Теоретические основы прибора ночного видения

История развития приборов ночного видения

На протяжении всей истории своего развития, человек стремился стать совершеннее. Не имея крыльев, он построил крылатые машины, и стал летать как птица. Он изобрел акваланг и научился плавать и погружаться в пучины океана, как рыба. Извечной мечтой человека оставалось видеть в темноте, как кошка.

Но осуществление этой мечты стало одной из наиболее трудных задач, так как потребовало серьезной научной подготовки и значительной технико-экономической базы. Предпосылкой для создания приборов ночного видения стало открытие в 19 веке инфракрасного (теплового) излучения. Однако, устройство, способное «видеть» предметы не в оптическом (видимом), а в инфракрасном (тепловом) диапазоне спектра было создано лишь в 1934 г. Ильин А. В. Основы специальной техники М., 2000.

Этот момент принято считать началом эры ночного видения. Развитие приборов ночного видения можно разбить на ряд этапов, с которыми связано появление их определенных поколений. Каждое последующее поколение отличалось от предыдущего большей дальностью видения, лучшим качеством изображения, снижением массы и габаритов, увеличением времени работы, повышением стойкости к воздействию световых помех и целым рядом других преимуществ.

Главным признаком, по которому различаются поколения приборов ночного видения, является их основной элемент — электронно-оптический преобразователь (далее ЭОП), предназначенный для преобразования невидимого глазом инфракрасного изображения в видимое и усиления его по яркости.

0-е поколение Приборы этого поколения были настолько неэффективны при низком освещении, что постоянно нуждались в сильном дополнительном инфракрасном освещении. В этом случае в большей степени происходит преобразование инфракрасным светом, а не усиление изображения. У инфракрасного освещения было два больших недостатка: во-первых, это громоздкий источник питания ИК прожектора, во-вторых, сам прожектор был заметен издалека другими пользователями ПНВ. Достоинство усилителей 0-го поколения — это большая чувствительность в глубокой ИК области. Однако из-за химических свойств покрытий срок жизни был невелик. Тогда еще не было автоматической защиты светочувствительных частей и плюс ко всему оставалось послесвечение от ярких объектов.

1-е поколение С появлением, так называемых, многощелочных фотокатодов возросла светочувствительность электронно-оптического преобразователя, так что теперь, в большинстве случаев, дополнительное ИК освещение было не нужно. Такие ЭОП работают в нижнем ИК диапазоне верхней видимой области. Усиление гораздо больше, чем у 0-го поколения, но все же отстает от современных 2-го и 3-го поколений. Удовлетворительное послесвечение было достигнуто путем увеличения пути ускорения, что в свою очередь увеличило системные искажения и сделало прибор более габаритным. Частично в целях увеличения освещенности были соединены три усилительных трубы (2−3-ступенчатые трубы). Это сделало картинку ярче, но менее четкой и контрастной. Кроме того, при переходе от одной трубы к другой терялось больше (световой) информации и ошибки увеличивались многократно. Срок службы усилительной трубки (около 1000−2000 ч.) вырос по сравнению с 0-м поколением. Улучшения существовали также в отношении короткого послесвечения люминесцентного экрана. Тем не менее все также отсутствовала автоматическая защита ЭОП от ярких вспышек (особенно это сказывалось во время боевых действий). Ильин А. В. Основы специальной техники М., 2000.

2-е поколение Начиная с середины 60-х годов с появлением микроканальной пластиныМикроканальная пластина — вид изделий вакуумной микроэлектроники. Предназначены для работы в вакууме в качестве многоканальных детекторов, преобразователей и вторично-электронных усилителей пространственно-организованных потоков заряженных частиц и излучений. Основное применение — преобразователь и усилитель яркости изображения индивидуальных приборов ночного видения. (далее МКП) произошел переход на более современные ЭОП. Таким образом, принцип работы усилительной трубы на ускорение электронов был дополнен их умножением. МКП состоит из более чем 2 миллионов параллельных и слегка наклоненных относительно оси ЭОП микроканалов. Количество микроканалов на пластине определяет разрешение изображения. Благодаря принципу работы МКП достигается гораздо более сильное усиление картинки, чем это было возможно в предыдущих поколениях. К тому же появилась системная защита от вспышек: МКП имеет естественный потолок эмитированных электронов, так что яркий свет не приведет к сожжению ЭОП. Кроме того размеры и вес приборов стали гораздо меньше благодаря МКП. Срок службы увеличился до 2500−5000 ч., а вместе с проблемой послесвечения устранили и искажения изображения. Волков В. Г. Приборы ночного видения новых поколений./Специальная техника, 2001, № 5, с. 2 — 8.

2+ поколение.

Это усовершенствованное 2-е поколение с измененными МКП, фотокатодом и люминесцентным экраном. Фоновый шум был сокращен. Новый фотокатод S-25 лучше реагировал на ИК излучение, а измененная фосфорная смесь экрана дала более светлое и контрастное изображение. Для ЭОП 2 супер-поколения при помощи нового фотокатода S-20R чувствительность была расширена на дальний ИК спектр. Улучшение МКП и люминесцентного экрана (P-22) привело к увеличению качества приборов, таким образом супер-поколение стало сравнимо с американским 3-им поколением.

3-е поколение Термин «3-е поколение» используется главным образом американскими производителями для того, чтобы подчеркнуть специальное фотокатодное покрытие на основе арсенида галлия.

Прогресс этой ступени развития основывается как на дальнейшем улучшении управляющей электроники, МКП и люминесцентного экрана, так и на новом покрытии фотокатода. Смесь элементов галлия и мышьяка дала значительное увеличение светочувствительности. Первый GaAs-фотокатод (арсенид-галлиевый) отрицательно заряженный электрод (катод) в светочувствительных устройствах, работающих с использованием внешнего фотоэффекта (в частности, в фотоумножителях, фотоэлементах, электронно-оптических преобразователях и других вакуумных фотоэлектронных приборах) был сделан в конце 80-х годов и нашли свое первое применение в войне в Персидском заливе в 1991 г. Количество микроканалов возросло до 6−12 млн. Для увеличения срока службы усилительных труб (около 10 000 ч.) использовалось покрытие из оксида алюминия, которое хоть и защищало чувствительные элементы, но в то же время сокращало количество эмитированных электронов. Современные ЭОП 3-его поколения имели преимущество над 2-ым поколением в первую очередь в условиях низкой освещенности. Волков В. Г. Приборы ночного видения новых поколений./Специальная техника, 2001, № 5, с. 2 — 8.

4-е поколение или перспективы развития В настоящее время американские войска оснащены т. н. «filmless» или «thin filmed» (тонкопленочными) трубами, которые очень чувствительны в глубокой ИК зоне. У этих ЭОП увеличено время жизни (около 15 000 ч.) и, также улучшена защита от яркого света. Но не смотря на то, что достигнута большая производительность, производители не уверены, что эти ЭОП могут быть официально признаны 4-м поколением.

Последние европейские разработки также показывают на практике неплохие результаты, они без проблем работают днем, а благодаря новым покрытиям фотокатода изображение становится все качественнее.