Для чего нужен прибор ночного видения

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 0 С, 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 используется для выполнения различных задач, когда нет возможности использовать электроприборы, и не поступает солнечный свет.

Виды приборов ночного видения

По своему внешнему виду ПНВ делятся на следующие виды:

Монокуляры. Такой прибор внешне похож на подзорную трубу, поэтому смотреть в него можно только одним глазом. Это наиболее распространенный и доступный вариант, который имеет небольшие размеры и вес, простую и надежную конструкцию, а также невысокую стоимость.

Бинокли. Этот прибор может быть гражданским или военным, его отличие от монокуляра в том, что обеспечивается бинокулярное зрение, а это позволяет точнее и реальнее оценивать увиденное. Стоимость бинокля будет выше, так как он состоит из двух монокуляров, соединенных в единую конструкцию. Такие приборы обеспечивают многократное увеличение, при этом картинка получается отчетливой.

Очки. В этом случае обычно используется один электронно-оптический преобразователь, но благодаря оптике, реализуется псевдобинокулярное зрение, так как полученный зрительный сигнал разводится на каждый глаз отдельно. Внешне такой прибор выглядит в виде одного объектива и двух окуляров. Очки при помощи ремней крепятся на голове или шлеме, поэтому руки у человека остаются свободными, и он может использовать оружие, инструменты, вести автомобиль и выполнять другую работу. В таком оборудовании обычно нет функции приближения, поэтому расстояние до наблюдаемого объекта оценивается адекватно.

Прицелы. Они имеют аналогичную конструкцию с монокуляром, но у них есть прицельная сетка и возможность быстрой и надежной фиксации на стрелковом оружии.

Особенности устройства

Первые такие приборы начали производить около 80 лет назад. С того времени разработчики постоянно их совершенствуют и расширяют возможности, но общее устройство ПНВ практически не изменилось.

Основной частью прибора является усилитель, который представляет собой электронно-оптический преобразователь. ЭОП преобразует невидимое для человеческого глаза изображение и делает его видимым. Кроме ЭОП, в таких приборах могут использоваться инфракрасные преобразователи, в их основе лежит тепловизор или прибор с зарядовой связью (ПЗС матрица).

Принцип работы

Прибор ночного видения работает по следующему принципу: свет попадает в объектив и фокусируется на передней стенке преобразователя, то есть по такому же принципу, как и в обычном фотоаппарате. При помощи преобразователя, полученное изображение усиливается, делается более ярким и четким, после чего передается на объектив. Уже в объективе человек видит изображение.

Преобразователь имеет вид трубки, ее концы герметично запаяны, а перед этим откачан воздух. На переднюю стенку наносится полупроводник, а задняя покрывается люминофором. На переднюю стенку подключают минус, а на заднюю плюс и подают напряжение. При попадании слаборазличимого изображения на фотокатод, из него выбиваются электроны и направляются на большой скорости к аноду. Попадая на люминофор, они вызывают его свечение. Для фотокатода не важно, получил он инфракрасный или ультрафиолетовый электрон, поэтому цвет теряется и получается черно-зеленое изображение.

Область применения

Прибор ночного видения применяется в тех случаях, когда необходимо вести наблюдение за определенным объектом, а для человеческого глаза недостаточно яркости. Он может использоваться в ночное время на открытой местности, а также в подвалах или закрытых помещениях, где нет возможности использовать электрическое освещение.

Области применения такого оборудование следующие:

Армия и проведение военных действий.
Обеспечение безопасности: полиция, охрана и другие спецслужбы.
Строительство.
Охота и наблюдение за дикой природой.
Развлечения.
Навигация и разведка.

Как выбрать прибор ночного видения

Для того чтобы правильно выбрать прибор ночного видения, необходимо учитывать следующие его характеристики:

Сигнал/шум (S/N). Это показатель характеризует качество картинки при плохой видимости. В разных моделях он может быть от 3,5 до 36. Приобретать рекомендуется приборы, у которых соотношение (S/N) будет не меньше 20.
Светочувствительность. Данный показатель измеряется в чА/lm и характеризует зависимость числовых параметров от реальной экспозиции.
Разрешение. В этом случае измерение проводится в lp/mm. От величины разрешения будет зависеть частота и контрастность передаваемой картинки. Для получения качественного изображения, разрешение должно быть в пределах 30-70 lp/mm.
Увеличение. Данная характеристика указывается первой цифрой в названии прибора, если написано 5х, то с расстояния 50 м вы будете видеть объект так, как с 10 м. У ПВН обычно используются практически все одинаковые окуляры и увеличение зависит только от объектива.
Размер объектива. Объектив должен создавать максимальное количество тусклого света, который поступает от наблюдаемого объекта. Чем больше будет диаметр объектива, тем ярче картинку будет выдавать ПНВ. В современных моделях светосила, показатель соотношения фокуса к диаметру объектива, в пределах 1,5-2. Чем меньше это число, тем более светосильным будет объектив.
Поле зрения. Этот показатель характеризует размер охватываемой зоны обзора, чем он будет выше, тем большую область будет захватывать прибор. Помните, что с увеличением кратности прибора, поле зрения уменьшается.
Фокусировка. Данный показатель указывает расстояние, на котором при наблюдении за объектом, будет получаться четкое его изображение. Для людей, имеющих плохое зрение, надо приобретать модели с возможностью диоптрийной коррекции окуляра.
Размеры и вес. При длительном использовании такого оборудования, его размеры и вес имеют большое значение. Особенно это важно, в случае использование прицела ночного видения, который должен иметь небольшие размеры и вес, а также высокое качество изготовления и надежное крепление.

Преимущества и недостатки

На сегодняшний день существует несколько поколений ПНВ: первое, второе и третье. Прибор ночного видения первого и второго поколения имеет практически одинаковое устройство, а их отличие в лучшем усилении видимого света и в том, что у последних моделей отсутствует засветка. В приборах третьего поколения используется другой принцип работы, который основан на фотокатодах. Такое решение позволило уменьшить вес и размеры прибора, улучшить качество и четкость изображения.

Основные преимущества монокуляров ночного видения:

Даже недорогие модели позволяют получать качественное изображение наблюдаемого в ночное время объекта.
Наличие встроенной инфракрасной подсветки, позволяет получать более четкую и качественную картинку.
Доступная стоимость.
Небольшой вес и размер.
Мобильность.

Если говорить о цифровых ПНВ, то они имеют следующие преимущества:

Могут работать при температурах воздуха от -20 до +50 градусов.
Есть возможность подключения выносного аккумулятора, благодаря чему, прибор без перерыва может работать до 20 часов.
Есть память, что позволяет сохранять информацию о ранее сделанных правках.
Наличие ИК-излучателя, позволяет проводить скрытое и безопасное наблюдение.
Большой выбор различных настроек.
Есть видеовыход, поэтому получаемую информацию можно сразу записывать на внешний носитель.

Главным недостатком всех приборов ночного видения является ограниченность угла обзора, а при использовании монокуляров, наблюдение приходится вести одним глазом, что также не очень удобно.

Причины, по которым в ПНВ получается картинка черно-зеленого цвета:

Для того чтобы люминофор начал светиться зеленым цветом, необходимо минимальное количество энергии.
Экраны специально покрывают составом, который светится зеленым цветом, так как человеческий глаз способен различать максимальное количество оттенков именно указанного цвета.
От зеленого цвета глаза устают намного меньше, чем от других и им проще перестроиться на темноту, после прекращения пользования прибором.

Прибор ночного видения является сложным и дорогим оборудованием, которое позволяет вести наблюдение за объектами в ночное время, когда для человеческого глаза недостаточно освещенности. Для того чтобы правильно выбрать прибор ночного видения, надо сначала определиться, для каких целей он вам нужен, ознакомиться с рекомендациями специалистов и узнать, на какие характеристики надо обращать внимание. Если у вас нет достаточно знаний, то вы всегда сможете получить профессиональную консультацию у специалистов, которым надо будет озвучить свои требования к указанному оборудованию, а они подскажут, какой прибор ночного видения лучше приобрести.

Начиная разговор на тему принципа работы приборов ночного видения, необходимо сразу уточнить одно весьма распространенное заблуждение, встречающееся среди людей впервые сталкивающихся с прибором ночного видения. Ни один прибор ночного видения не может «видеть» в полной, то есть абсолютной темноте, если не используется специальная инфракрасная подсветка. Другими словами, если в окружающем пространстве совершенно не присутствует свет в видимом человеческому глазу диапазоне, или в примыкающей к нему области инфракрасного света (например наглухо закрытое помещение «без окон, без дверей»), то ни через один, пусть даже самый дорогой прибор вы ничего не увидите. Каждый прибор ночного видения работает по принципу многократного (ограниченного техническими возможностями ПНВ) усиления уже существующего света, до величин достаточных для восприятия невооруженным глазом.

Опишем работу ПНВ: имеется объект наблюдения в условиях столь низкого освещения, что чувствительности человеческого глаза не хватает, чтобы его подробно рассмотреть. Отраженный от объекта свет попадает на входную линзу оптической системы ПНВ — объектив. Объектив собирает падающий на него свет и фокусирует изображение объекта на поверхности основного элемента любого ПНВ — Электронно-Оптического Преобразователя (ЭОП), называемого фотокатодом. Задача ЭОП — усилить в несколько сотен или тысяч раз световой поток, который поступил на него через объектив, и передать изображение объекта на люминесцентный экран. Изображение на этом экране и рассматривает наблюдатель через вторую часть оптической системы ПНВ — окуляр.

Рекомендуем:

Описанная выше схема — называется пассивным режимом работы ПНВ. То есть прибор всего лишь пассивно усиливает попадающий на него световой поток. Есть свет — есть что усиливать. Если же света нет, или его столь ничтожно мало, что ЭОП технически не может его усилить до величин различимых невооруженным глазом — люминесцентный экран останется темным, и в прибор ничего не будет видно (разве что собственные шумы ЭОП). Для таких случаев (темнота — «хоть глаз выколи»), практически все существующие на сегодня ПНВ гражданского назначения, за очень редким исключением, имеют в своей конструкции встроенный, а иногда съемный, инфракрасный (ИК) осветитель (иногда его называют «подсветкой»). ИК осветитель служит дополнительным источником света и используется когда естественной освещенности окружающего пространства не достаточно для комфортной работы ПНВ. В качестве источника света в ИК осветителях используются ИК-светодиоды, реже — более дорогостоящие лазерные диоды ИК диапазона. Необходимо отметить, что лазерное излучение представляет опасность для зрения и потому использование лазерных диодов в ИК осветителях запрещено законодательствами некоторых стран. Режим работы ПНВ с включенным ИК осветителем называется активным. Дальность действия ИК осветителя зависит его мощности.

Миниатюрные осветители мощностью 5 мВт, позволяют ориентироваться на расстоянии 20-30 метров, например в помещении, можно осмотреть небольшой двор. Мощность осветителя 10 мВт даст дистанцию наблюдения 50-70 метров, 20 мВт — 120-150 метров. Более мощные светодиодные ИК осветители мощностью 100-200 мВт (иногда их называют ИК фонарями), и лазерные ИК осветители, чаще используются как вторая, дополнительная подсветка. Обычно имеют съемную конструкцию, и механизм фокусировки позволяющий собрать свет в более узкий пучок и увеличить дистанцию наблюдения, достигающую 300-500 метров. В ПНВ с ЭОП GenI используются ИК осветители на диодах работающих в видимом ИК-диапазоне, что оказывает демаскирующее действие на наблюдателя. Другими словами работающий ИК осветитель видно со стороны примерно как огонек зажженной сигареты. В ПНВ с ЭОП GenII, GenII+, GenII++, GenII могут использоваться осветители ИК-диапазона не видимого человеческим глазом.