Источник света для прибора ночного видения может располагаться вне камеры, например, в виде специального проектора или фонаря, однако многие современные камеры этого типа имеют встроенные инфракрасные (ИК) лампы. Такое размещение источника света не только облегчает установку камеры, но и способствует удобству её эксплуатации.
Взгляд во тьме: как устроены приборы ночного видения
Прибор ночного видения стал незаменимым инструментом для любителей ночной охоты и активного отдыха в темное время суток. С его помощью можно обнаружить дичь или любые объекты даже при крайне низком уровне освещенности. Тем не менее, не все пользователи обладают полными знаниями о принципах работы этих устройств. В данной статье мы подробно будем рассматривать устройства, которые позволяют видеть в темноте.
Приборы ночного видения являются технологическим достижением, возникшим практически на заре современного военного дела. Первые устройства этого типа были созданы в разгар Второй мировой войны. Они отличались громоздкими размерами и ограниченной дальностью видимости, которая не превышала 200 метров, что позволяло обеспечить безопасность и управление танковыми колоннами в ночное время. В 1944 году немецкие инженеры представили первый прототип оптических наводчиков, ставших основой современного оборудования. Несмотря на свою значимость, этот прибор имел радиус действия в пределах 100 метров и весил почти 35 килограммов вместе с необходимым вспомогательным оборудованием и батареями!
Устройство работало на основе принципа стекла Холста — изобретения датского инженера Жиля Холста. Этот прибор состоял из двух стеклянных облицовок, одна из которых покрыта фотокатодом, а другая — люминофором. Фотокатод улавливает слабое инфракрасное излучение, активно испуская электроны, которые, в свою очередь, сталкиваются с люминофором, заставляя его светиться в видимом диапазоне.
Хотя описанная система была довольно простой по своей конструкции, она имела значительные недостатки. К ним относились плохое качество изображения и высокий уровень шума, из-за чего фотокатод приходилось охлаждать до температуры около -40°C. Кроме того, колеса Холста были чрезмерно чувствительны к отражениям света и быстро становились неэффективными, если рядом включались мощные фарные светильники.
Развитие идеи
Первые устройства ночного видения, основанные на элементах Холста, были заменены в 1960-х и 1970-х годах на более продвинутые электрические фокусировщики с использованием специальных линз. Хотя и эта система оказалась не без недостатков в долгосрочной перспективе, она обеспечивала значительно более высокое разрешение и менее страдала от потерь изображения, поскольку не требовала дополнительного внешнего инфракрасного освещения. Именно такие устройства применялись с огромным успехом американскими войсками во время Вьетнамской войны.
Настоящим прорывом в данной технологии стало изобретение микроканальной пластины (MCP). Название говорит само за себя — речь идет о чрезвычайно узких стеклянных пластинах, содержащих многочисленные каналы диаметром около 10 микрометров, стенки которых покрыты медью или йодистым цезием.
Эти каналы выступают в качестве усилителей сигнала: каждый входящий электрон при столкновении с каналами выбивает один или несколько вторичных электронов, которые затем также ударяются о стенки каналов. В результате этого процесса образуется лавина электронов, которая достигает люминофорного слоя и формирует видимое изображение.
Технология микроканальных пластин позволила достичь невероятных для своего времени результатов. Устройства, основанные на данной технологии, обладали коэффициентом усиления, достигающим 20 000, и при этом их размеры были столь компактными, что о их наличии в огнестрельном оружии можно было задуматься только во время прицеливания. Технология MCP нашла применение и в гражданском секторе, включая съемки в кино, а также в службах спасения и охраны.
Однако, описанные технические достижения не являются окончательной ступенью в развитии приборов ночного видения. Существует еще одно значительное новшество, которое значительно улучшило чувствительность этих устройств — использование арсенид-галлиевых фотокатодов. Данная технология позволяет улавливать объекты даже при изображении порядка 10 микролюкс. Это означает, что приборы могут эффективно работать даже ночью, когда отсутствует лунный свет, и в условиях плотной облачности.
ПНВ по-простому
После краткого экскурса в историю приборов ночного видения, следует более детально рассмотреть, как эти устройства функционируют. Основой их работы является принцип обнаружения излучения в невидимой части спектра — к примеру, ультрафиолетовых или инфракрасных лучей — и преобразования его в свет, видимый для человеческого глаза. Эта ключевая часть прибора ночного видения называется электрооптическим преобразователем (ЭОП).
Излучение от объекта, который наблюдается через прибор ночного видения, попадает на линзу и проецируется на фотокатод. Этот процесс вызывает испускание электронов на поверхности фотокатода. Интенсивность выделяемых электронов варьируется в зависимости от яркости проецируемого изображения объекта. Таким образом, чем ярче обнаруживаемый объект, тем больше электронов будет выбрасываться с поверхности фотокатода.
Электроны, которые испускаются фотокатодом, направляются в усилитель. В современных устройствах эту роль выполняет уже упомянутая микроканальная плоская (MCP), в каналах которой происходят колоссальные увеличения количества электронов, достигая значений, превышающих сто тысяч раз. После этого эти электроны попадают на экран, который сделан из люминофора, где и создается видимое изображение.
Механизм работы выглядит довольно просто. Но у любознательных читателей может возникнутьquery: как прибор ночного видения может функционировать в условиях крайне низкой освещенности, когда он не может уловить достаточно излучения для того, чтобы преобразовать его в распознаваемое изображение объекта? В таких случаях многие приборы ночного видения оснащены специальными инфракрасными осветителями, которые создают необходимое освещение, позволяющее видеть в полной темноте.
Принципы ночного видения.
Днем мы способны видеть окружающий нас мир благодаря солнечному свету, который рисует полутени и яркие участки на поверхности предметов. Этот свет, в свою очередь, рассеивается и попадает на светочувствительные клетки сетчатки нашего глаза.
Ночью же естественного освещения практически нет, и наш глаз уже не способен воспринимать окружающие предметы в привычном объеме. Несмотря на полное отсутствие выделяющего света, ночью все же присутствует слабое инфракрасное фоновое излучение с длиной волны менее 1 мкм (микрометра), которое необходимо учитывать.
Это фоновое излучение возникает благодаря рассеянию света от облаков и других неоднородностей в атмосфере, а также от удаленных источников, таких как звезды и Луна. Чтобы видеть окружающие объекты в темноте, это фоновое излучение должно быть успешно принято, усилено и преобразовано в видимое изображение.
В условиях шахт, замкнутых пространств и тоннелей, где естественное фоновое излучение отсутствует, активно используется специальное инфракрасное освещение.
Как устроены приборы ночного видения?
Основой каждого прибора ночного видения является электрооптический преобразователь (ЭОП).
ЭОП состоит из различных компонентов: линзы, вакуумной трубки, усилителя напряжения, источника питания и дисплея. Рассмотрим конструкцию трубки усилителя изображения на конкретном примере, чтобы лучше понять ее работу.
Линза содержит полупрозрачный фотокатод, который улавливает инфракрасное излучение. В результате явления фотоэлектронной эмиссии, известного также как внешний фотоэлектрический эффект, формируется облако электронов вокруг фотокатода. Плотность электронов в этом облаке точно соответствует распределению света и теней на созданном оптическом изображении.
Между фотокатодом и экраном создается постоянное напряжение от 10 до 12 кВ (10000-12000 вольт). Это напряжение ускоряет электроны, которые выходят из фотокатода и достигают люминофорного слоя, нанесенного на экран. Стимуляция люминофорного слоя заставляет его светиться в диапазоне излучений, которое уже воспринимается человеческим глазом.
Для повышения четкости изображения, в вакуумную трубку устанавливается фокусирующая система. Эта система помогает обеспечить более направленный путь для электронов, что в свою очередь приводит к созданию более четкого изображения на фосфоресцирующем слое.
Как устроен фотокатод?
На входное окно линзы наносится прозрачный проводящий слой, который выполняет функции электрода фотокатода. Поверх этого электрода располагается активный полупроводниковый слой, который может быть изготовлен из таких соединений, как сурьма-сера, кислород-серебро-сера или специальные полиалкалиевые соединения (например, сурьма с добавлением калия, натрия и цезия).
Фотокатод должен обладать высокой эффективностью эмиссии света в пределах видимого и инфракрасного спектров. Следует отметить, что полиалкалиевый фотокатод демонстрирует наилучшие результаты по эмиссии света. Он изготавливается путем осаждения слоя сурьмы, который затем обрабатывается парами цезия, натрия и калия. Спектральная чувствительность таких фотокатодов находится в диапазоне длин волн от 0,3 мкм до 0,9 мкм, обеспечивая возможность восприятия даже самых слабых источников света.
