Прилади нічного бачення

Мета роботи: Дослідити принцип роботи та функціонування приладів нічного бачення.

Завдання: Оцінити ефективність різних приладів нічного бачення.

Теоретичні відомості

Прилади нічного бачення (ПНБ) призначені для спостереження й прицілювання в темний час доби – присмерком і вночі. ПНБ з'явилися наприкінці другої світової війни і з тих пір пройшли складний шлях розвитку. Вони знайшли широке застосування, як у військовій, так і в цивільній техніці. Їхній розвиток можна розбити на ряд етапів, з якими зв'язана поява певних поколінь ПНБ. Кожне наступне покоління відрізнялося від попереднього більшою дальністю бачення, кращою якістю зображення, зниженням маси й габаритів, збільшенням часу роботи, підвищенням стійкості до впливу світлових перешкод і цілим рядом інших переваг. До теперішнього часу відомі три покоління ПНБ.

Принцип дії класичного ПНБ заснований на перетворенні ІЧ-випромінювання, створюваного на спостережуваному об'єкті світінням нічного неба, зірками й місяцем, у видиме світло. Функціональна блок-схема оптичного тракту сучасного ПНБ представлена на рис. 1. Головною ознакою, по якій розрізняють покоління ПНБ, є їхній основний елемент – електронно-оптичний перетворювач (ЕОП). ЕОП служить для перетворення невидимого для людського ока зображення у видиме й посилення його по яскравості.

Зображення спостережуваного об'єкта через об'єктив проектується в переверненому виді на вхідне скло електронно-оптичного перетворювача, що представляє собою “ високовакуумну лампу ” із двома плоскими торцями, вхідними і вихідними вікнами відповідно. На внутрішній стороні вхідного вікна нанесений тонкий напівпрозорий шар світлочутливого матеріалу (фотокатод), що випускає електрони при поглинанні квантів світла. На внутрішній стороні вихідного вікна перебуває шар люмінофора, матеріалу, що випромінює світло при попаданні на нього електрона (екран). Перенос електронів, емітованих фотокатодом, забезпечується електростатичним полем, для чого до фотокатода й екрану прикладена напруга в декілька кВ. Отримане на екрані зображення розглядається через окуляр.

Рис. 1. Функціональна блок-схема оптичного тракту сучасного ПНБ

1. Об'єкт спостереження

2. Корпус ПНБ

3. Об'єктив

4. ЕОП із вбудованими МКП, ВОЕ й ВОП

5. Окуляр

6. Елементи живлення, звичайно пальчикові батарейки (типу АА)

7. Вбудоване ІЧ-підсвічування

Найбільшим недоліком ЕОП з електростатичним переносом зображення є різкий спад роздільної здатності від центру поля зору до країв через розбіжність криволінійного електронного зображення із плоским фотокатодом і екраном. Для розв'язання цієї проблеми їх стали робити сферичними, що суттєво ускладнило конструкцію об'єктивів, що розраховуються звичайно на плоскі поверхні.

У сучасних конструкціях ЕОП для посилення зображення використовується вторинно-емісійний підсилювач або мікроканальна пластина (МКП), установлена між фотокатодом і екраном. МКП дозволяє одержати підсилення в десятки тисяч раз, а в деяких ЕОП спеціального призначення – до 10⁷ раз, що досить для реєстрації одиничних фотонів.

Вхідне й вихідне вікна ЕОП виконуються на плоскому склі або на волоконно-оптичній пластині (ВОП). Для оберту зображення на 180⁰ в якості вихідної ВОП використовується волоконно-оптичний обертаючий елемент (ВОЕ), він же твістер. У більш складних конструкціях для оберту зображення використовується бінокулярний окуляр або додатковий лінзовий обертаючий елемент.

ВОП виконані на основі волоконних світловодів. Волоконний світловод - звичайно являє собою тонку (діаметром 150 - 1000 мкм) гнучку нитку (волокно) з оптично прозорого матеріалу, наприклад, скла. Внутрішня частина нитки (серцевина) має підвищений у порівнянні із зовнішньою частиною (оболонкою) показник заломлення і є світловедучим. промені, що поширюються в ньому (при досить малих кутах між променем і віссю нитки) потерпають повне внутрішнє відбиття на границі розділу серцевини й оболонки, що перешкоджає виходу світла із світловода.

Незважаючи на простоту конструкції й мінімальній кількості вузлів, до кожного елемента ПНБ вимагаються досить високі й часто суперечливі вимоги. Очевидно, найбільш складним і відповідальним вузлом ПНБ, що визначають як його граничні параметри, так і ціну, є ЕОП. Історію народження й удосконалювання цього вузла слід вважати показовою для технократичної епохи.

В 70-і роки на основі технології ВОП фірмами США були розроблені вторинно-емісійні підсилювачі у вигляді мікроканальної пластини (МКП). Цей елемент являє собою сито з регулярно розташованими каналами діаметром близько 10 мкм і товщиною не більше 1 мм. Число каналів дорівнює числу елементів зображення й має порядок 10⁶. Обидві поверхні МКП поліруються й металізуються, між ними прикладається напруга кілька сотень вольт. Принцип дії добре ілюструє рис. 2. Потрапляючи в канал, електрон випробовує зіткнення із стінкою й вибиває вторинні електрони. У тягнучому електричному полі цей процес багаторазово повторюється, дозволяючи одержати коефіцієнт підсилення Nх10⁴ раз. Для одержання каналів МКП використовується різнорідне по хімічному складу оптичне волокно. Після одержання шайби серцевини волокно розчиняються в хімічних реактивах.

Рис. 2. Принцип дії вторичноемісійного підсилювача у вигляді мікроканальної пластини

Виготовлення МКП, як і ВОП, відносять до високих технологій, що забезпечують випуск малогабаритних і енергоекономічних ЕОП, придатних для застосування в наголовних ПНБ, тобто окулярах і монокулярах. Поворот зображення в ЕОП із МКП, які відносяться до другого покоління, по цей час здійснюється за рахунок електростатичного фокусування (рис. 3). Прологом умілого застосування бінокулярних окулярів для забезпечення дій спецпідрозділів армій країн НАТО стала модель AN/PVS-5У фірми Litton (США) (фото 1).

Рис. 3. Конструкція ЕОП з електростатичною лінзою

1 – фотокатод

2 – анод

3 – мікроканальна пластина

4 – екран

Фото 1. Окуляри AN/PVS-5У фірми Litton (США)

Схема найбільш досконалого ЕОП III покоління представлена на рис. 4, де 1 – фотокатод з негативною електронною спорідненістю (на основі Gaas), нанесений на скляне вхідне вікно; 2, 3 – мікроканальна пластина; 4 – екран, нанесений на вихідне скляне вікно 5 (рис.4а) або на волоконно-оптичну пластину 6 (рис.4б) без обертання зображення для стикування з матрицею ПЗС телевізійної (ТВ) камери, або на волоконно-оптичну пластину 7 (рис.4в) з обертанням зображення на .

а	б	в

Рис. 4. Схема ЕОП III покоління

За останнє десятиліття розробка ЕОП (і відповідно ПНБ) нових поколінь інтенсивно велася в США по програмі OMNIBUS. Ці роботи проводяться фірмами ITT Defense і Litton Systems з метою збільшення інтегральної чутливості фотокатода, відношення сигнал/шум і роздільної здатності ЕОП III покоління (див. таблицю 1). Роботи за програмою ОMNIBUS III, IV дозволили скоротити технологічний цикл створення ЕОП III покоління й розробити нові їхні зразки серії OMNI. Кращі зразки цих ЕОП досягли роздільної здатності до 84 штр/мм, відношення сигнал/шум понад 23, інтегральна чутливість фотокатода більш 2000 мкА/лм. Відповідно до цього дальність бачення в ПНБ зросла в 1, 5 рази в порівнянні із традиційними ПНБ III покоління. Нові ЕОП одержали назву “високоінформативні ЕОП III покоління”. Незважаючи на їхню високу вартість ( до $10 тис. за штуку) з 1999 р. у США проводиться заміна всіх ЕОП III покоління на високоінформативні ЕОП. У деяких літературних джерелах ці ЕОП навіть відносять до IV покоління. Однак фактично до ЕОП IV покоління ставляться вироби, параметри яких наведені в таблиці, а також останні зразки ЕОП фірми Litton: їх відношення сигнал/шум перевищує 33, а інтегральна чутливість фотокатода – 2200 мкА/лм.

Таблиця 1

Порівняльні параметри ЕОП III і IV поколінь фірми ITT (США)
Модель ЕОП	OMNI I і II	OMNI III	OMNI IV і V	IV покоління (Gen IV)
Інтегральна чутливість фотокатода, мкА/лм	1000	1350	1800	1800
Відношення сигнал/шум	16,2	19,0	21,0	26,0
Роздільна здатність, штр/мм	36	45	64	64
Відсоток поліпшення в порівнянні із стандартним ЕОП III покоління, %	0	40	70	188
Дальність дії окулярів нічного бачення на базі ЕОП, м	170 – 240	300	350	500
Рік початку виробництва	1986	1988	1996	2000

Фізично ці досягнення пов'язані з усуненням в ЕОП IV покоління іонно-бар'єрної плівки, яка наносилася на мікроканальну пластину (МКП) з метою захисту фотокатода ЕОП від впливу іонів, що виникають у цій пластині. Однак ця ж плівка приводила до відбиття потоку електронів, що переміщаються від фотокатода ЕОП до мікроканальної пластини. Це викликало розсіювання електронів, знижувало відношення сигнал/шум, погіршувало роздільну здатність ЕОП і обмежувало динамічний діапазон його роботи ( тобто скорочувало межі робочої освітленості фотокатода). Крім того, в ЕОП IV покоління використовуються тонкоплівні МКП із різко зменшеним діаметром мікроканалу 6 мкм замість традиційних 12 мкм. Це привело до зростання роздільної здатності до 64 – 84 штр/мм. Відмінною рисою ЕОП IV покоління є також наявність у ньому стробуючого високовольтного джерела живлення, що автоматично змінює шпаруватість роботи в імпульсному режимі відповідно до зовнішньої освітленості. Імпульсний режим не тільки розширює динамічний діапазон роботи ЕОП і відповідно ПНБ у широкому діапазоні зміни зовнішньої освітленості, але й пригнічує шуми. Ступінь їх ослаблення пропорційний шпаруватості роботи в імпульсному режимі високовольтного джерела живлення. Завдяки цьому відношення сигнал/шум може досягати 100 і більш.

Стробування - метод виділення з послідовності імпульсів лише тих, які відрізняються якими-небудь ознаками (амплітудою, тривалістю, продовженням на тимчасовій осі і т.д.). Стробування здійснюється подачею на пристрій збігу "строб" - імпульсу пропускаючого в наступні електричні кола імпульси з обраною ознакою. Стробування застосовують у радіолокації, імпульсному радіозв'язку, обчислювальній техніці і т.д.

Конкретним прикладом ПНБ IV покоління є окуляри нічного бачення AN/AVS-9 фірми ITT (США) (фото 2). У ПНБ установлений ЕОП IV покоління.

Фото 2. Окуляри нічного бачення AN/AVS-9 фірми ITT, США

Об'єднаним інститутом фізики напівпровідників З РАН також розроблена технологія ЕОП IV покоління. У ньому замість традиційної мікроканальної пластини використовується напівпровідниковий дінод, що працює “на простріл” пучком електронів з фотокатода ЕОП. На думку розроблювачів, це дозволяє одержати високе відношення сигнал/шум і значну захищеність від впливу світлових перешкод при довговічності ЕОП до 50000 годин.

Дінод - електрод деяких електровакуумних приладів (наприклад, вторинного електронного помножувача, фотоелектронного помножувача), служить для посилення (множення) внаслідок вторинної електронної емісії падаючого на нього потоків електронів.

У цей час традиційні фотокатоди на основі Gaas, установлені в ЕОП III покоління, працюють в області спектра 0,4 – 0,9 мкм.

Однак найбільш актуальною проблемою є створення покоління ПНБ із робочою областю спектра, зміщеної в діапазон 1,4 – 1,8 мкм. Створення ЕОП для таких ПНБ передбачене програмою OMNIBUS VI.

В області спектра 1,4 – 1,8 мкм можна працювати до певного ступеня в деяких димах і в пилу, а також візуалізувати випромінювання сучасних лазерних цілепоказчиків-далекомірів, що працюють на довжині хвилі 1,55 мкм і 1,7 мкм.

Досить результативне використання ПНБ, що працюють в області спектра 1,4 – 2,0 мкм для демаскування об'єктів.

В області спектра 1,4 – 2,0 мкм різниця у відбивній здатності обмундирування дозволяє не тільки виявити солдата на тлі зелені, але й відрізнити свого від чужого.

Розглянемо тепер шляхи практичної реалізації ПНБ нового покоління, що працюють в області спектра 1,4 – 1,8 мкм.

Одним із шляхів, як уже говорилося, є створення ЕОП з фотокатодом на основі Ingaas з високим рівнем легування індію.

Інший шлях полягає в створенні ЕОП з фотокатодом на основі бар'єрів Шоттки – так званого Тер-фотокатода (ТЕР – Transferred Electron Photocathode). На рис. 5 представлена крива спектральної чутливості Теp-фотокатода (крива 1) у порівнянні із кривою чутливості звичайного фотокатода ЕОП III покоління. Беручи до уваги меншу чутливість Тер-фотокатода, представляється доцільним використовувати його у ТВ-камері із електронним бомбардуванням. На рис. 6 представлена схема побудови такої ТВ-камери, де 1 – Тер-фотокатод; 2 – потік електронів; 3 – вакуумний простір; 4 – матриця ПЗС; 5 – відеопідсилювач; 6 – рідкокристалічний (РК) ТВ-монітор. Розроблена ТВ-камера з форматом 2/3 дюйма, числом пікселів 768х244, при частоті кадрів 60 Гц. Гранична роздільна здатність Тв-камери становить 45 штр/мм.

При роботі ТВ-камери протягом 12000 годин чутливість фотокатода падає на 50%. ТВ-камера допускає режим стробувания. Це дозволяє використовувати її разом з імпульсним лазерним освітлювачем. У ТВ-камері відсутні звичайні для ЕОП III покоління мікроканальна пластина й волоконно-оптичні деталі, що знижують якість зображення.

Ефект Шоттки - збільшення струму електронної емісії з поверхні твердого тіла (катода) під дією зовнішнього прискорювального електричного поля, обумовлене зменшенням ( під впливом цього поля) роботи виходу електрона.

Рис. 5. Криві спектральної чутливості

Рис. 6. Схема ТВ-камери на базі Tep-фотокатода.

Наступним варіантом ТВ-системи, що працює в області спектра 1 – 1,8 мкм, є ТВ-камера на базі ІЧ-відікона.

Також існують активно-імпульсні ПНБ. Дія активно-імпульсних (АІ) ПНБ заснована на імпульсному методі спостереження, запропонованому академіком А.А. Лебедєвим в 1936 р. Сутність методу зводиться до наступного. Об'єкт спостереження висвітлюється короткими світловими імпульсами, тривалість яких значно менша часу поширення світла до об'єкта й назад. При цьому об'єкт спостерігається в оптичний прилад, оснащений швидкодіючим затвором, що відкривається в такт із посилкою світлових імпульсів на певний час. У тому випадку, коли тимчасова затримка між моментом випромінювання імпульсу й моментом відкривання затвора дорівнює подвоєному часу, необхідному для проходження світлом відстані до об'єкта й назад, спостерігач буде бачити тільки сам об'єкт і ділянку простору, безпосередньо його навколишній. Глибина цього простору визначається як часом відкритого стану затвора, так і тривалістю світлового імпульсу.

Відчутного прогресу в розвитку АІ ПНБ вдалося досягти тільки на початку 60-х років у зв'язку зі створенням лазерів.

Когерентність - узгоджене протікання в часі декількох коливальних або хвильових процесів, що проявляється в їхньому взаємному посиленні або ослабленні при накладенні.

Лазер (англійське Laser -Light Amplification by Stimulated of Radiation - посилення світла вимушеним випромінюванням), оптичний квантовий генератор - джерело когерентного оптичного випромінювання, дія якого заснована на використанні індукованого випромінювання світла системи збуджених атомів, іонів молекул і інших часток речовини ( активним середовищем), поміщеної в оптичний резонатор. Під дією зовнішнього випромінювання (певної частоти) активне середовище здатне робити вимушені квантові переходи й підсилювати випромінювання. Таке посилення можливо, якщо активне середовище перебуває в стані так званої інверсії населеностей, коли число часток, на збудженому енергетичному рівні перевищує число часток на нижче розташованому рівні. Для створення підтримки в активному середовищі інверсії населеностей застосовуються спеціальні методи, які залежать від структури середовища (накачування). При багаторазовому проходженні посилюваного випромінювання між дзеркалами оптичного резонатора формується потужний спрямований пучок лазерного випромінювання. Звичайно лазерне випромінювання виводиться з резонатора через одне із дзеркал, яке роблять частково прозорим. Лазерне випромінювання охоплює широкий діапазон хвиль - від вакуумного УФ до довгохвильового ІЧ і субміліметрового.

АІ ПНБ незалежно від блок-схеми дозволяють підвищити контраст у зображенні спостережуваного об'єкта, а отже, і дальність дії приладу за рахунок:

• відсікання затримкою випромінювання зворотного розсіювання, яке у звичайних активних ПНБ накладається на зображення спостережуваного об'єкта й знижує контраст у його зображенні навіть при нормальній або при незначно погіршеній прозорості атмосфери;

• послаблення, рівним шпаруватості роботи приладу, розсіяного в атмосфері випромінювання, обумовленого рівнем природньої освітленості.

Це випромінювання у звичайних пасивних ПНБ при зниженій прозорості атмосфери також різко знижувало контраст у зображенні спостережуваного об'єкта.

На фото 3 показаний характер спостереження в АІ ПНБ вночі в туман растового макета фігури людини при роботі приладу в пасивному (а), активно-безперервному (б) – освітлювач працює, затвор ЕОП відкритий – і АІ -режимах (в). Перевага АІ -режиму тут очевидна.

На фото 4 дане зображення танка (а), надувної шлюпки (б) і фігури людини поруч із її макетом (в) при роботі приладу в АІ -режимі.

Фото 3. Характер спостереження в АІ ПНВ вночі в туман растового макета фігури людини при роботі АІ ПНВ в:

а) пасивному;

б) активно-безперервному – освітлювач працює, затвор ЕОП

відкритий;

в) активно-імпульсному режимах.

Фото 4. Характер спостереження в АІ ПНВ при його роботі в АІ -режимі:

а) танка (борт);

б) надувної шлюпки із двома веслярами (борт);

в) растовой фігури людини поруч із її мішенню.

AІ ПНВ може працювати в пасивному, активно-безперервному й в активно-імпульсному режимах ( залежно від зовнішніх умов). Недоліком АІ -Режиму є обмеженість глибини простору, що оглядається, обумовленою тривалістю строба, а також тим, що поле зору в АІ -режимі рівно тільки куту підсвітки лазерного освітлювача. З енергетичних міркувань цей кут не може бути більшим і звичайно не перевищує 1 – 3°.