Циклопы видят ночью.
В.П.Бегучев, к.т.н. ,
А.Л.Чапкевич, к.т.н.,
ГНЦ «НПО «Орион»
«Видеть — значит различать врага и друга и окружающее во всех подробностях» — так начинается одна из глав замечательной книги С.И.Вавилова «Глаз и солнце».
Наиболее информативное чувство восприятия человеком внешнего мира -зрение, являясь весьма совершенным оптико-биологическим инструментом, обладает, к сожалению, ограниченной спектральной чувствительностью. Из широкого диапазона спектра оптического излучения (от 0,00 1 до 1 000 мкм) глаз воспринимает очень узкий участок от 0,38 до 0,78 мим, да и то начиная с определенного уровня освещенностей: при освещенностях менее 0,01 люкс глаз не воспринимает цвета и различает только крупные близлежащие объекты.
На помощь глазу пришла современная фотоэлектроника, которая дает возможность создать приборы, способные обнаруживать, усиливать и визуализировать излучение, невидимое человеческим глазом.
Позволяя «видеть» в принципиально невидимых ультрафиолетовом (УФ) и инфракрасном (ИК) диапазонах, а также усиливая во много раз яркость ночного изображения, эти приборы дают неоценимое преимущество их владельцам при проведении военных, поисковых, спасательных и других специальных операций .
Успешные ночные операции войск антииракской коалиции во время войны в Персидском заливе — одно из немногих «открытых» подтверждений эффективности действия таких фотоэлектронных приборов.
Действие этих приборов основано на явлениях внешнего и внутреннего фотоэффектов. Внешний фотоэффект (по-другому — фотоэлектронная эмиссия) состоит в испускании электронов из твердого тела (на практике — из тонких полупрозрачных специальных полупроводниковых слоев) в вакуум под действием квантов оптического диапазона спектра. На этом эффекте основана работа электронно-оптического преобразователя ООП) — вакуумного фотоэлектронного прибора, усиливающего в тысячи раз слабый свет видимого диапазона а также преобразующего в видимое (с одновременным усилением) рентгеновское, УФ- и ИК- излучение. ЭОП является основным элементом приборов для наблюдения в этих диапазонах, в том числе — приборов ночного видения (ПНВ) .
Внутренний фотоэффект (фото- проводимость) состоит в изменении электропроводности полупроводников под действием квантов излучения оптического диапазона. На этом эффекте основана работа фотоприем- ников(ФП) и более сложных фотоприемных устройств (ФПУ) , вырабатываемые ими сигналы приводят в действие различные исполнительные устройства.
Сигналы от многоэлементных ФПУ, возникающие под действием собственного излучения объектов, после электронной обработки используются для создания видимого глазом теплового изображения (т.н.тепловидение). Внутренний фотоэффект лежит и в основе действия приборов с зарядовой связью (ПЗС) — многоэлементных самосканирующихся матриц, преобразующих изображение в последовательность электрических сигналов и затем в стандартный видеосигнал.
В первой части статьи будут рассмотрены основные типы приборов ночного видения(ПНВ) на основе ЭОП, а во второй — приборы и устройства, использующие явления фотопроводи- мости.вт.ч.тепловизоры внутреннего фотоэффекта.
1.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПНВ
Конструкция и принцип действия ПНВ на основе ЭОП поясняются схематическим рис.1, и представляет собой телескопическую оптическую систему с встроенным в нее ЭОП.
Объектив 2 создает на фотокатоде ЭОП 3 изображение слабоосвещен- ного (ночным небом, звездами, луной) объекта 4. Фотокатод 3 — тонкий полупроводниковый слой, нанесенный на внутреннюю поверхность входного окна вакуумного корпуса 5 ЭОП.
Фотокатод эмиттирует в вакуум электроны, причем число эмиттированных из каждой точки электронов пропорционально яркости в этой точке изображения, спроецированного объективом 2 .
Несущий таким образом «электронное изображение» поток электронов ускоряется и фокусируется электронно-оптической системой 6 на катодолюминесцентный экран 7. Ускорение фотоэлектронов происходит под действием напряжения порядка 10 000 вольт, вырабатываемого источником питания 8. Именно за счет преобразования фотонов в электроны и ускорения последних в ЭОП происходит усиление яркости, т.к. усилить энергию нейтральных фотонов принципиально невозможно.
Ускоренные и сфокусированные фотоэлектроны, попадая на люминесцентный экран 7, вызывают его свечение в видимой глазом области спектра (практически во всех ЭОП — в зеленой).
Так как яркость свечения экрана в каждой точке будет пропорциональна числу попавших в нее фотоэлектронов, на экране создается видимое усиленное и преобразованное изображение наблюдаемого объекта 4. Это изображение наблюдается с помощью окуляра (или лупы) 9.
Поскольку усиление яркости в современных ЭОП достигает нескольких десятков тысяч раз, то, даже несмотря на определенные потери яркости во входном объективе, современные ПНВ позволяют отчетливо наблюдать изображения в условиях ночной освещенности, включая безлунную ночь.
Одновременно с усилением, ПНВ осуществляет и преобразование изображения. Преобразование происходит из-за разницы в спектральных характеристиках чувствительности фотокатода ЭОП и человеческого глаза. Современные фотокатоды имеют продленную (по сравнению с глазом)вИК-областьчувствительность (до 0.9мкм).
В этой области наблюдается существенное различие в коэффициентах отражений света от естественных и искусственных объектов. Поэтому неразличимый глазом в темное время суток на фоне травы или листвы человек в защитной форме будет отчетливо виден в ПНВ в виде темного объекта на светлом фоне.
2.ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПНВ
В настоящее время выпускаются и свободно продаются различные типы ПНВ, конструкции которых оптимизированы в соответствии с их назначением. Основными типами ПНВ являются:
-приборы наблюдения (монокуляры, псевдобинокуляры, бинокли),
-прицелы для стрелкового оружия,
-очки,
-приборы, позволяющие документировать наблюдаемое изображение (ночные фото- и видеокамеры).
Поскольку оптические элементы ПНВ давно и хорошо отработаны, основные параметры ПНВ и их стоимость во многом определяются применяемыми в них ЭОП. В большинстве отечественных ПНВ применяются:
— однокамерные ЭОП , имеющие стеклянный вакуумный корпусе плоскими входным и выходным окнами. Такие ЭОП обеспечивают усиление яркости до 1000 раз при высокой чёткости ( разрешающей способности ) только в центре поля зрения. По мере удаленияот центра чёткость резко падает, что снижает информативность наблюдения. Однако невысокая цена таких ЭОП делает их предпочтительными для производителей недорогих, массовых ПНВ. Такие ЭОП далее (условно) будут называться «ЭОП нулевого поколения»;
— однокамерные ЭОП с волоконно-оптическими пластинами (ВОП) на входе и выходе, использующие микроканальный усилитель электронного изображения, а также имеющие встроенный источник питания. Такие ЭОП, называемые «ЭОП второго поколения», усиливают яркость изображения в 30 — 50 тысяч раз, имеют хорошую четкость изображения по всему полю зрения и обладают высокой помехозащищенностью к ярким локальным засветкам. Дорогие комплектующие изделия этих ЭОП определяют их на порядок более высокую цену.
Еще более высокими характеристиками (и, соответственно, ценой) обладают миниатюрные ЭОП с «плоской» электронно-оптической системой и фотокатодами с повышенной эффективностью (т.н. «третье поколение»). Эти ЭОП применяются в основном в приборах спецтехники. 6 коммерческих ПНВ чаще используется их разновидность с более простым фотокатодом: «2-плюс поколение».
ЭОП т.н. первого поколения с плоско-вогнутыми ЭОП на входе и выходе легко собираются в двух- и трехмодульные сборки. Трехмодульный ЭОП имеет параметры и цену, сравнимые с ЭОП второго поколения, однако применяются реже из-за большей длины: трехмодульный ЭОП первого поколения с рабочим диаметром 25мм имеет длину 195мм, аналогичный ЭОП второго поколения — 76 мм.
2.1 .Монокуляры
Ночные монокуляры (визиры) имеют один входной объектив, один ЭОП и один окуляр(лупу). Наблюдение через такой ПНВ ведется одним глазом, а прибор удерживается одной рукой.
Наиболее распространенными в отечественной продаже являются монокуляры на базе ЭОП нулевого поколения, что определяет их приемлемую для среднего покупателя цену на уровне, соответствующем 150-200 долларов США. Такие ПНВ имеют входные объективы со светосилой порядка 1:1,5- 1:2 и фокусным расстоянием 80-100 мм при угле поля зрения от 10 до 20 градусов.
Источник питания запитывается, как правило.двумябатарейками по 1.5 вольта. Масса составляет около одного килограмма.
Основной параметр как наблюдательных, так и всех ПНВ -дальность видения. Его грамотное определение должно включать следующие факторы: освещенность наблюдаемой сцены, размер наблюдаемой цели и ее контраст по отношению к фону, детальность видения: обнаружение, распознавание, идентификация. Такая многофакторность определения дальности видения часто приводит к несоответствию между рекламными и реальными значениями этого параметра.
В некоторых случаях покупателю предлагают проверить работу ПНВ при одетой на объектив защитной крышке с «булавочным» отверстием, имитирующем ночную освещенность. Такая проверка дает представление о качестве изображения (четкости и чистоте поля зрения), но не может использоваться для оценки дальности видения, т.к. резко изменяет параметры входного объектива.
Из опыта работы и элементарных расчетов следует, что наблюдательные ПНВ на базе ЭОП нулевого поколения и входной оптикой с вышеприведенными параметрами обеспечивают при освещенности 0,01 люкса (освещенность, создаваемая ночью четвертью луны) обнаружение ростовой фигуры человека на фоне зелени со 150- 200 м и распознавание ее деталей примерно с 70-100 м.
Некоторые ПНВ такого типа комплектуются малогабаритными инфракрасными осветителями (максимум излучения около 0,8 мкм), с мощностью порядка нескольких десятков милли- ват/стерадиан.
Эффективная дальность действия таких осветителей порядка 50 м, П ИВ с таким осветителем дает возможность работы в полной темноте (пещеры, подвалы), но демаскирует наблюдателя для аналогичных или более совершенных ПНВ.
Большими возможностями обладают ПНВ, использующие ЭОП второго поколения. При светосильных (1:1 ,5 — 1:2) объективах с увеличением 3-5 крат эти ПНВ дают возможность наблюдения даже в безлунную ночь, что соответствует освещенности на местности (1…5)х10-3люкс. При этом фигура человека обнаруживается с расстояния 400-600 м, а ее детали — с 250-300 м.
ПНВ с ЭОП второго поколения обладают хорошей помехозащищенностью: яркие засветки, попадая в поле зрения таких ПНВ, на выходном изображении носят локальный характер: не создают ореолов и не мешают наблюдению по всему полю зрения. Масса таких ПНВ, в основном из-за больших размеров и массы ЭОП второго поколения, составляет не менее 1,5-2 кг. Цена — от одной до нескольких тысяч долларов в зависимости от качества ЭОП и оптических компонентов, а также схемы питания. включая автоматическую регулировку выходной яркости (АРЯ).
2.2 Бинокли
При нормальном зрительном процессе человек пользуется двумя глазами. Изображения, создаваемые каждым глазом . дополняя и усиливая друг друга, создают в нашем сознании один зрительный образ, несущий также информацию о пространственном характере изображения (стереоскопический эффект).
В псевдобинокулярных ПНВ используется один объектив, один ЭОП и бинокулярный панорамический окуляр на выходе. Такой окуляр обращен к наблюдателю выпуклой стороной плоской линзы, с углом поля зрения 90 и более градусов, через которую изображение на экране ЭОП рассматривается двумя глазами. Это обеспечивает большее удобство наблюдения и, соответственно, меньшуюутомляемость глаз.
Ночные бинокли классической схемы содержат два объектива, два ЭОП и два окуляра. В отличие от псевдоби- нокуляров такая схема обеспечивает стереоскопичность изображения удаленных объектов, для чего расстояние между входными объективами делается существенно больше, чем расстояние между глазами (база).При наблюдении ночной бинокль, как и обычный, удерживается двумя руками с помощью специальных конструктивных элементов: ручек, держателей, приливов.
В зависимости от качества оптических компонентов и типа применяемых ЭОП (нулевое, первое или второе поколение) цена на псевдо- и бинокулярные ПНВ лежит в пределах от 800 до 2500 долларов.
2.3.Прицелы
В определенных обстоятельствах необходимо не только наблюдение за объектом в темное время суток, но и прицельная стрельба в него в таких условиях (например, ночная охота). Эту задачу решают ночные прицелы. Принципиально ночной прицел аналогичен ночному монокуляру, но имеет следующие существенные отличия.
Прицел имеет механизм крепления на оружие и механизм «выверки». Последний обеспечивает совмещение линии прицеливания (стрельбы) оружия с специальной меткой («маркой») в поле зрения ПНВ, играющей при ночной стрельбе роль «мушки». Марка может быть темной или светящейся, что более предпочтительно , т. к, светящаяся марка легче различается на темном предмете(цели). В связи с большими ударными нагрузками, возникающими в момент выстрела (до 100 и выше «g»), к ЭОЛУ и всей конструкции прибора предъявляются повышенные по сравнению с другими П Н В требования по ударопрочности и удароустойчивости.
Дальность действия ночных прицелов разумно соотносить с дальностью прицельной стрельбы оружия, которая для легкого стрелкового оружия составляет 200 — 400 метров. Ночные прицелы можно использовать и в дневное время, для чего на объектив одевается специальная диафрагма (крышка) с «булавочным» отверствием, защищающая ЭОП от яркого света и одновременно обеспечивающая хорошую видимость цели.
Более сложная конструкция прицелов определяет и их более высокую на 25-30 процентов (по сравнению монокулярами) цену.
2.4.Очки ночного видения
Принципиальным отличием очков ночного видения(ОНВ) от вышеописанных ПНВ является то, что ОНВ закрепляются на голове или специальном головном уборе наблюдателя, оставляя его руки свободными для выполнения различных работ и операций в ночное время. Сфера последних широка и разнообразна: ремонтные и спасательные работы, вождение наземного и воздушного транспорта, стрельба по целям, подсвечиваемым лазерными излучателями.
В последнем случае объект (цель) «метится» невидимым невооруженным глазом лучом лазера, сьюстированным с оружием, а стрелок, видя «метку» с помощью ОНВ и наведя ее на цель, поражает последнюю без обычного прицеливания. Для привычной и быстрой ориентации практически все типы ОНВ имеют однократное увеличение и широкое поле зрения: 40 и более градусов. Классическая конструкция ОНВ содержит два объектива, два ЭОП и два окуляра, в ряде ОНВ с целью снижения цены используются один объектив и один ЭОП (т.н. тип «циклоп»).
Наиболее доступными и дешевыми являются ОНВ на ЭОП нулевого и первого поколений, а наиболее эффективными по дальности и наиболее легкими (менее 500 г) — на базе ЭОП 2+ и З-го поколений. Из-за высокой цены таких очков, сравнимой с ценой среднего автомобиля, они используются в основном для ночного пилотирования вертолетов или для задач, решаемых спецслужбами.
Последним достижением в области ОНВ являются голографические ОНВ. За счет использования голографических зеркал и фильтров в таких очках практически полностью 08 проц.) пропускался, усиленное ЭОП изображение слабоосвещенных объектов, одновременно на столько же отражая мешающие наблюдению световые помехи, которые видны как бы через очень темные очки. Нижняя часть маски таких очков имеет повышенную прозрачность, что делает удобным наблюдение приборной доски при использовании очков для вождения транспорта в ночных условиях.
2.5 ПНВ с документированием изображения
В ряде случаев требуется документирование (фотография, видеозапись) наблюдаемых с помощью ПНВ сцен, объектов и их действий.
Наиболее простое решение — присоединение к ПНВ. вместо окуляра фото- или кинокамеры. Некоторые ПНВ комплектуются адаптерами для присоединения фотокамер, легко осуществляемого самим пользователем прибора.
Более совершенной и многофункциональной является система, в которой изображение с экрана ЭОПа ПНВ оптически передается на ПЗС-матрицу. Передача осуществляется с помощью фоконов (волоконно-оптических «уменьшителей» изображения) или линзовой оптики «переноса». Электронная схема («обрамление») ПЗС-матрицы преобразует полученное изображение в видеосигнал в аналоговой и при необходимости в цифровой форме.
Видеосигнал может наблюдаться на телеэкране (мониторе), что более удобно и менее утомительно, чем наблюдение (особенно длительное) через окуляр ПНВ. При этом возможна одновременная запись на видеомагнитофон и передача на несколько мониторов для нескольких операторов.
Видеосигнал может передаваться по кабелю (до 200 м без промежуточных усилителей), либо с помощью встроенного в прибор наблюдения миниатюрного передатчика, сигнал которого принимается на один из каналов обычного телевизора.
Качество таких систем определяется числом телевизионных линий, передаваемых при определенной освещенности наблюдаемой сцены.
При использовании ПНВ с ЭОП нулевого поколения при освещенности 0,01 люкс передается 300-350 линий, для ПНВ с ЭОП второго поколения такое же число линий передается при освещенности 1…5х10-3 люкс, а с ЭОП третьего поколения — при 1х10-4 — 5х10-5 люкс.
Такие приборы могут комплектоваться адаптерами для присоединения на вход ПНВ современных объективов для ПЗС-камер, имеющих дистанционно регулируемые диафрагму (auto-iris), переменное увеличение (zoom) и подфокусировку. Прибор с таким объективом и ЭОПом с хорошей схемой АРУ обеспечивает практически круглосуточное (от безлунной ночи до яркого дня) наблюдение с необходимым документированием.
Преобразование видеосигнала в цифровой код дает системам «ПHB+П3C» дополнительные возможности. Получаемое изображение может регистрироваться цифровой фото- или видеокамерой, подвергаться обработке для усиления контраста, устранения светлых и темных дефектов, окрашиваться в условные цвета.
Более сложный комплекс из двух ПНВ с ПЗС со специальными светофильтрами после цифровой электронной обработки сигналов создает на мониторе изображение наблюдаемой ночной сцены в естественных цветах. Это существенно повышает информативность, быстроту и ценность зрительного восприятия. Такой прибор, опровергающий известную пословицу «ночью все кошки серы», был продемонстрирован на выставке «IDЕХ-97» (Абу- Даби) бельгийской фирмой «Delft Sensor Systems». По мнению разработчиков, изображение в естественных цветах повышает эффективность обнаружения и распознавания объектов в ночных условиях на 30-60 процентов.
В России разработки и выпуск систем на основе ПНВ и ПЗС ведутся ГНЦ «НПО»Орион» совместно с рядом соисполнителей.
3. Приборы с УФ- и ИК-фотокатодами.
Выше рассматривались ПНВ с ЭОП, чувствительными в диапазоне 0,4-0,9 мкм, и предназначенные для наблюдения удаленных объектов, что и соответствует основной задаче этих приборов: видеть ночью так же далеко и хорошо, как и днем.
В то же время существует множество других применений ЭОП, основанных на их уникальной способности преобразовывать в видимое принципиально невидимое глазом изображение.
Например, ЭОП с фотокатодом. чувствительным в «солнечно-слепой» УФ-области (от 0,1 до 0,3 мкм),позволяет при дневном свете вести важные с точки зрения экологии наблюдения озоновых дыр, свечений объектов и участков с повышенной радиоактивностью, а также токсичных выхлопов двигателей.
В криминалистике УФ-ЭОП используются для определения подделок, когда подлинные документы снабжены специальными метками, отражающими УФ излучение.
Давно известен способ чтения документов, залитых чернилами или тушью, с помощью ЭОП с кислородно-серебряно-цезиевыми фотокатодами, чувствительными до 1,2 — 1,3 мкм. Многие жидкости и материалы, непрозрачные в видимой области, прозрачны в этом ИК-диапазоне и залитая или подделанная надпись прекрасно видна с помощью такого ЭОП .
Рентгеновские ЭОП (РЭОП), имеющие вместо фотокатода сложный «сэндвич»: «рентгенолюминофор-прослойка-фотокатод» способны визуализировать рентгеновское излучение.
Главной областью применения РЭОП с большим рабочим диаметром (до 320 — 400мм) является медицинская рентгенодиагностика. Малогабаритные РЭОП с полем диаметром до 50-100 мм в комплекте с миниатюрными радиоизотопными источниками излучения могут использоваться для оперативной полевой рентгенодиагностики, просвечивания багажа, контроля дефектов электро- и микросборок и других задач оперативной интроскопии с переносной аппаратурой.
Таким образом, современная фотоэлектроника существенно расширяет возможности человеческого зрения в части видения в условиях низкой освещенности и в принципиально недоступных для глаза диапазонах. Сложность этой техники, большое количество типов ПНВ, имеющихся в продаже, разница в их классах и ценах, а также неизбежные рекламные «передержки» в описаниях приборов делают весьма желательной квалифицированную и объективную консультацию при выборе и покупке таких приборов.
ГНИ «НПО» Орион». имеющий большой опыт разработки и выпуска ПНВ и ЭОП для них и являющийся головной организацией в России по ночному видению, предлагает на согласованных условиях проведение как консультаций и разработок в этой области, так и продажу готовых ПНВ практически всех описанных в этой статье типов.