Los cíclopes ven de noche.
V.P. Beguchev, Ph.D. ,
A.L. Chapkevich, Ph.D.,
Centro Científico Estatal «NPO «Orion»
«Ver &# 8212; significa distinguir entre enemigo y amigo y sus alrededores en todos los detalles» — Así comienza uno de los capítulos del maravilloso libro de S.I. Vavilov «El ojo y el sol».
El sentido más informativo de la percepción humana del mundo exterior: la visión, al ser un instrumento óptico-biológico muy avanzado, lamentablemente tiene una sensibilidad espectral limitada. A partir de una amplia gama del espectro de radiación óptica (de 0,00 1 a 1.000 μm), el ojo percibe una sección muy estrecha de 0,38 a 0,78 mm, e incluso a partir de un determinado nivel de iluminancia: con iluminancias inferiores a 0,01 lux el ojo no percibe colores y sólo distingue objetos grandes cercanos.
La fotoelectrónica moderna ha acudido en ayuda del ojo, lo que permite crear dispositivos capaces de detectar, amplificar y visualizar radiaciones invisibles para el ojo humano.
Permitiendo «ver' 187; En los rangos ultravioleta (UV) e infrarrojos (IR), fundamentalmente invisibles, además de mejorar muchas veces el brillo de la imagen nocturna, estos dispositivos brindan una ventaja invaluable a sus propietarios durante operaciones militares, de búsqueda, rescate y otras operaciones especiales.
Operaciones nocturnas exitosas de las tropas de la coalición antiiraquí durante la Guerra del Golfo — uno de los pocos «abiertos» confirmación de la eficacia de dichos dispositivos fotoelectrónicos.
La acción de estos dispositivos se basa en los fenómenos de efectos fotoeléctricos externos e internos. El efecto fotoeléctrico externo (en otras palabras, emisión de fotoelectrones) consiste en la emisión de electrones de un sólido (en la práctica, de finas capas semiconductoras especiales translúcidas) al vacío bajo la influencia de cuantos en el rango óptico del espectro. El funcionamiento del convertidor electrónico-óptico OOP se basa en este efecto) — un dispositivo fotoelectrónico de vacío que amplifica la luz débil en el rango visible miles de veces y también convierte la radiación de rayos X, UV e IR en visible (con amplificación simultánea). El intensificador de imágenes es el elemento principal de los dispositivos de observación en estos rangos, incluidos — dispositivos de visión nocturna (NVD).
El efecto fotoeléctrico interno (fotoconductividad) consiste en un cambio en la conductividad eléctrica de los semiconductores bajo la influencia de cuantos de radiación en el rango óptico. El funcionamiento de los fotodetectores (PD) y de los fotodetectores más complejos (PDD) se basa en este efecto; las señales que producen accionan varios actuadores.
Las señales de los fotodetectores de elementos múltiples, que surgen bajo la influencia de la propia radiación de los objetos, después del procesamiento electrónico, se utilizan para crear una imagen térmica visible al ojo (la llamada imagen térmica). El efecto fotoeléctrico interno también es la base del funcionamiento de los dispositivos de carga acoplada (CCD): matrices de escaneo automático de elementos múltiples que convierten la imagen en una secuencia de señales eléctricas y luego en una señal de video estándar.
La primera parte del artículo considerará los principales tipos de dispositivos de visión nocturna (NVD). basado en tubos intensificadores de imagen, y en el segundo — instrumentos y dispositivos que utilizan los fenómenos de fotoconductividad, incluidas las cámaras termográficas del efecto fotoeléctrico interno.
1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS NVG
El diseño y principio de funcionamiento de los NVG basados en un tubo intensificador de imagen se explican en la Fig. 1 esquemática, y es un sistema óptico telescópico con un intensificador de imagen. tubo incorporado en el mismo.
La lente 2 crea una imagen de un objeto débilmente iluminado 4 (cielo nocturno, estrellas, luna) en el fotocátodo del tubo intensificador de imagen 3. Fotocátodo 3 — una fina capa semiconductora depositada en la superficie interior de la ventana de entrada de la carcasa de vacío 5 del tubo intensificador de imágenes.
El fotocátodo emite electrones al vacío y el número de electrones emitidos desde cada punto es proporcional al brillo en ese punto de la imagen proyectada por la lente 2.
Llevando así una «imagen electrónica» el flujo de electrones es acelerado y enfocado por el sistema electrón-óptico 6 sobre la pantalla catodoluminiscente 7. La aceleración de los fotoelectrones se produce bajo la influencia de un voltaje del orden de 10.000 voltios generado por la fuente de energía 8. Se debe a la conversión de fotones en electrones y la aceleración de estos últimos en el intensificador de imágenes que aumenta el brillo, porque . Es básicamente imposible amplificar la energía de los fotones neutros.
Los fotoelectrones acelerados y enfocados que golpean la pantalla luminiscente 7 hacen que ésta brille en la región visible del espectro (en casi todos los tubos intensificadores de imagen — en verde).
Dado que el brillo de la pantalla en cada punto será proporcional al número de fotoelectrones que inciden en él, se crea en la pantalla una imagen visible intensificada y transformada del objeto observado 4. Esta imagen se observa utilizando un ocular (o lupa). 9.
Dado que el aumento de brillo en los tubos intensificadores de imagen modernos alcanza varias decenas de miles de veces, incluso a pesar de ciertas pérdidas de brillo en la lente de entrada, los NVD modernos le permiten observar claramente las imágenes en condiciones de iluminación nocturna. incluyendo una noche sin luna.
Simultáneamente con la amplificación, el NVD también realiza la transformación de la imagen. La conversión se produce debido a la diferencia en las características de sensibilidad espectral del fotocátodo del tubo intensificador de imagen y del ojo humano. Los fotocátodos modernos tienen una sensibilidad IR ampliada (en comparación con la del ojo) (hasta 0,9 µm).
En esta región, existe una diferencia significativa en los coeficientes de reflexión de la luz de los objetos naturales y artificiales. Por lo tanto, una persona con uniforme protector, indistinguible a simple vista en la oscuridad sobre un fondo de hierba o follaje, será claramente visible en los NVG como un objeto oscuro sobre un fondo claro.
2. PRINCIPALES TIPOS de NVG
Actualmente, se producen y venden libremente varios tipos de dispositivos de visión nocturna, cuyos diseños están optimizados de acuerdo con su finalidad. Los principales tipos de dispositivos de visión nocturna son:
-dispositivos de observación (monoculares, pseudobinoculares, binoculares),
-miras para armas pequeñas,
-gafas,
-dispositivos que permiten documentar la imagen observada (cámaras de fotografía y vídeo nocturnas).
Dado que los elementos ópticos de los NVD se han desarrollado bien durante mucho tiempo, los principales parámetros de los NVG y su costo están determinados en gran medida por los tubos intensificadores de imagen que se utilizan en ellos. La mayoría de los NVG nacionales utilizan:
— Tubos intensificadores de imágenes de una sola cámara que tienen una carcasa de vacío de vidrio con ventanas de entrada y salida planas. Estos tubos intensificadores de imagen proporcionan una mejora del brillo hasta 1000 veces con alta claridad (resolución) sólo en el centro del campo de visión. A medida que se aleja del centro, la claridad disminuye drásticamente, lo que reduce el contenido informativo de la observación. Sin embargo, el bajo precio de estos tubos intensificadores de imagen los hace preferibles para los fabricantes de NVG económicos y producidos en masa. Dichos tubos intensificadores de imágenes se denominarán (condicionalmente) «tubos intensificadores de imágenes de generación cero»;
— Tubos intensificadores de imagen monocamerales con placas de fibra óptica (FOP) en entrada y salida, que utilizan un amplificador de imagen electrónico de microcanal, y que además cuentan con fuente de alimentación incorporada. Estos tubos intensificadores de imagen, denominados «tubos intensificadores de imagen de segunda generación», mejoran el brillo de la imagen en un 30 — 50 mil veces, tienen buena claridad de imagen en todo el campo de visión y tienen una alta inmunidad al ruido ante una iluminación local brillante. Los componentes costosos de estos tubos intensificadores de imagen determinan su precio en un orden de magnitud mayor.
Tubos intensificadores de imagen en miniatura con punta «plana» sistema óptico electrónico y fotocátodos con mayor eficiencia (la llamada «tercera generación»). Estos tubos intensificadores de imagen se utilizan principalmente en dispositivos de equipos especiales. 6 NVD comerciales, se utiliza con mayor frecuencia su variedad con un fotocátodo más simple: «2-plus generación».
El llamado tubo intensificador de imagen. La primera generación con tubos intensificadores de imagen cóncavos y planos en la entrada y la salida se ensambla fácilmente en conjuntos de dos y tres módulos. El tubo intensificador de imagen de tres módulos tiene parámetros y precio comparables al tubo intensificador de imagen de segunda generación, pero se utiliza con menos frecuencia debido a su mayor longitud: el tubo intensificador de imagen de tres módulos de primera generación con un diámetro de trabajo de 25 mm tiene una longitud de 195 mm, similar al tubo intensificador de imagen de segunda generación — 76 milímetros.
2.1 .Monoculares
Los monoculares nocturnos (visores) tienen una lente de entrada, un tubo intensificador de imagen y un ocular (lupa). La observación a través de un NVD de este tipo se realiza con un ojo y el dispositivo se sostiene con una mano.
Los más comunes en las ventas nacionales son los monoculares basados en un tubo intensificador de imagen de generación cero, que determina su aceptable precio para el comprador medio en un nivel correspondiente a 150-200 dólares EE.UU. Estos NVD tienen lentes de entrada con una relación de apertura de aproximadamente 1:1,5-1:2 y una distancia focal de 80-100 mm con un ángulo de campo de visión de 10 a 20 grados.
La fuente de alimentación suele funcionar con dos baterías de 1,5 voltios. El peso es de aproximadamente un kilogramo.
El parámetro principal tanto de los dispositivos de observación como de todos los de visión nocturna es el alcance de visión. Su definición competente debe incluir los siguientes factores: iluminación de la escena observada, tamaño del objetivo observado y su contraste con el fondo, detalle de la visión: detección, reconocimiento, identificación. Esta determinación multifactorial del rango de visión a menudo conduce a una discrepancia entre los valores anunciados y reales de este parámetro.
En algunos casos, se pide al comprador que compruebe el funcionamiento del NVD con una funda protectora con un «alfiler» Agujero que simula iluminación nocturna. Esta prueba da una idea de la calidad de la imagen (claridad y pureza del campo de visión), pero no puede utilizarse para evaluar el rango de visión, porque cambia drásticamente los parámetros de la lente de entrada.
De la experiencia operativa y de los cálculos básicos se deduce que los NVG de observación basados en un tubo intensificador de imagen de generación cero y una óptica de entrada con los parámetros anteriores proporcionan, con una iluminación de 0,01 lux (iluminación creada por un cuarto de luna en la noche), la detección de una figura humana alta sobre un fondo de vegetación desde 150-200 m y reconocimiento de sus detalles desde aproximadamente 70-100 m.
Algunos NVD de este tipo están equipados con iluminadores infrarrojos de pequeño tamaño (radiación máxima de aproximadamente 0,8 micrones), con una potencia del orden de varias decenas de milivatios/estereorradián.
El alcance efectivo de estos iluminadores es de unos 50 m; un PIR con un iluminador de este tipo permite trabajar en completa oscuridad (cuevas, sótanos), pero desenmascara al observador ante dispositivos de visión nocturna similares o más avanzados.
Los NVD que utilizan tubos intensificadores de imagen de segunda generación tienen un gran potencial. Con lentes de gran apertura (1:1,5 — 1:2) con un aumento de 3 a 5 veces, estos dispositivos de visión nocturna permiten observar incluso en una noche sin luna, lo que corresponde a la iluminación en el suelo ( 1…5)x10-3 lux. En este caso se detecta una figura humana desde una distancia de 400-600 m y sus detalles — de 250-300 m.
Los NVD con intensificador de imagen de segunda generación tienen buena inmunidad al ruido: las luces brillantes que entran en el campo de visión de dichos NVG son locales en la imagen de salida: no crean halos y no interfieren con la observación en todo el campo de visión. El peso de estos NVG, debido principalmente al gran tamaño y peso del tubo intensificador de imagen de segunda generación, es de al menos 1,5-2 kg. Precio — de uno a varios miles de dólares, dependiendo de la calidad del tubo intensificador de imagen y de los componentes ópticos, así como del circuito de alimentación. incluido el ajuste automático del brillo de salida (ARA).
2.2 Binoculares
Durante el proceso visual normal, una persona utiliza dos ojos. Imágenes creadas por cada ojo. complementándose y reforzándose mutuamente, crean en nuestra mente una imagen visual, que también contiene información sobre la naturaleza espacial de la imagen (efecto estereoscópico).
Los NVG pseudobinoculares utilizan una lente, un tubo intensificador de imagen y un ocular panorámico binocular en la salida. Un ocular de este tipo mira al observador con el lado convexo de una lente plana, con un ángulo de campo de visión de 90 grados o más, a través del cual se ve la imagen en la pantalla intensificadora de imágenes con dos ojos. Esto proporciona una mayor comodidad de visualización y, en consecuencia, menos fatiga ocular.
Los binoculares nocturnos de diseño clásico contienen dos lentes, dos tubos intensificadores de imagen y dos oculares. A diferencia de los pseudobinoculares, este diseño proporciona imágenes estereoscópicas de objetos distantes, para los cuales la distancia entre las lentes de entrada es significativamente mayor que la distancia entre los ojos (base). Durante la observación, los binoculares nocturnos, como los binoculares normales, se sostienen con ambos. manos utilizando elementos estructurales especiales: mangos, soportes, monturas.
Dependiendo de la calidad de los componentes ópticos y del tipo de tubos intensificadores de imagen utilizados (cero, primera o segunda generación), el precio de los pseudo y Los NVG binoculares oscilan entre $ 800 y $ 2500.
2.3.Miras
En determinadas circunstancias, es necesario no sólo observar un objeto en la oscuridad, sino también apuntarlo en tales condiciones (por ejemplo, caza nocturna). Las miras nocturnas resuelven este problema. Básicamente, una mira nocturna es similar a un monocular nocturno, pero tiene las siguientes diferencias significativas.
La mira tiene un mecanismo de montaje de arma y un mecanismo de «alineación». Este último garantiza la alineación de la línea de puntería (disparo) del arma con una marca especial («marca») en el campo de visión del dispositivo de visión nocturna, que desempeña el papel de «punto de mira» durante el tiro nocturno. . La marca puede ser oscura o luminosa, lo cual es más preferible, ya que una marca luminosa es más fácil de distinguir en un objeto oscuro (objetivo). Debido a las grandes cargas de impacto que ocurren en el momento de un disparo (hasta 100 y más «g»), el EOL y todo el diseño del dispositivo están sujetos a mayores requisitos de resistencia al impacto y resistencia a los golpes. comparado con otros P N V.
Es razonable correlacionar el alcance de las miras nocturnas con el alcance de tiro del arma, que para armas pequeñas ligeras es de 200 — 400 metros. Las miras nocturnas también se pueden utilizar durante el día, para lo cual se coloca una abertura especial (cubierta) con un «pasador». agujero, protegiendo el intensificador de imagen de la luz brillante y al mismo tiempo proporcionando una buena visibilidad del objetivo.
El diseño más complejo de las miras también determina su precio entre un 25 y un 30 por ciento más alto (en comparación con los monoculares).
2.4.Gafas de visión nocturna
La diferencia fundamental entre las gafas de visión nocturna (NVG) y las NVG descritas anteriormente es que las NVG se fijan a la cabeza del observador o a un casco especial, dejando sus manos libres para realizar diversos trabajos y operaciones por la noche. El alcance de este último es amplio y variado: trabajos de reparación y rescate, conducción de transporte terrestre y aéreo, tiro a objetivos iluminados por emisores láser.
En el último caso, el objeto (objetivo) está «marcado» invisible a simple vista con un rayo láser alineado con el arma, y el tirador, al ver la «marca» usando el ONV y apuntándolo al objetivo, golpea a este último sin apuntar normalmente. Para una orientación habitual y rápida, casi todos los tipos de NVG tienen un único aumento y un amplio campo de visión: 40 grados o más. El diseño clásico del ONV contiene dos lentes, dos tubos intensificadores de imagen y dos oculares; en varios ONV, para reducir el precio, se utiliza una lente y un intensificador de imagen (el llamado tipo «cíclope»).
Los NVG más basados en tubos intensificadores de imagen de cero y primera generación son accesibles y baratos, y los más eficaces en cuanto a alcance y los más ligeros (menos de 500 g) — Basado en tubos intensificadores de imagen de 2+ y 3ª generación. Debido al elevado precio de estos cristales, comparable al precio de un coche medio, se utilizan principalmente para el pilotaje nocturno de helicópteros o para tareas resueltas por servicios especiales.
El último avance en el campo de los NVG son los NVG holográficos. Gracias al uso de espejos y filtros holográficos en tales gafas, la imagen mejorada del intensificador de imagen de objetos con poca luz se transmitía casi por completo, al mismo tiempo que reflejaba la misma cantidad de interferencia de luz que interfería con la observación, que era visible como a través de gafas muy oscuras. La parte inferior de la máscara de estas gafas tiene una mayor transparencia, lo que hace que sea conveniente observar el panel de instrumentos cuando se utilizan gafas para conducir vehículos de noche.
2.5 NVG con documentación de imagen
En algunos casos, se requiere documentación (fotografía, grabación de vídeo) de escenas, objetos y sus acciones observados utilizando NVG.
La solución más sencilla: — unirse al PNV. en lugar del ocular de una cámara de fotos o de cine. Algunos NVD están equipados con adaptadores para conectar cámaras, lo que el usuario del dispositivo puede realizar fácilmente.
Un sistema más avanzado y multifuncional es aquel en el que la imagen de la pantalla intensificadora de imágenes NVD se transmite ópticamente a la matriz CCD. La transmisión se realiza mediante focos («reductores de imagen» de fibra óptica) u ópticas de «transferencia» de lentes. El circuito electrónico («marco») de la matriz CCD convierte la imagen resultante en una señal de vídeo en formato analógico y, si es necesario, digital.
La señal de vídeo se puede observar en una pantalla de televisión (monitor), lo cual es más cómodo y menos agotador que la observación (especialmente a largo plazo) a través del ocular NVD. En este caso, es posible la grabación simultánea en un VCR y la transmisión a varios monitores para varios operadores.
La señal de vídeo se puede transmitir por cable (hasta 200 m sin amplificadores intermedios) o mediante un transmisor en miniatura. integrado en el dispositivo de vigilancia, cuya señal se recibe en uno de los canales de un televisor normal.
La calidad de dichos sistemas está determinada por el número de líneas de televisión transmitidas bajo una determinada iluminación del área observada. escena.
Cuando se utilizan NVG con un tubo intensificador de imagen de generación cero, se transmiten de 300 a 350 líneas con una iluminación de 0,01 lux; para NVG con un tubo intensificador de imagen de segunda generación, se transmite el mismo número de líneas con una iluminación de 1… 5×10-3 lux y con un tubo intensificador de imagen de tercera generación — en 1×10-4 — 5×10-5 lux.
Estos dispositivos pueden equiparse con adaptadores para conectar lentes modernos para cámaras CCD con apertura ajustable de forma remota (iris automático), aumento variable (zoom) y subenfoque a la entrada NVD. Un dispositivo con una lente de este tipo y un intensificador de imagen con un buen circuito AGC proporciona observación casi las 24 horas (desde una noche sin luna hasta un día brillante) con la documentación necesaria.
Conversión de la señal de vídeo en código digital da a los sistemas «PHB+P3C» características adicionales. La imagen resultante se puede grabar con una cámara de fotografía o video digital, procesar para mejorar el contraste, eliminar defectos de luz y oscuridad y pintar con colores falsos.
Un complejo más complejo de dos NVD con un CCD con filtros de luz especiales, después del procesamiento electrónico digital de la señal, crea una imagen de la escena nocturna observada en el monitor en colores naturales. Esto aumenta significativamente el contenido de la información, la velocidad y el valor de la percepción visual. En la exposición «IDEX-97» (Abu Dhabi) por la empresa belga «Delft Sensor Systems». Según los desarrolladores, una imagen en colores naturales aumenta la eficiencia de detección y reconocimiento de objetos en condiciones nocturnas entre un 30 y un 60 por ciento.
En Rusia, el desarrollo y la producción de sistemas basados en NVG y CCD son realizado por el Centro Científico Estatal «NPO» ;Orion» junto con un número de coejecutores.
3. Dispositivos con fotocátodos UV e IR.
Lo anterior se refiere a NVD con tubos intensificadores de imagen, sensibles en el rango de 0,4 a 0,9 micrones y diseñados para observar objetos distantes, lo que corresponde a la tarea principal de estos dispositivos: ver de noche es tan lejano y bueno como durante el día.
Al mismo tiempo, existen muchas otras aplicaciones de los tubos intensificadores de imágenes, basadas en su capacidad única de convertir una imagen que es fundamentalmente invisible al ojo en una visible.
Por ejemplo, un tubo intensificador de imágenes con un fotocátodo. sensible en zonas «persianas» La región UV (de 0,1 a 0,3 micrones) permite, durante el día, realizar observaciones ambientalmente importantes de los agujeros de ozono, el brillo de los objetos y las áreas con mayor radiactividad, así como los gases de escape tóxicos de los motores.
En ciencia forense, los tubos intensificadores de imágenes UV se utilizan para identificar falsificaciones cuando los documentos genuinos están equipados con marcas especiales que reflejan la radiación UV.
El método de leer documentos cubiertos de tinta o tinta usando un tubo intensificador de imágenes con oxígeno -Los fotocátodos de plata-cesio se conocen desde hace mucho tiempo y son sensibles hasta 1,2 — 1,3 micras. Muchos líquidos y materiales opacos en la región visible son transparentes en este rango de infrarrojos y una inscripción rellena o falsificada es claramente visible usando un intensificador de imagen de este tipo.
Tubos intensificadores de imágenes de rayos X (tubos intensificadores de imágenes de rayos X) que tienen un «sándwich» complejo en lugar de un fotocátodo: «fotocátodo de capa intermedia de fósforo de rayos X» capaz de visualizar la radiación de rayos X.
El principal campo de aplicación de los REOP con un gran diámetro de trabajo (hasta 320 — 400 mm) es el diagnóstico médico por rayos X. Los REOP de pequeño tamaño con un diámetro de campo de hasta 50-100 mm, completos con fuentes de radiación de radioisótopos en miniatura, se pueden utilizar para diagnóstico operativo de campo por rayos X, escaneo de equipaje, monitoreo de defectos en microconjuntos eléctricos y otras tareas de introscopia operativa. con equipos portátiles.
Por lo tanto, la fotoelectrónica moderna amplía significativamente las capacidades de la visión humana en términos de visión en condiciones de poca luz y en rangos que son fundamentalmente inaccesibles para el ojo. La complejidad de esta tecnología, la gran cantidad de tipos de NVG disponibles para la venta, la diferencia en sus clases y precios, así como la inevitable «sobreexposición» en las descripciones de los dispositivos, es muy deseable un asesoramiento cualificado y objetivo a la hora de elegir y comprar dichos dispositivos.
GNI «NPO» Orión». que tiene una amplia experiencia en el desarrollo y producción de NVG e intensificadores de imagen para ellos y es la organización líder en Rusia en visión nocturna, ofrece, en las condiciones acordadas, consultas y desarrollos en esta área, así como la venta de NVG confeccionados. de casi todos los tipos descritos en este artículo.