Приборы ночного видения новых поколений..

Приборы ночного видения новых поколений..

ПРИБОРЫ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ НОВЫХ ПОКОЛЕНИЙ

Приборы ночного видения (ПНВ) предназначены для наблюдения и прицеливания в темное время суток – в сумерки и ночью. ПНВ появились в конце второй мировой войны и с тех пор прошли сложный путь развития. Они нашли широкое применение как в военной, так и в гражданской технике. Их развитие можно разбить на ряд этапов, с которыми связано появление определенных поколений ПНВ. 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. К настоящему времени известны три поколения ПНВ [1].

Главным признаком, по которому различаются поколения ПНВ, является их основной элемент – электронно-оптический преобразователь (ЭОП), предназначенный для преобразования невидимого для человеческого глаза изображения в видимое и усиления его по яркости.

Схема наиболее совершенного ЭОП III поколения представлена на рис. 1, где 1 фотокатод с отрицательным электронным сродством (на основе GaAs), нанесенный на стеклянное входное окно; 2, 3 – микроканальная пластина; 4 – экран, нанесенный на выходное стеклянное окно 5 (рис.1а) или на волоконно-оптическую пластину 6 (рис.1б) без оборачивания изображения для стыковки с матрицей ПЗС телевизионной (ТВ) камеры, либо на волоконно-оптическую пластину 7 (рис.1в) с оборачиванием изображения на 1800.

Рис. 1. Схема ЭОП III поколения

За последнее десятилетие разработка ЭОП (и соответственно ПНВ) новых поколений интенсивно велась в США по программе OMNIBUS [2, 3]. Эти работы проводятся фирмами ITT Defense и Litton Systems с целью увеличения интегральной чувствительности фотокатода, отношения сигнал/шум и разрешающей способности ЭОП III поколения (см. таблицу 1). Работы по программам ОMNIBUS III, IV позволили сократить технологический цикл создания ЭОП III поколения и разработать новые их образцы серии OMNI. Лучшие образцы этих ЭОП достигли разрешающей способности до 84 штр/мм, отношения сигнал/шум свыше 23, интегральной чувствительности фотокатода более 2000 мкА/лм. Соответственно этому дальность видения в ПНВ возросла в 1,5 раза по сравнению с традиционными ПНВ III поколения. Новые ЭОП получили название высокоинформативные ЭОП III поколения”. Несмотря на их высокую стоимость (до $10 тыс. за штуку) с 1999 г. в США производится замена всех ЭОП III поколения на высокоинформативные ЭОП. В некоторых литературных источниках эти ЭОП даже относят к IV поколению. Однако фактически к ЭОП IV поколения относятся изделия, параметры которых приведены в таблице, а также последние образцы ЭОП фирмы Litton: их отношение сигнал/шум превосходит 33, а интегральная чувствительность фотокатода – 2200 мкА/лм.

Таблица 1.

Физически эти достижения связаны с устранением в ЭОП IV поколения ионно-барьерной пленки, которая наносилась на микроканальную пластину (МКП) с целью защиты фотокатода ЭОП от воздействия ионов, возникающих в этой пластине. Однако эта же пленка приводила к отражению потока электронов, перемещающихся от фотокатода ЭОП к микроканальной пластине. Это вызывало рассеяние электронов, снижало отношение сигнал/шум, ухудшало разрешающую способность ЭОП и ограничивало динамический диапазон его работы (т.е. сокращало пределы рабочей освещенности фотокатода). Кроме того, в ЭОП IV поколения используются тонкопленочные МКП с резко уменьшенным диаметром микроканала 6 мкм вместо традиционных 12 мкм. Это привело к возрастанию разрешающей способности до 64 – 84 штр/мм. Отличительной особенностью ЭОП IV поколения является также наличие в нем стробируемого высоковольтного источника питания, автоматически изменяющего скважность работы в импульсном режиме соответственно внешней освещенности [2]. Импульсный режим не только расширяет динамический диапазон работы ЭОП и соответственно ПНВ в широком диапазоне изменения внешней освещенности, но и подавляет шумы. Степень их ослабления пропорциональна скважности работы в импульсном режиме высоковольтного источника питания. Благодаря этому отношение сигнал/шум может достигать 100 и более.

Конкретным примером ПНВ IV поколения являются очки ночного видения AN/AVS-9 фирмы ITT (США) (фото 1) [4]. В ПНВ установлен ЭОП IV поколения. Фирма ITT заключила контракт с ВМФ США на сумму $43 млн. на поставку ПНВ IV поколения. Основные параметры прибора AN/AVS-9: угол поля зрения 400, масса без наголовного крепления 540 г, с креплением – 780 г, напряжение питания 3 В, диапазон рабочих температур -32 – +52 0С [5]. Очки предназначены для пилотирования вертолетов.

Фото 1. Очки ночного видения
AN/AVS-9 фирмы ITT, США

В Объединенном институте физики полупроводников СО РАН также разработана технология ЭОП IV поколения [6]. В нем вместо традиционной микроканальной пластины используется полупроводниковый динод, работающий “на прострел” пучком электронов с фотокатода ЭОП. По мнению разработчиков, это позволяет получить высокое отношение сигнал/шум и значительную защищенность от воздействия световых помех при долговечности ЭОП до 50000 часов.

Таким образом, в настоящее время отсутствует однозначное понимание того, что же следует считать ЭОП и соответственно ПНВ IV поколения. В связи с этим необходим выбор наиболее важного критерия, позволяющего классифицировать ПНВ новых типов с точки зрения возможности их отнесения к IV поколению. Думается, что таким критерием является сдвиг чувствительности фотокатода в инфракрасную (ИК) область спектра.

В настоящее время традиционные фотокатоды на основе GaAs, установленные в ЭОП III поколения, работают в области спектра 0,4 – 0,9 мкм (рис. 2, кривая 1). Однако за последние годы созданы фотокатоды с отрицательным электронным сродством на основе структуры InGaAs – InGaAsP, работающие в области спектра 0,4 – 1,1 мкм. В частности, фирма Varian Associates (США) разработала фотокатоды трех типов: с прямым эмиттером на основе InGaAsP p-типа с квантовым выходом 2,7%, что в 10 20 раз лучше, чем у кислородно-цезиевого фотокатода S-1, на основе гибридного гетероперехода InP/InGaAsP p-типа с квантовым выходом до 10%, на основе гетероперехода InGaP/InGaAs p-типа с квантовым выходом 20 – 30%. Наибольших успехов достигла фирма Litton, создавшая ЭОП с фотокатодом также на основе InGaAs, но с высоким уровнем легирования индия – до 55% [7]. На рис. 3 приведены кривые спектральной чувствительности фотокатодов ЭОП фирмы Litton. Из рис. 3 видно, что при легировании индием до 55% область спектральной чувствительности фотокатода ЭОП смещается в область спектра свыше 1,6 мкм. Такой сдвиг чувствительности в ближнюю ИК-область спектра позволяет наблюдать в ПНВ излучение наиболее распространенных в настоящее время лазерных целеуказателей-дальномеров, работающих на длине волны 1,06 мкм. Но главное преимущество заключается в том, что в ближней области спектра существенно выше уровень естественной ночной освещенности, спектральное распределение которой представлено кривой 1 рис. 2. Здесь же показаны кривая 2 чувствительности фотокатода ЭОП III поколения и кривая 3 чувствительности ЭОП с фотокатодом на основе InGaAs. Преимущество такого ЭОП очевидно. Ему присвоено наименование поколение III+” (Near IR Gen III). Эти ЭОП установлены в очках ночного видения AN/AVS-6 (ANVIS) и AN/PVS-7B фирмы Litton [8, 9], предназначенных для ночного пилотирования вертолетов, а также в ночном прицеле для автомата AN/PVS-13 той же фирмы (фото 2) [8]. Но в ночном прицеле AN/PVS-14 (фото 3) для индивидуального оружия фирмы ITT установлен уже ЭОП IV поколения [10]. Прицел имеет увеличение 6Х, угол поля зрения 5,630, дальность действия 700 м, массу 1,9 кг, габаритные размеры 317х107х107 мм, напряжение питания 3 В, диапазон рабочих температур -51 – +52 0С [8].

Рис. 2. Кривые спектральной чувствительности

Рис. 3. Кривые спектральной чувствительности
фотокатодов ЭОП фирмы Litton, США

Фото 2. Ночной прицел
AN/PVS-13 фирмы Litton, США

Фото 3. Ночной прицел
AN/PVS-14 фирмы ITT, США

Поскольку ЭОП III+ поколения полностью взаимозаменяемы с ЭОП III и II (II+) поколений, то масса и габариты ПНВ новых поколений не отличаются от ПНВ III поколения.

Однако наиболее актуальной проблемой является создание поколения ПНВ с рабочей областью спектра, смещенной в диапазон 1,4 1,8 мкм. Создание ЭОП для таких ПНВ предусмотрено программой OMNIBUS VI [2]. Рассмотрим, какие преимущества для ПНВ открывает эта область спектра. Для этого воспользуемся результатами работы [11].

Средняя величина естественной ночной освещенности в безлунную ночь для области спектра 0,4 – 0,9 мкм (фотокатод ЭОП II, II+, III поколений) достигает (1,5 – 3)х10-9 Вт/см2мкм, а в области спектра 1,4 – 1,8 мкм – (1,5 – 2)х10-7 Вт/см2мкм, т.е. на два порядка выше. Кроме того, улучшается прозрачность атмосферы: при метеорологической дальности видимости 10 км пропускание толщи атмосферы 1 км на длине волны 600 нм составляет 0,72, а в центре области спектра 1,4 1,8 мкм – 0,93. При этом яркость атмосферной дымки снижается больше чем на порядок в области спектра 1,4 – 1,8 мкм по сравнению с видимой областью спектра. Величина контраста объекта наблюдения с фоном в этой области спектра более стабильна и выше в 1,4 – 1,5 раза, чем в области спектра 0,4 – 0,9 мкм. Кроме того, если в этой области спектра освещенность ночью меняется от 10-5 до 2,5х10-9 Вт/см2, то в области 1,4 – 1,8 мкм от 1,6х10-4 до (3 – 4)х10-7 Вт/см2 при тех же условиях освещенности, т.е. почти на два порядка. Процент обеспеченности освещенностью в течение всего года для естественной ночной освещенности в пределах 5х10-3 – 5х10-4 лк для области спектра 1,4 – 1,8 мкм также почти в 2 раза выше, чем для 0,4 – 0,9 мкм [11].

В области спектра 1,4 – 1,8 мкм можно работать до определенной степени в некоторых дымах и в пыли, а также визуализировать излучение современных лазерных целеуказателей-дальномеров, работающих на длине волны 1,55 мкм и 1,7 мкм.

Весьма результативно использование ПНВ, работающих в области спектра 1,4 – 2,0 мкм для демаскировки объектов. На рис. 4 даны кривые отражательной способности формы солдата бывшего СССР (кривая 1), формы солдата США (кривая 2) и натуральной растительности (кривая 3) [12]. Из рис. 4 видно, что в области спектра 1,4 – 2,0 мкм разница в отражательной способности обмундирования позволяет не только обнаружить солдата на фоне зелени, но и отличить своего от чужого.

Рис. 4. Кривые отражательной способности формы солдат

Известно, что камуфляж позволяет замаскировать различные объекты на фоне окружающего пространства. Однако камуфляж, разработанный для видимой области спектра, может быть неэффективен для области спектра 1,4 – 1,8 мкм. Для нее узор камуфляжа исчезает, и обнаруживается силуэт замаскированного объекта [12].

В области спектра 1,4 – 1,8 мкм можно видеть в тумане, обнаруживать следы льда на крышах самолетов в аэропортах. Это похоже на черный” лед на дорогах. Его нельзя заметить в видимой области спектра, но можно увидеть в области спектра 1,4 – 1,8 мкм. В этой области можно обнаружить на картинах более раннюю живопись, скрытую под слоем масляных красок. Достигается это благодаря тому, что многие пигменты масляных красок, окрашивающие свет в видимой области спектра, прозрачны в области 1 – 2 мкм [12].

Рассмотрим теперь пути практической реализации ПНВ нового поколения, работающих в области спектра 1,4 – 1,8 мкм.

Одним из путей, как уже говорилось, является создание ЭОП с фотокатодом на основе InGaAs с высоким уровнем легирования индия (см. рис. 3).

Другой путь состоит в создании ЭОП с фотокатодом на основе барьеров Шоттки так называемого ТЕР-фотокатода (ТЕР – Transferred Electron Photocathode) [11]. На рис. 5 представлена кривая спектральной чувствительности ТЕP-фотокатода (кривая 1) в сравнении с кривой чувствительности обычного фотокатода ЭОП III поколения [13]. Принимая во внимание меньшую чувствительность ТЕР-фотокатода, представляется целесообразным использовать его в ТВ-камере на базе ПЗС с электронной бомбардировкой [13]. На рис. 6 представлена схема построения такой ТВ-камеры, где 1 – ТЕР-фотокатод; 2 – поток электронов; 3 вакуумированный объем; 4 – матрица ПЗС; 5 видеоусилитель; 6 – жидкокристаллический (ЖК) ТВ-монитор. Разработана ТВ-камера с форматом 2/3 дюйма, числом пикселей 768х244, при частоте кадров 60 Гц. Предельная разрешающая способность ТВ-камеры составляет 45 штр/мм. При работе ТВ-камеры в течение 12000 часов чувствительность фотокатода падает на 50%. ТВ-камера допускает режим стробирования. Это позволяет использовать ее совместно с импульсным лазерным осветителем, генерирующим на длине волны 1,54 мкм, в качестве активно-импульсной ТВ-системы. При этом время фронта и среза импульса строба не превышает 50 нс. При напряжении 2 кВ коэффициент усиления камеры свыше 150. В ТВ-камере отсутствуют обычные для ЭОП III поколения микроканальная пластина и волоконно-оптические детали, снижающие качество изображения. Габариты ТВ-камеры не превышают Ж50х15 мм. Видеосигнал с выхода матрицы ПЗС (4) усиливается в видеоусилителе (5) и поступает в ЖК ТВ-монитор (6), на экране которого создается ТВ-изображение.

Рис. 5. Кривые спектральной чувствительности

Рис. 6. Схема ТВ-камеры на базе TEP-фотокатода

Следующим вариантом ТВ-системы, работающей в области спектра 1 – 1,8 мкм, является ТВ-камера на базе ИК-видикона. В частности, фирма Hamamatsu (Япония) разработала малогабаритную ТВ-камеру R5509 [14]. Ее спектральная чувствительность представлена на рис. 7 (кривая 1). Здесь же представлена кривая 2 спектральной чувствительности аналогичной ТВ-камеры (модель 7869) НПО “Электрон” [15]. ТВ-камера выполнена на базе ИК-видикона с мишенью на основе PbO/PbS (или Pb-O-S) с разрешением 600 ТВ-линий при размере рабочей площадки мишени 9,5х12,7 мм. В США фирма Optical Systems Inc. разработала ТВ-камеру (модель Find-R-Scope 85400/95345) (фото 4), работающую в области спектра до 2,2 мкм [16]. ТВ-камера имеет массу 1,587 кг, габариты 305х89х114 мм, разрешение 550 ТВ-линий, потребление по току 1,3 А при напряжении питания =24 В [14]. ТВ-камера, кроме эффективного наблюдения при пониженной прозрачности атмосферы, допускает визуализацию излучения лазерных дальномеров на длинах волн 1,06, 1,55, 1,7 и 2,1 мкм. Это не обеспечивается другими указанными выше средствами. Кривые 3, 4 спектральной чувствительности ТВ-камеры даны на рис. 7. Однако все эти ТВ-камеры обеспечивают работу только в лунную ночь и в сумерках. Их общим недостатком является наличие вакуумированного объема.

Рис. 7. Спектральная чувствительность
ТВ-камеры на базе ИК-видикона

Фото 4. ТВ-камера Find-R-Scope 85400/95345
фирмы Optical Systems Inc., США

В связи с этим наибольший интерес представляет ТВ-камера с использованием матричного фотоприемника на базе InGaAs c числом элементов 640х480 [17]. Фирма Emerging IR Technology (США) создала такую ТВ-камеру (модель SU320-1,7RT) с энергопотреблением менее 0,1 Вт. ТВ-камера работает в области спектра 0,9 – 1,7 или 0,9 – 2,0 мкм [12]. Габариты камеры не превышают 158х103х103 мм. Ее обнаружительная способность составляет свыше 1012 Вт-1Гц1/2см. Однако для обеспечения преимущества ТВ-камеры по сравнению с ЭОП III поколения ее чувствительность должна быть свыше 1014 Вт-1Гц1/2см. Для реализации такой чувствительности необходимо термоэлектрическое охлаждение до температуры порядка 230 – 250 К. Однако в настоящее время активно продолжаются работы по снижению уровня темнового тока и повышению чувствительности ТВ-камеры. Динамика этих работ позволяет рассчитывать на достижения в ближайшее время указанной чувствительности без необходимости применения охлаждения. Кривая спектральной чувствительности ТВ-камеры дана на рис. 8, а ее внешний вид – на фото 5. Поскольку размер пикселя матричного фотоприемника составляет 25х25 мкм, а в промышленных ТВ-камерах на матрицах ПЗС этот размер достигает 7х7 мкм [17], то в США ведутся работы по созданию гиперспектральных ТВ-детекторов. При этом в одном чипе предполагается совмещение ИК-матрицы и матрицы видимого диапазона [17]. Такие системы работают в различных спектральных диапазонах, варьируя которыми, можно выделять по спектру разнообразные объекты.

Рис. 8. Кривая спектральной чувствительности ТВ-камеры
с использованием матричного фотоприемника на базе InGaAs

Фото 5. ТВ-камера SU320-1,7RT
фирмы Emerging IR Technology, США

Как известно, тепловизионные приборы можно охарактеризовать с помощью такого параметра, как NETD. Современные тепловизионные приборы на основе фокальных матриц HgCdTe и InSb имеют значения NETD порядка 0,01 0С [12]. Однако имеется целый ряд применений, где требуется значительно меньшая чувствительность, но важнее малые масса, габариты и меньшая стоимость. К таким применениям относится наблюдение нагретых объектов, как на поле боя, так и в промышленных условиях. Для камер на основе InGaAs в области спектра 0,9 – 1,7 мкм имеем NETD порядка 1 0С [10]. Этого достаточно для наблюдения многих теплоизлучающих объектов. Примером такой камеры может служить модель Merlin-NEAR (фото 6) фирмы Indigo Systems (США), работающей в области спектра 0,9 – 1,68 мкм. Она имеет размер элемента 30х30 мкм, поле обзора 22х160 или 11х80, массу 1,6 кг, габариты 102х114х203 мм. Камера может обеспечивать измерение температур в диапазоне от 250 до 2000 0С [12]. Стоимость камер на основе InGaAs не превышает $10 – 15 тыс., и ожидается снижение их цены до уровня $5 тыс. Вместе с тем эксплуатация таких камер не сложнее, чем бытовой видеокамеры.

Фото 6. Камера Merlin-NEAR фирмы Indigo Systems, США

В таких камерах используется ТВ-монитор того же типа, что и электронный визир в бытовых видеокамерах. Однако за последние годы достигнуты значительные успехи в области создания жидкокристаллических ТВ-мониторов. Поэтому идеология таких камер допускает создание полностью твердотельного преобразователя изображения (рис. 9), содержащего фотоприемную матрицу (1), блок электронной обработки (2) и ЖК-индикатор (3). В качестве последнего может быть использована модель миниатюрного ЖК-индикатора ProCam 1 фирмыRockwell Science Center (США) с числом пикселей 1936х1088, имеющая энергопотребление не более 0,18 Вт при питании от =1,5 В и динамический диапазон свыше 63 дБ [18]. Аналогичные параметры имеют и жидкокрисаллические ТВ-индикаторы военного назначения [19]. Блок электронный обработки обеспечивает синхронное управление матрицами фотоприемников и ЖК-индикатора, а также обработку изображения в реальном масштабе времени.

Рис. 9

Таким образом, перспективы создания новых поколений ПНВ связаны с использованием полностью твердотельных преобразователей изображения, работающих в области спектра 0,9 – 2 мкм, обеспечивающих наблюдение в широком диапазоне внешних условий и новые функции, отсутствующие у ПНВ на базе ЭОП.

Литература

1. Саликов В.Л. Приборы ночного видения: история поколений//Специальная техника, 2000, № 2, с. 40 – 48.
2. Gourley S. See in the Night. Jane’s Defense Weekly, 2001, Vol. 21, No. 3, pp. 20 – 27.
3. Материалы международной конференции Night Vision, Великобритания, Лондон, 3 – 4 марта 1999
4. ITT Boosts Night For U.S. Navy Aviators. Defense News, 2001, March 19, p. 21.
5. AN/AVS-9 (F4949) Aviators Night Vision Imaging System. Проспект фирмы ITT Defense and Electronics, США, 2001
6. Электронно-оптический преобразователь нового поколения (ЭОП). 4-я Международная выставка Наука. Научные приборы-2000”, 16-20 октября 2000, Российская академия наук. Разработки Сибирского отделения. Каталог, М., 2000, с. 25.
7. Estrera J.P., Sinor T.W., Passimoro K.T., Rector M. Development of Extended (1 – 1,3 mkm) Image Intensifiers. SPIE, 1995, Vol. 2551, pp. 135 – 144.
8. Каталог приборов ночного видения фирмы Litton, США, 2000.
9. Саликов В.Л. Эпоха ночной войны//Специальная техника, 2000, № 5, с. 21 – 32.
10. Gen 3 Pinnacle Meets Gen 4. Armada International, 2001, No. 2, p. 48.
11. Кощавцев Н.Ф., Кощавцев А.Н., Федотова С.Ф. Анализ перспектив развития приборов ночного видения. Прикладная физика, 1999, вып. 3, с. 66 – 69.
12. Ушакова М.Б. Линейки и матрицы на основе InGaAs для области спектра 0,8 – 2,6 мкм и портативные ИК-камеры с их применением. Обзор зарубежной литературы за 1993 – 2000. ОНТИ ГУП НПО “Орион”, РФ, М., 2000.
13. Aebi V.W., Costello K.A., Edgecumbe J.P. Gallium Arsenide Electron Bombarded CCD Technology. SPIE, 1998, Vol. 3434, pp. 37 – 44.
14. Step up to photon counting at 1700 nm…for the very first time! Реклама фирмы Hamamatsu. Laser Focus World, 2000, Vol. 36, No. 6, p. 39.
15. Коршунова Г.И., Степанов Р.М., Наумов Ю.В., Андреева К.П. Телевизионный передающий прибор для области спектра 0,4 – 2 мкм. Прикладная физика, 1999, вып. 3, с. 96 –101.
16. Infrared Viewer Camera Find-R-Scope. Model No. 85400/85345. Проспект фирмы FJS Optical Systems Inc., США, 1999.
17. Волков В.Г. Малогабаритные телевизионные системы. Обзор по материалам отечественной и зарубежной печати за 1980-2000, № 5591, М., НТЦ Информтехника, 2000.
18. CMOS sensor for industrial video cameras. Laser Focus World, 2001, Vol. 37, No. 6, p. 243.
19. Hercovitz D. A Sampling of Military Displays. Journal of Electronic Defense, 2001, Vol. 24, No. 1, pp. 61 – 65.