода и экрана с криволинейным электронным полем.

В результате применения ВОП разрешающая способность стала по всему полю зрения такой же, как и в центре. ЭОП с ВОП и электростатической фокусировкой в массовом производстве относятся к I-поколению. При изготовлении этих ЭОП стал использоваться чувствительный фотокатод S-20. Кроме того, в конструкции ПНВ первого поколения стали применять зеркально-линзовые объективы, позволяющие улучшить массогабаритные параметры.

В настоящее время ЭОП первого поколения еще находят применение в ночных прицелах для охотничьих ружей и успешно используются там, где требуется только преобразование длин волн ближнего ИК-диапазона в видимый свет, например, для визуального контроля сборки оптических систем связи, в медицине, где применяются ИАГ-лазеры с длиной волны излучения 1,06 мкм.

В то время как за рубежом развивалась технология волоконной оптики, в СССР приоритетное направление получили каскадные ЭОП М.М. Бутслова. Схема одного из наиболее удачных образцов, У-72, представлена на рис. 7. В этой конструкции общее усиление равно произведению усилений всех камер и может достигать 10 7 раз.

В каком году появился прибор ночного видения

Рис. 7. Конструкция двухкаскадного ЭОП с электростатической фокусировкой электронов типа У-72.

Производство таких ЭОП было сопряжено со значительными технологическими трудностями, в частности требовало использования труда стеклодувов только высокой квалификации. К тому же, разрешение по краям поля зрения ухудшалось до 2-3 штр./мм. Тем не менее, массовое применение каскадных преобразователей обеспечило тактическое превосходство вооруженных сил СССР в период 50-60 годов.

Использование ВОП для стыковки камер упростило сборку и позволило повысить качество изображения, применение металлокерамики взамен стекла существенно повысило прочность конструкции. Такие ЭОП успешно производились фирмами RCA, ITT (США), Philips (Нидерланды) и некоторыми другими. Они не боялись ярких засветок, и единственным их недостатком следует считать значительную длину по оптической оси.

Десятилетнее господство каскадных ЭОП сменилось стремительным отказом от их использования и вытеснением ЭОП следующих поколений. Сегодня эти преобразователи не имеют коммерческого применения, оставшаяся с периода СССР военная техника оснащается современными малогабаритными ЭОП. Преодоление возникшего технологического тупика в СССР смогли начать только с 80-х годов.

В 70-е годы на основе технологии ВОП фирмами США был разработаны вторично-эмиссионный усилитель в виде микроканальной пластины (МКП). Этот элемент представляет собой сито с регулярно расположенными каналами диаметром около 10 мкм и толщиной не более 1 мм. Число каналов равно числу элементов изображения и имеет порядок 10 6 . Обе поверхности МКП полируются и металлизируются, между ними прикладывается напряжение в несколько сотен вольт.

Принцип действия хорошо иллюстрирует рис. 8. Попадая в канал, электрон испытывает соударения со стенкой и выбивает вторичные электроны. В тянущем электрическом поле этот процесс многократно повторяется, позволяя получить коэффициент усиления Nх10 4 раз. Для получения каналов МКП используется разнородное по химическому составу оптическое волокно. После получения шайбы сердцевины волокон растворяются в химических реактивах.

В каком году появился прибор ночного видения

Рис. 8. Принцип действия вторично-эмиссионного усилителя в виде микроканальной пластины.

Изготовление МКП, как и ВОП, относят к высоким технологиям, обеспечивающим выпуск малогабаритных и энерго-экономичных ЭОП, пригодных для применения в наголовных ПНВ, то есть очках и монокулярах. Оборот изображения в ЭОП с МКП, относимых к II-поколению, по прежнему осуществляется за счет электростатической фокусировки (рис. 9). Прологом удачного применения бинокулярных очков для обеспечения действий спецподразделений армий стран НАТО стала модель AN/PVS-5В фирмы Litton (США) (фото 1).

В каком году появился прибор ночного видения

Рис. 9. Конструкция ЭОП с электростатической линзой

1 – фотокатод
2 – анод
3 – микроканальная пластина
4 – экран

В каком году появился прибор ночного видения

Фото 1. Очки AN/PVS-5В фирмы Litton (США)

В конце 70-х годов были разработаны ЭОП с МКП бипланарной конструкции, то есть без электростатической линзы, своего рода технологический возврат к прямому, как и в “стакане Холста”, переносу изображения (рис. 10). Подобные конструкции, в том числе и много модальные, выпускает фирма “Praxitronic” (ФРГ). Полученные миниатюрные ЭОП, в современном исполнении, относимые уже к II+-поколению, позволили разработать очки ночного видения (ОНВ) псевдобинокулярной системы, где изображение с одного ЭОП разводится на два окуляра с помощью светоделительной призмы. Оборот изображения здесь осуществляется в дополнительных мини-объективах (фото 2).

В каком году появился прибор ночного видения

Рис. 10. Конструкция плоского ЭОП

1 — фотокатод
2 — микроканальная пластина
3 — экран

В каком году появился прибор ночного видения

Фото 2. Устройство ОНВ псевдобинокулярной схемы (на примере 1ПН74).

1 — корпус ОНВ
2 — окуляр
3 — оборачивающий объектив
4 — зеркало
5 — коллиматор (лупа) с призмой
6 — корпус ОНВ
7 — ИК-подсветка
8 — ЭОП
9 — корпус объектива
10 — объектив
11 — крышка объектива

Псевдобинокуляр — конструкция не только эргономичная, но и весьма экономичная, за счет использования одного ЭОП, являющегося наиболее дорогим узлом – около 50% стоимости. Вес таких ОНВ лежит в пределах 500-700 г. Сегодня это наиболее растиражированные ПНВ, применяемые в ВС и спецслужбах различных стран мира. Например, AN/PVS-7 в США и НАТО, 1ПН74 – в России. Следует заметить, что серийное производство таких систем началось в США с середины 80-х годов, а в России фактически только сейчас, хотя разработка отечественной модели была закончена в начале 90-х.

Следующий шаг в развитии ЭОП определился повышением чувствительности фотокатода. Он стал возможен вследствие чисто научных изысканий. В результате фундаментальных исследований, начатых еще в 70-х годах, было установлено, что оптимальным материалом для создания фотокатода является арсенид галлия, способный эффективно эмитировать электроны при начальном излучении с длиной волны 0,9 мкм и менее.

Однако реализации AsGa-ФК длительное время препятствовало наличие энергетического барьера, не позволявшего электронам оторваться от поверхности полупроводникового слоя (потенциального барьера электронного сродства). Эту проблему успешно решили Шер и Ван Лаар, сотрудники исследовательского центра “Филипс”, а также Вильямс и Сойман, предложив теорию ОЭС (отрицательного электронного сродства).

Получение AsGa-ФК возможно только в условиях сверхвысокого вакуума порядка 10 -10 – 10 -11 мм рт.ст., а весь процесс должен производиться под контролем сложной диагностической аппаратуры. Из-за быстрого окисления поверхности фотокатода на воздухе сборку ЭОП III-поколения требуется производить также в вакуумной камере с помощью манипуляторов. В итоге, для производства ЭОП третьего поколения требуется более 400 технологических операций. Все это определило чрезвычайно высокую стоимость этих преобразователей.

Первоначально, промышленная технология AsGa-ФК была разработана американской фирмой “Varian”, у которой ее приобрели для серийного производства компании ITT Night Vision и Litton, ведущие компании в США, производители ПНВ военного назначения для нужд НАТО.

Высокие характеристики ЭОП III позволили этим фирмам разработать авиационные бинокулярные ОНВ – ANVIS / AVS-6 для пилотирования вертолетов, и AVS-9 для самолетов в ночных условиях на малой высоте, это позволяет летать в тесном строю, распознавать цели и препятствия на местности.

Длительная научная разработка и сложная технология изготовления, определяющие высокую стоимость ЭОП третьего поколения, компенсируется предельно высокой чувствительностью фотокатода. Интегральная чувствительность некоторых образцов достигает 2000 мА/Вт, квантовый выход (отношение числа эмитированных электронов к числу падающих на фотокатод квантов с длиной волны в области максимальной чувствительности) превышает 30%! (рис. 3).

Разумеется, при разработке ЭОП III были применены достижения технологий всех предшествующих поколений, что позволило создать сверхминиатюрную конструкцию. Стандартный диаметр фотокатода/экрана составляет 18 мм, значительно реже 25 мм – для прицельных систем. В корпус таких ЭОП уже встроены высоковольтные источники питания (ВИП). Потребление тока не превышает 20 мА, при напряжении питания 3В, что позволяет современным ПНВ работать непрерывно почти сутки от двух обычных пальчиковых батареек. Кроме того, эти ЭОП имеют очень высокие показатели надежности (среднее время наработки на отказ составляет порядка 10 000 – 19 000 часов).

Высокая чувствительность нового фотокатода позволила видеть в наихудших условиях, называемых “пасмурный звездный свет”, что означает наличие облаков и отсутствие луны. Освещенность при этом составляет 5х10 -4 лк. ПНВ с ЭОП II были ориентированы на работу в условиях “естественной ночной освещенности” (ЕНО) – 5х10 -3 лк, то есть при свете звезд без облачности и света луны. С 1992 года фирмы ITT и Litton NV поставляют для нужд армий США и союзников очки PVS-7B и ANVIS с ЭОП III, согласно многолетним промышленным контрактам Omnibus III (Omni IV с 1996 года и Omni V – с 1998 года).

ЭОП III сегодня считаются ключевой военной технологией. Их наличие создает армии и авиации огромное преимущество перед потенциальным противником в боевых действиях в ночное время. В настоящий момент службы безопасности, охраны правопорядка, службы спасения развитых стран так же осуществляют широкомасштабные закупки этих ПНВ.

Кроме США производство преобразователей на основе AsGa-ФК имеет только Россия. Освоение ЭОП III сильно задерживалось из-за некоторой технологической отсталости, приведшей к кризису, ставшему очевидным с началом войны в Афганистане. Приобретению необходимого оборудования за рубежом мешало эмбарго. Тем не менее, существовавшие препятствия удалось преодолеть.

В настоящее время две российские фирмы “Катод” (Новосибирск) и “Геофизика-НВ” (Москва) производят ЭОП III, предлагая их по ценам порядка 1500 — 1800$ в зависимости от типа конструкции и характеристик. “Геофизика-НВ” также является наиболее продвинутой Российской фирмой в части разработки и производства авиационных очков. Используемые в Российской армии очки 1ПН74 с ЭОП III выпускает ГУП «Альфа» (Москва), разработка СКТБ ТНВ, для нужд авиации той же фирмой поставляются вертолётные очки «ОНВ-1». Необходимо отметить, что распространение такой высокотехнологичной продукции контролируется государством.

Отсутствие внутренних рынков, требуемых для реализации таких дорогостоящих компонентов, как ЭОП III, привело большинство производителей ПНВ к сомнению в возможностях возмещения издержек при запуске их в производство. Альтернативой являлось повышение эффективности существующих преобразователей. Разработка этого направления обусловила возврат к мультищелочному катоду, первоначально с повышенной чувствительностью в ИК области (S-25), при сохранении конструктивных решений, достигнутых в III поколении. В последствии был разработан фотокатод с особо высокой чувствительностью (S-25R) (рис. 3). На базе таких катодов сегодня производятся ЭОП II + и SUPER II + поколений соответственно. Подобная же классификация применяется и для I поколения.

Производители ЭОП III признают, что не существует принципиальных различий в эффективности между новыми системами Super II + и III поколений. Преимущества преобразователей третьего поколения становятся очевидными при старении этих устройств, так фотокатоды S II + теряют чувствительность (деградируют) по мере использования. Ресурс таких ЭОП составляет около 3 000 часов, стоимость от 600 до 900$, в зависимости от конструкции.

Знание принципов ЭОП и технологии их производства позволяет определить основные характеристики ПНВ и его ожидаемую стоимость. Для быстрого ориентирования в рамках рассмотренной классификации следует воспользоваться таблицей, в которой сведены основные характеристики ЭОП. Однако для более полной оценки необходимо получить представление о специфических требованиях, предъявляемых к оптическим узлам и конструкции таких приборов. Достигнутое качество оптических компонентов не лимитировало разработку ЭОП. Предел разрешения, определяющий минимальные угловые размеры доступного для наблюдения объекта, определяется разрешающей способностью применяемых МКП, то есть диаметром каналов. Сегодня ПНВ в среднем обеспечивает 30-40 штр./мм, лучшие образцы ЭОП III, предназначенные в основном для авиации, достигают 64 штр./мм. Диаметр пор в таких МКП составляет 5-6 мкм при толщине в сотые доли мм. В связи с высокой хрупкостью эти пластинки чрезвычайно сложны в изготовлении и обработке.

В конструкции ПНВ используют только сверхсветосильные объективы. Оптимальным является объектив с относительным отверстием (F-фактор) 1:1,4 , лучшие модели имеют 1:1,1 (для наголовных систем с увеличением изображения равным 1 крат, т. е. очков, монокуляров). Зная стандартный диаметр фотокатода, 18мм для II + и выше, нетрудно определить и другие основные параметры современных ОНВ: угол поля зрения 40° , фокусное расстояние 25мм. Сегодня выпускаются объективы и с углом поля 50° , и даже 60° , с пропорциональным уменьшением фокусного расстояния, что соответствует углу поля зрения высокой чёткости глаза. Эргономические требования к минимизации массогабаритных параметров ПНВ и качеству изображения вынуждают разрабатывать многокомпонентные (до 10, как правило, тонких линз), сложные в производстве и, следовательно, дорогие объективы. Исключением являются объективы «нулёвок» — обычно недорогие четырёхкомпонентные конструкции. Различия в антропометрическом строении головы вынуждает разработчиков вводить механизм выверки по базе глаз (расстояние между оптическими осями глаз различных людей варьируется от 56 до72 мм), или добиваться значительных диаметров выходных зрачков окуляров, более 14 мм, что также усложняет конструкцию наголовных ПНВ.

Свои проблемы существуют и при разработке прицелов ночного видения. В частности, необходимо введение прицельной марки и обеспечение удаления выходного зрачка окуляра более 50 мм, что приводит к увеличению габаритов и массы в стекле; высоки требования к механической прочности. Современные ночные прицелы и бинокли обеспечивают 3-х -5-ти кратное увеличение изображения при фокусных расстояниях 75-120 мм и относительном отверстии около 1:1,5. Для использования очков псевдобинокулярной схемы в качестве бинокля применяют афокальные насадки, устанавливаемые на основной объектив (поставляются в комплекте или по спецзаказу). Для снижения веса ПНВ часто используют зеркально-линзовые объективы, хотя традиционные линзовые схемы остаются наиболее распостранёнными.

В заключение следует отметить, что история ПНВ не исчерпывается достигнутым уровнем. Непрерывное расширение объёмов производства и продаж, повышенный интерес к новым продуктам со стороны всех участников высокотехнологического рынка свидетельствуют о широких перспективах техники ночного видения. Не смотря на то, что ПНВ с ЭОП III способны обеспечить выполнение задач в самые тёмные ночи, в настоящее время ведутся активные работы по разработке как ЭОП IV поколения, так и в направлении улучшения схемотехники самих ПНВ. Большинство работ связанно с совершенствованием энергономических характеристик, конструкции и расширением функциональных возможностей приборов. Существенный интерес представляет и разработка фотокатодов с чувствительностью, продлённой в длинноволновую область ИК-диапазона. Хорошего результата здесь достиг Litton, разработавший «продвинутый в ИК» ЭОП III, применяя который можно детектировать излучение ИАГ-лазера с длинной волны 1,06 мкм, применяемого во всех армиях для нужд дальнометрии.

Таблица 1. Основные характеристики ЭОП (выборочно*)

Поколения ЭОП Тип фотокатода Интегральная чувствительность, мкА/лм Чувствительность на длинах волн 830-850 нм, мАВт Коэффициент усиления,

усл. ед.

Доступная дальность распознования фигуры человека в условиях ЕНО***, м
“Стакан Холста”S-120-40около 1, ИК подсветка
S-20150-200только при свете луны или ИК осветителеДо 10040
SUPER 0100-20040
I**IS-20150-200250-50060
I+S-25150-200до 10500-100090
Super I +S-25R250-35025-35110
IIIIS-25220-30018-25(2,5-3,0)x10 4150
II +200
Super II + или II ++S-25R350-50030-40250
IIIIIIGa-As1000-135070-120(3,0-4,0)x10 4250
Mil-Spec IIIGa-As1550-180080-190(3,0-5,5)x10 4300

* В данной таблице не приведен ряд важнейших характеристик, например, предел разрешения (штр/мм), ток потребления (мА) и прочие. Эти характеристики можно учесть аналогичным образом или в составе изделия.

** 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.

К сожалению, ограниченный объем журнальной статьи, не позволяет более подробно осветить многочисленные, часто драматические события, сопровождавшие этапы развития и совершенствования техники ночного видения. Не соприкасавшийся с миром приборов ночного видения читатель, несомненно поразится, узнав о масштабах влияния этих знаменитых произведений технокультуры на многие военные и политические решения второй половины ХХ столетия. Не меньшее удивление могут вызвать даже у специалистов масштабы затрат на разработку и производство как традиционных, так и новейших образцов ПНВ с применением практически всех типов описанных ЭОП. Широчайшая номенклатура однотипных по конструкции ОНВ, например, свидетельствует об отсутствии квалифицированного маркетинга на ставшем интернациональным рынке ПНВ, за исключением представителей США, разумеется. Вполне возможно, что возникшие проблемы помогут преодолеть те несколько статей, посвященных отечественному и зарубежному парку ночной техники, а также перспективам ее развития, которые автор планирует предложить в следующих номерах журнала.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Курбатов Л.Н. Краткий очерк истории разработок приборов ночного видения на основе электронных оптических преобразователей и усилителей изображения// Вопр. Оборон. Техники. Сер. 11. — 1994 — Вып. 3(142) — 4(143).
  2. Кощавцев Н.Ф., Волков В.Г. Приборы ночного видения// Вопр. Оборон. Техники. Сер. 11. — 1993 — Вып. 3(138).
  3. Гудман Г. Современные очки ночного видения, применяемые в армии США.// Перевод статьи в журн. Armed Force Journal International, июль 1998, стр. 42-45.

Источник