Як працює прилад нічного бачення (ПНО)

Прилади нічного бачення застосовуються для спостереження за місцевістю у сутінках чи нічний час. Надзвичайною популярністю ці пристрої користуються мисливцями, оскільки дають можливість вести приховане спостереження, що особливо важливо при вистеженні великої дичини. Розберемо, як влаштовані ПНО та які у них основні принципи роботи.

Конструкція ПНВ

Прилади нічного бачення випускаються у різних варіантах виконання. Однак незалежно від цього застосовуються такі вузли:

• об'єктив;
• приймач випромінювання (світлового чи теплового);
• пристрій для відображення;
• підсилювач.

Принцип роботи ПНО різних різновидів

Прилади нічного бачення, залежно від конструкції, поділяють на оснащені:

• електронно-оптичним перетворювачем (ЕОП);
• цифровою матрицею.

Розберемо пристрій кожного з цих типів.

Прилади нічного бачення з ЕОП

У ПНО з ЕОП встановлено приймач випромінювання та підсилювач. За ефективністю перетворювача виділяють три покоління таких пристроїв.

ПНВ ЕОП покоління 1, 1+

В основі роботи лежить принцип електростатичного фокусування. Сигнал посилюється завдяки електронно-статичному перетворювачу. Фотони слабкого світла потрапляють на фотокатод. Утворюються електрони, що прискорюються, їх енергія збільшується за рахунок наведення електрополя в камері ЕОП. Для відображення зображення використовується екран з люмінофорним покриттям. Про його поверхню видаляються прискорені електрони, через що поверхня спалахує у тих чи інших місцях, тим самим генеруючи зображення.

ПНВ, що належать до першого покоління, здатні посилювати світлову потужність до 500 разів. Рівень чутливості фотокатода становить до 200 мкА/л.Пристрої при світлі чверть місяця здатні забезпечити спостереження з відривом до 1000 метрів. Робочий ресурс обладнання дорівнює приблизно 1000 годин, далі відбувається зниження чутливості перетворювача, яскравості і контрастності зображення, що відображається.

Головна перевага приладів з ЕОП першого покоління – їхня низька вартість. Однак вони відрізняються слабким посиленням світла, по краях зображення спостерігається сильне спотворення. Оскільки корпус ЕОП виконується зі скла, пристрої чутливі до ударів та віддачі.

У пристроях покоління 1+ застосовуються фотокатоди з ВОП пластиною, що виключає спотворення краю картинки. Моделі випускаються з металокерамічним корпусом, що підвищує ударостійкість.

ПНВ цього покоління посилюють світло в 1000 разів, показник чутливості фотокатода сягає 350 мкА/лм. При світлі о чверть Місяця можливе спостереження на дистанції до 200 метрів. Робочий ресурс пристрою становить приблизно 2000 годин.

При використанні таких ПНО необхідно пам'ятати, що у них не передбачено захисту від засвічення. Яскраве джерело світла, що різко з'явилося в зоні бачення, може пропалити шар фотокатода і стати причиною вигоряння люмінофора.

ПНВ ЕОП покоління 2, 2+

При виготовленні приладів нічного бачення другого покоління застосовуються біпланарні ЕОП, тобто в них не використовується електростатична лінза. На екран зображення з фотокатода транслюється шляхом прямого перенесення. Мікроканальна пластина посилює світло. Застосування МКП дозволяє отримати посилення до 2500-3000 разів. Крім того, прилади другого покоління не чутливі до яскравих спалахів.

Однак при використанні таких пристроїв варто враховувати, що навколо яскравих джерел світла з'являється гало.У таких пристроях передбачено автоматичне регулювання яскравості свічення екрану, а також є електронний захист від засвіток фотокатода. ПНО II покоління забезпечують хорошу якість зображення на всьому полі, без спотворень. Вони підходять для низького освітлення.

Моделі 2 покоління посилюють світло в 2500-3000 разів, показник чутливості фотокатода досягає 4000 мкА/лм. При світлі о чверть Місяця можливе спостереження з відривом до 500 метрів. Робочий ресурс пристрою становить приблизно 2000 годин.

Пристрої покоління 2+ здатні підсилювати світло у 2500-3000 разів, показник чутливості фотокатоду – до 4000 мкА/лм. При світлі о чверть Місяця дистанція для спостереження становить до 500 метрів. Робочий ресурс пристрою становить приблизно 3000 годин.

ПНВ ЕОП покоління 3, 3+

У приладах цього класу використовуються фотокатоди на основі арсенід галію. Це забезпечує їхню високу чутливість. Такі пристрої можуть застосовуватися у безмісячні ночі. ПНО покоління 3, 3+ дають можливість отримати чітку, контрастну, деталізовану картинку. Для посилення світла застосовується МКП з діаметром пор 5-6 мкм (для порівняння в приладах другого покоління діаметр каналів 6-10 мкм).

ПНВ 3 покоління посилюють світло в 40 000-70 000 разів, показник чутливості фотокатода досягає 900-1600 мкА/лм. При світлі о чверть Місяця дистанція спостереження може сягати 900 метрів. Робочий ресурс пристрою становить приблизно 10000 годин.

Пристрої покоління 3+ мають збільшує світлову здатність в 5000-80000 разів, показник чутливість фотокатода 2000-2700 мкА/лм. При світлі о чверть Місяця дистанція нагляду становить до 1000 метрів.Робочий ресурс пристрою приблизно дорівнює 10000 годин.

Цифрові ПНВ

ПНВ того типу працюють на основі світлочутливої ​​матриці (аналогічна встановлена ​​у відеокамерах та фотоапаратах). Через об'єкт ПНО світло потрапляє на матрицю, далі він перетворюється на цифровий сигнал, що обробляється за спеціальними алгоритмами для підвищення якості картинки, зміни колірної палітри відображення. Прилади нічного бачення можуть випускатися у форматі монокулярів, біноклів та прицілів. У разі на зображення накладається прицільна сітка. Зображення виводиться на вбудований РК екран. Його розмір залежить від моделі ПНВ.

Сучасні цифрові ПНО дають можливість отримувати зображення навіть при освітленості від 0,0005 Люкс. Багато приладів цифрового типу присутній додатковий функціонал. У деяких пристроях вбудований фото- та відеорекордер, що дозволяють відобразити найцікавіші моменти полювання, далекомір, також у деяких випадках можливе під'єднання до смартфону через Wi-fi.

Цифрові прилади виготовляються у великому ціновому сегменті. Вони випускаються з додатковими функціями, практично не чутливі до віддачі, не бояться засвічення.

До основних недоліків відносять – нездатність роботи за умов повної темряви без ІЧ-підсвічування. Ще один мінус – пікселізація зображення.

Прилади нічного бачення випускаються у різних варіантах виконання. Вони є обов'язковим атрибутом для мисливця, проте підвищують точність стрілянини за умов низької видимості. За потреби фахівці нашого магазину допоможуть у виборі приладу або прицілу з можливістю нічного бачення.

Прилад нічного бачення: принцип роботи

Ефективно використовувати нічний час доби для вирішення тактичних завдань воєначальники прагнули ще з давніх-давен. Але для цього потрібно було володіти очима пугача або кішки, які бачать у темряві. У середині ХХ століття, завдяки розвитку науки, такі «очі» були винайдені. Тим не менш, багато людей, які користуються приладами нічного бачення, навіть не мають поняття про те, як вони працюють.

У 30-х роках з'явилися перші фотоелектронні прилади. Один напрямок їх розвитку призвів до винаходу телебачення та сучасного цифрового відео, а другий – до появи електронно-оптичних перетворювачів (ЕОП), що стали основою для приладу нічного бачення.

Дітище воєнних часів

Перші устрою нічного бачення з'явилися у роки Другої світової війни. Вони були важкими та громіздкими, не надто «дальнобійними» (що забезпечують видимість максимум на 200 метрів). 1944 року німецьким інженерам вдалося розробити перший прилад нічного бачення для снайперів – такого, яким звикли його представляти ми люди XXI століття.

При невеликій дальності – близько 100 метрів – цей прилад під назвою Zielgerät 1229 (ZG.1229) «Vampir» разом з батареями живлення важив цілих 35 кг! А час роботи від повністю зарядженої батареї складав лише 20 хвилин. Таких пристроїв було випущено лише 300 штук. На озброєння ШІСБр (штурмових бригад) Радянської Армії наприкінці війни теж надійшли досвідчені прилади нічного бачення, такі як приціл Ц-3.

Працювали ці прилади за принципом «склянки Полотна» – пристрої з двох вкладених один в одного склянок, денця яких вкриті фотокатодом та люмінофором. На фотокатод потрапляло слабке інфрачервоне випромінювання та ініціювало вивільнення електронів.Ці електрони попадали на люмінофор, який починав світитися у видимому діапазоні.

Zielgerät 1229 (ZG.1229) "Vampir"

Якість зображення була низька, а сам прилад нічного бачення – чутливий до спалахів світла, тому міг вийти з ладу від звичайного прожектора. Відмінною особливістю приладів першого покоління було те, що зображення чітким було лише в центрі, а по краях передавалося зі спотвореннями та меншою роздільною здатністю. Якщо ж у поле зору потрапляли яскраві джерела світла - ліхтарі, вікна будинків, що світяться і т.п., то вони засвічували відразу все зображення.

У Радянському Союзі основою приладу нічного бачення стала система «Квант», основу якої лежав принцип інфрачервоного випромінювання. Для роботи приладу був необхідний відбитий від навколишніх об'єктів інфрачервоне світло, а сам ЕОП (електронно-оптичний перетворювач) мав фотокатод та люмінесцентний екран. Подібна система, між іншим, застосовується досі, хоч уже й конкурує з іншими типами приладів нічного бачення.

«Квант» був великогабаритним і важким – застосовувати його можна було лише задля забезпечення нічного проходження танкових колон. Однак до 1944 року співробітники електротехнічного інституту змогли створити перший нічний приціл для стрілецької зброї. З використанням зовнішнього джерела інфрачервоного випромінювання система працювала непогано. Але дальність дії була невеликою – навіть у 1945 році, навіть у найдосконаліших прототипів цей показник не перевищував 200 метрів.

Після Перемоги наші фахівці змогли порівняти свої розробки із трофейними. Це показало, що хвалена німецька апаратура, з її найкращою у світі оптикою, за своїми показниками була практично аналогічною вітчизняним зразкам.

Подальший розвиток

У 1960 – 1970 роках на зміну приладам нічного бачення першого покоління прийшли пристрої нового принципу дії: з електростатичною фокусуванням, що досягається за допомогою спеціальних лінз.

У результаті така система виявилася вичерпаною себе, але вона давала набагато кращий дозвіл на виході. Плюс до того – не так вже й демаскувала бійців, завдяки відмові від зовнішнього допоміжного інфрачервоного підсвічування.

Прилади нічного бачення з електростатичними лінзами досить успішно використовувалися американськими військами під час довгої та безславної війни у ​​В'єтнамі.

Справжнім проривом у цій галузі став винахід мікроканальних платівок. Назва говорить сама за себе: МКП є надзвичайно вузьки скляні пластинки з безліччю каналів діаметром близько 10 мкм. А стінки цих каналів покриті йодидом міді чи йодидом цезію.

Американський солдат із компактним (для тих часів) приладом нічного бачення у В'єтнамі

Вони стали підсилювачами: електрон, що влітає всередину, вибиває один або кілька вторинних електронів, а ті, своєю чергою, теж вибивають частинки зі стінок. Таким чином, на люмінофорний шар потрапляє ціла лавина електронів, завдяки якій формується набагато якісніше зображення.

Застосування мікроканальної технології допомогло досягти просто неймовірних для тих часів результатів: створити прилади з коефіцієнтом посилення світла у 20 тисяч разів! І при цьому набагато компактніші за попередні громіздкі. Саме технологія мікроканальних платівок просунула прилади нічного бачення на громадянку «цивільну сферу»: їх почали використовувати кінооператори, мисливці, рятувальники, охоронні служби.

Технологія МКП стала вершиною розвитку приладів нічного бачення. Вченими було винайдено інновації, що дозволили значно покращити чутливість цих пристроїв. Зокрема, арсенід-галієві фотокатоди. Їх застосування дало можливість розрізняти об'єкти за ступенем освітленості близько 10-ти мікролюкс — тобто, навіть у глибоку безмісячну ніч і за щільної хмарності.

Принципи дії приладу нічного бачення простими словами

Принципів цих два. В основі приладу нічного бачення - пристрій, здатний сприймати випромінювання в невидимій частині спектру (наприклад, ультрафіолетове або інфрачервоне) і перетворювати його на видиме для людських очей.

Або пристрій, здатне вловлювати вкрай слабке відображення світла і посилювати його до того ступеня, коли людські очі можуть його сприйняти. Ця частина приладу нічного бачення називається ЕОП - електронно-оптичним перетворювачем.

Вдень всі предмети і об'єкти, що нас оточують, ми бачимо через те, що сонячне світло падає на поверхню цих предметів і об'єктів, а потім розсіюється і потрапляє на чутливу сітківку очей.

У нічний час яскравого природного освітлення немає, і людські очі не в змозі добре розглянути навколишні предмети. Але, незважаючи на відсутність яскравого природного освітлення, в нічний час є слабке інфрачервоне випромінювання фону з довжиною хвилі менше 1 мкм (мікрометра).

Схема множення електронів у МКП

Фонове інфрачервоне випромінювання викликається розсіюванням в атмосфері віддалених джерел випромінювання – зірок та Місяця.Щоб розглянути навколишню обстановку вночі, необхідно прийняти це фонове випромінювання, потім багаторазово посилити його, щоб воно перетворилося на видиме для людини зображення, і передати очам через оптику.

Схема досить проста. Однак тут же постає питання: а як працюватиме прилад нічного бачення в умовах виключно низької освітленості, у темряві? Наприклад, у абсолютно безмісячну ніч, коли зірки сховані за густими хмарами? Чи – у шахті, у тунелі?

Для таких випадків прилади нічного бачення забезпечуються додатковим інфрачервоним підсвічуванням. Вона створює відображення необхідного випромінювання, яке допоможе побачити обстановку навіть у повній темряві.

Типовий прилад нічного бачення складається з об'єктива, електронно-оптичного перетворювача з блоком живлення та окуляра. Відбивається об'єктами спостереження слабке, невидиме оку світло проходить через об'єктив і створює зображення на вході (катоді) ЕОП, яке електронним способом багаторазово посилюється і, проеціруясь в жовто-зеленому світінні на вихідному екрані перетворювача, передається через окуляр на очі спостерігача.

Відмінності між приладами нічного бачення та тепловізорами

Нерідко в інтернеті зустрічаються безграмотні вирази, на кшталт «прилад нічного бачення з тепловізором». Насправді такого не буває – це два різних види оптичних пристроїв.

Тепловізор вловлює не світлове випромінювання, а інфрачервоні хвилі, що відповідають певному температурному діапазону. Тепловізор реагує на власне теплове випромінювання об'єктів спостереження.

ІЧ випромінювання потрапляє через об'єктив на сенсор, робочими елементами якого мікроболометри.Потім дані із сенсора обробляються та подаються на екран. При цьому для тепловізора ступінь освітленості об'єктів не має жодного значення. Адже він уловлює різницю температур.

Зображення у тепловізорі

Тому тепловізор може розпізнавати об'єкти навіть у повній та непроглядній темряві без залучення додаткового інфрачервоного підсвічування. Однак велика вологість повітря, сильний туман або дощ відразу починають сильно заважати його роботі - вода, що висить у повітрі, екранує теплове випромінювання об'єктів, і починає маскувати їх.

Тепловізор – прилад дорожчий, ніж прилад нічного вигляду. Для його створення застосовуються рідкісні метали – наприклад, германій, тому нині ведуться пошуки доступніших матеріалів.

Як влаштовано прилади нічного бачення?

В основу будь-якого приладу нічного бачення закладено електронно-оптичний перетворювач (ЕОП).

Складається електронно-оптичний перетворювач з об'єктива, вакуумної трубки, помножувача напруги, джерела живлення та екрану.

У складі об'єктива є напівпрозорий фотокатод, який вловлює інфрачервоне випромінювання. Під впливом ефекту фотоелектронної емісії (зовнішнього фотоефекту) навколо фотокатода утворюється хмара електронів. Щільність електронів у хмарі повністю відповідає розподілу світла і тіні в оптичному зображенні, що приймається.

Між фотокатодом та екраном прикладена постійна напруга величиною 10 – 12 кілоВольт (10 – 12 тисяч Вольт). Ця напруга розганяє електрони від фотокатода і вони потрапляють на люмінесцентний шар, нанесений на екран. Люмінесцентний шар починає світитися у видимій для людського ока області випромінювання.

Для того, щоб одержуване на екрані підсумкове зображення зробити більш чітким, усередині вакуумної трубки розміщена система фокусування. Дана система сприяє формуванню більш точної траєкторії руху електронів, а, отже, і чіткішому зображенню на люмінесцентному шарі.

Прилад нічного бачення у розрізі: спрощена схема роботи

Випромінювання від об'єктів, за якими спостерігають через прилад нічного бачення, насамперед потрапляє на об'єктив, і за його допомогою проектується на фотокатод. Це призводить до того, що на поверхні фотокатода починається емісія електронів. Інтенсивність процесу на окремих ділянках фотокатода залежить від яскравості спроектованого зображення об'єкта.

Як влаштований фотокатод?

Зсередини вхідного вікна об'єктива нанесений прозорий струмопровідний шар – це електрод фотокатода. На цей електрод беруть в облогу активний шар напівпровідникового матеріалу. Напівпровідниковий шар може бути сурм'яно-цезієвим, киснево-срібно-цезієвим або багатолужним (з'єднання сурми з калієм, натрієм і цезієм).

Фотокатод має хорошу фотоемісію у видимій та інфрачервоній областях спектру. Найкращою фотоемісією має багатолужний фотокатод. Виготовляють його методом осадження шару сурми з обробкою парами цезію, натрію та калію. Спектральна чутливість такого фотокатода знаходиться в області значень довжини хвилі від 03 мкм до 09 мкм.

Частинки, викинуті з поверхні фотокатода, потрапляють у підсилювач. У сучасних приладах цю роль, як було зазначено вище, виконують МКП – мікроканальні пластини. У її каналах кількість електронів, що летять до люмінофора, збільшується у сотні тисяч разів.Потім ці частинки потрапляють на люмінофорний екран, де формують зображення.

Найголовніші характеристики люмінесцентного екрану – це світловіддача та чіткість.

Для отримання високої світловіддачі екран покривається люмінофором з водяної суспензії. Поверх люмінофорного покриття наноситься шар органічного лаку. Потім методом випаровування у вакуумі напилюється алюмінієва плівка. Після цього вся система нагрівається до 400 градусів Цельсія, внаслідок чого органічний лак згоряє.

Прилад нічного бачення у розрізі: спрощена схема роботи

Товщина алюмінієвої плівки знаходиться у діапазоні від 120 до 200 нм (нанометрів). Служить алюмінієва плівка для того, щоб світло люмінофора, спрямоване у бік фотокатода (близько 50%), якісно відобразилося і дало випромінювання в бік окуляра. Цим досягається висока світловіддача екрану.

Алюмінієва плівка затримує 2-3 відсотки швидких електронів при швидкій напрузі 15 кВ. Однак виграш, який виходить при використанні алюмінієвої плівки, – набагато вищий.

У сучасних приладах нічного бачення коефіцієнт посилення світла може досягати величини 100 тисяч (!), при куті зору в 10 – 25 градусів.

Такого неймовірно високого коефіцієнта посилення світла вдалося отримати із застосуванням мікроканальних пластин, а високу роздільну здатність - отримати за допомогою волоконно-оптичних пластин.

Підсумкове зображення, що спостерігається в окулярі приладу нічного бачення, як правило, має зелений відтінок. Зелена гама обрана з двох причин: по-перше, людське око найбільш сприйнятливе до хвиль саме такої довжини, а, по-друге, вона менше за інших втомлює очі при тривалому впливі.

Покоління приладів нічного бачення

Існує умовний поділ приладів нічного бачення кілька поколінь. А саме, це 5 поколінь електронно-оптичних перетворювачів (ЕОП), що характеризуються різними особливостями, інноваціями та технологічними вдосконаленнями.

• Перше покоління (те, про яке йшлося в екскурсі в історію, на початку статті – зображення розмите по краях, а до центру має більш високу чіткість);
• Друге покоління (коли винайшли та почали застосовувати МКП – мікроканальну пластину);
• Третє покоління (прилади, у яких використовуються фотокатоди на основі арсеніду галію – GaAs);

Зображення місцевості у приладі нічного бачення 3-го покоління

• Четверте покоління (з впровадженням нових технологій, що дозволили збільшити дальність виявлення та роздільну здатність, із застосуванням матриць ПЗЗ, що вбудовуються всередину ЕОП, з віддаленою передачею зображення від сенсорного блоку (Об'єктив+ЕОП+ПЗЗ) на дисплей по дротовому або радіо каналу);
• П'яте покоління (вбудовування в ЕОП ПЗЗ, доповнені процесорами обробки зображення, приймача, схеми управління живленням).

Крім цього є прилади покоління Ⅰ+, Ⅱ+. А саме, в приладах покоління Ⅰ+ на вході або виході ЕОП встановлюється оптоволоконна шайба, за рахунок якої вдається збільшити дозвіл та усунути характерне для ЕОП першого покоління розмиття по краях.

Існують також Digital (цифрові) прилади нічного бачення, що працюють повністю на основі ПЗЗ-матриці (CCD), а не електронно-оптичного перетворювача. За бажання цієї CCD-матрицю можна розглянути крізь лінзу об'єктива.

Так як ПЗС-матриця є напівпровідниковим пристроєм, і більше схожа на фоточутливу пам'ять, то для роботи спільно з нею використовуються спеціалізовані контролери та процесори.

Такі цифрові прилади відносяться до четвертого та п'ятого поколінь. Прилади на основі ПЗЗ-матриц дуже схожі на цифрові відеокамери. Зображення у приладів нічного бачення на базі ПЗЗ-матриць – чорно-біле, і навіть практично вже позбавлене «фірмового» зеленого відтінку, який характерний для всіх приладів на основі ЕОП.

Зображення з ПЗС-матриці цифрового приладу нічного бачення обробляються процесором і виводяться на мініатюрний LCD-екран, який вбудований у прилад нічного бачення. Ці оцифровані зображення можна не тільки просто дивитися, але й записувати, зберігати в пам'ять, виводити на зовнішні дисплеї, передавати по вай-фай.

Цифрові прилади нічного бачення не бояться яскравих джерел світла – засвічення від їхнього впливу їм абсолютно не страшне.

Сьогодні зовсім не обов'язково бути військовим, щоб використати прилад нічного бачення. На ринку представлені монокулярні та бінокулярні пристрої. Монокуляри значно легші, дешевші і компактніші, але за допомогою бінокулярного пристрою легше прикинути відстань до об'єкта, та й дальність спостереження у нього побільше.

Виробників приладів нічного бачення є чимало. Лідируючою є компанія Yukon Advanced Optics Worldwid (торгова марка Pulsar).