Зрение – наиболее важный способ восприятия окружающей действительности. Визуально мы получаем большую часть информации о внешнем мире. Наши глаза – удивительно сложный и совершенный механизм, подаренный нам природой. Но, к сожалению, возможности их несколько ограничены.
Человек способен воспринимать только очень узкий оптический диапазон всего спектра электромагнитного излучения (он еще называется видимым участком спектра), кроме того, глаз может воспринимать «картинку» только в условиях достаточной освещенности. Например, если оно падает ниже уровня 0,01 люкса, то мы теряем возможность различать цвета объектов и можем видеть только крупные предметы, находящиеся неподалеку.
Это вдвойне обидно, ведь из-за этой особенности нашего зрения мы становимся практически слепыми в темное время суток. Человек всегда завидовал другим представителям животного царства, для которых ночная мгла не является преградой: кошкам, совам, волкам, летучим мышам.
Особенно не нравилась подобная ограниченность человеческого зрения военным. Но кардинально изменить ситуацию удалось лишь в середине прошлого столетия, когда благодаря достижениям физики появились приборы ночного видения, позволяющие видеть ночью почти так же ясно, как и днем.
В настоящее время приборы ночного видения находятся не только в армейских арсеналах, их с удовольствием используют спасатели, охотники, охранные подразделения, специальные службы. А если говорить о тепловизорах, то перечень их использования еще шире.
Сегодня в свободной продаже находится огромное количество самых разнообразных типов и видов приборов ночного видения (ПНВ), выполненных в виде биноклей, моноклей (монокуляров), прицелов или обычных очков. Однако прежде чем говорить об устройстве прибора ночного видения, следует несколько слов сказать о физических принципах, на которых основана работа подобных приспособлений.
Как он работает
Работа приборов ночного видения и тепловизоров основана на физических явлениях внутреннего и внешнего фотоэффекта.
Суть явления внешнего фотоэффекта (или фотоэлектронной эмиссии) заключается в том, что твердые тела под воздействием света испускают электроны, которые и улавливаются ПНВ. Основой любого прибора ночного видения является ЭОП – электронно-оптический преобразователь, который улавливает слабый отраженный свет, усиливает его и превращает в электронный сигнал. Именно его и видит человек в объективе ПНВ. Следует понимать, что ни один прибор ночного видения не способен «видеть» в абсолютной темноте. Правда, существуют и активные ПНВ, которые используют для освещения объектов собственный источник инфракрасного излучения.
Любой прибор ночного видения состоит из трех основных составляющих: оптической, электронной и еще одной оптической. Свет принимается объективом, который затем фокусирует его на ЭОП, где фотоны превращаются электронный сигнал. Максимально усиленный сигнал передается на люминесцентный экран, где он опять превращается в привычное для человеческого глаза изображение. Вышеописанная конструкция в целом характерна для любого поколения ПНВ, просто современные приборы ночного видения (второе и третье поколение) имеют более продвинутую систему усиления сигнала.
Тепловизоры же улавливают собственное излучение любого тела или предмета, температура которого отлична от абсолютного нуля. Основной частью тепловизоров являются так называемые болометры – сложные фотоприемные устройства, которые улавливают инфракрасные волны. Подобные датчики чувствительны к длинам волн, соответствующих диапазону температур от -50 до +500 градусов Цельсия.
На самом деле, тепловизоры имеют довольно простую конструкцию. Каждый подобный прибор состоит из объектива, тепловизионной матрицы и блока обработки сигнала, а также экрана, на который выводится готовое изображение. Тепловизоры бывают двух видов: с охлаждаемой и неохлаждаемой матрицей. Первые являются наиболее чувствительными, дорогими и массивными. Их матрица охлаждается до температуры -210 до -170o C, обычно для этого используют жидкий азот. Чаще их используют на крупной военной технике (например, любой танковый прибор ночного видения).
Тепловизоры с неохлаждаемой матрицей стоят на порядок дешевле, они меньше по размеру, но и чувствительность их гораздо ниже. Однако большая часть тепловизоров, которые сегодня представлены на рынке (до 97%), относится именно к этой категории.
Одной из главных особенностей тепловизоров, которая во многом и обуславливает их высокую стоимость, являются их объективы. Дело в том, что обычное стекло, используемое в большинстве оптических приборов, абсолютно непрозрачно для инфракрасного излучения. Поэтому для объективов тепловизоров используются такие редкие материалы, как германий, рыночная цена которого составляет примерно 2 тыс. долларов за кг. Средний германиевый объектив для тепловизора стоит около 7 тыс. долларов, а цена хорошего может доходить до 20 тыс. долларов. Сегодня и в России, и за рубежом активно ищут замену германию, что в теории может снизить стоимость тепловизора на 40-50%.
История и классификация ПНВ
Классификация приборов ночного видения основана на чувствительности фотокатода, степени усиления света, а также разрешении в центре полученного изображения. Как правило, выделяют три поколения ПНВ. Кроме того, к отдельному поколению нередко относят ранние ПНВ с дополнительным источником инфракрасного излучения. На сайтах производителей можно встретить информацию о ПНВ так называемых промежуточных поколений, вроде 1+ или 2+. Однако подобная градация больше преследует маркетинговые цели, чем является отображением реальных отличий.
Совершенствование конструкции ПНВ и появления новых поколений этих приборов шло последовательно, одно за другим. Поэтому классификацию приборов ночного видения удобнее рассматривать вместе с историей их развития.
23 августа 1914 года близ бельгийского города Остенде немцам удалось с помощью теплопеленгаторов обнаружить британскую эскадру, состоящую из броненосных крейсеров и миноносцев. И не просто обнаружить — но и корректировать с помощью этих приборов артиллерийский огонь, не давая кораблям противника приблизиться к важному порту. Считается, что именно с этого момента началась история приборов ночного видения.
Посмотрите также
В 1934 году произошел настоящий прорыв в этой области: голландец Холст создал первый в мире электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Двумя годами позже российский эмигрант Зворыкин разработал ЭОП с электростатической фокусировкой сигнала, который позже стал «сердцем» первого коммерческого ПНВ американской компании Radio Corporation of America.
Периодом бурного развития ПНВ стала Вторая мировая война. Лидером в их разработке и применении стала гитлеровская Германия. Первый прототип прицела ночного видения был создан немецкой компанией Allgemeine Electricitats-Gesellschaft (AEG) в 1936 году, он предназначался для установки на противотанковых пушках Pak 35/36 L/45.
К 1944 году немецкие противотанковые пушки Pak 40 могли вести огонь, используя приборы ночного видения, на дистанции до 700 метров. Примерно в это же время танковые войска вермахта получили ПНВ Sperber FG 1250, с применением которого состоялось последнее крупное немецкое наступление на Восточном фронте неподалеку от венгерского озера Балатон.
Все вышеперечисленные приборы ночного видения относятся к так называемому нулевому поколению. Подобные устройства отличались очень слабой чувствительностью, поэтому для нормальной их работы был необходим дополнительный источник инфракрасного света. Например, каждые пять немецких танков, оснащенных Sperber FG 1250, сопровождал бронетранспортер с мощным инфракрасным локатором Uhu («Филин»). Кроме того, ПНВ нулевого поколения имели ЭОП, чувствительные к ярким вспышкам света. Именно поэтому в конце войны советские войска часто использовали в наступлении обычные прожекторы. Они попросту слепили немецкие ПНВ.
Были у немцев попытки создать и ПНВ, которые бы обеспечивали большую дальность видения (до 4 км), но из-за значительных размеров ИК-прожектора от них отказались. В 1944 году в войска была отправлена опытная партия (300 шт.) ПНВ Vampir, предназначенная для установки на немецкие штурмовые винтовки «Штурмгевер». В его состав, кроме непосредственно прицела, входил ИК-прожектор и аккумуляторная батарея. Общий вес прибора превышал 30 кг, дальность – 100 метров, а время его работы составляла всего лишь 20 минут. Несмотря на эти довольно скромные показатели, немцы активно использовали «Вампир» в ночных боях завершающего этапа войны.
Попытки создания ПНВ нулевого поколения были и в Советском Союзе. Еще до войны для танков семейства БТ был разработан комплекс «Дудка», позже аналогичная система появилась и для Т-34. Можно также вспомнить отечественный прибор ночного видения Ц-3, который разрабатывался для пистолетов-пулеметов ППШ-41. Подобным оружием планировали оснастить штурмовые подразделения. Однако широкого распространения ПНВ в Красной армии так и не получили. В тот период приборы ночного видения все еще были экзотикой, а Советскому Союзу во время Великой Отечественной войны было точно не до нее.
Опыт Второй мировой войны показал, что приборы ночного видения имеют прекрасные перспективы. Стало ясно, что эта технология может серьезно изменить способ ведения боевых действий не только на суше, но и в воздухе и на море. Однако для этого ПНВ нулевого поколения должны были избавиться от большого количества присущих им недостатков, главным из которых была их низкая чувствительность. Она не только ограничивала дальность действия ПНВ, но и принуждала использовать вместе с прибором громоздкий и весьма энергоемкий ИК-прожектор. Да и в целом конструкция первых ПНВ была слишком сложной и не отличалась достаточной надежностью.
Вскоре на смену примитивным ПНВ военного периода пришли приборы первого поколения, основанные на ЭОП с электростатической фокусировкой. Они были способны усиливать входной сигнал в несколько тысяч раз. Это, в свою очередь, позволило отказаться от дополнительной подсветки. ИК-прожекторы не только излишне утяжеляли систему, но и демаскировали бойца на поле боя. Пика своего совершенства ПНВ первого поколения достигли к 60-м годам прошлого века, американцы активно использовали их во время Вьетнамской войны.
Приборы ночного видения второго поколения появились благодаря появлению революционной микроканальной технологии, это случилось в 70-е годы. Суть ее заключалась в том, что теперь оптические пластины усеивались пустотелыми трубками-каналами диаметром 10 мкм и длиной не более 1 мм. Их количество и определяло разрешение светопроводящей пластины. Фотон света, попадая в каждый из подобных каналов, вызывает выбивание целого каскада электронов, что значительно усиливало чувствительность прибора. Для ПНВ второго поколения усиление может достигать 40 тыс. раз. Их чувствительность составляет 240-400 мА/лм, а разрешение – 32-56 штр/мм.
В Советском Союзе на основе этой технологии были созданы очки ночного видения «Квакер», а в США – AN/PVS-5B.
Позже появились приборы ночного видения, в которых электростатическая линза отсутствует вовсе и происходит прямой перенос электронов к пластине с микроканалами. Такие ПНВ обычно относят к поколению 2+. На основе подобной схемы изготовлены отечественные очки ночного видения «Наглазник» или их американский аналог AN/PVS-7.
Посмотрите также
Дальнейшие усилия ученых по улучшению приборов ночного видения были направлены на усовершенствование фотокатода. Инженеры компании Philips предложили изготавливать его из нового полупроводникового материала – арсенида галлия.
Так появились приборы ночного видения третьего поколения. По сравнению с традиционными мультищелочными фотокатодоми их чувствительность стала выше на 30%, что позволило проводить наблюдение даже в условиях облачной безлунной ночи. Проблема была лишь в том, что новый материал можно было изготавливать только в условиях глубокого вакуума, и этот процесс оказался весьма трудоемок. Поэтому стоимость такого фотокатода оказалась на порядок выше, чем у его предшественников. при этом ПНВ третьего поколения могут усиливать входящий свет в 100 тыс. раз. Еще можно добавить, что производить арсенид галлия могут в промышленных масштабах только две страны – США и Россия.
Если вы где-нибудь увидите информацию о продаже ПНВ четвертого поколения, то имейте в виду: скорее всего, вас обманывают. Его пока не существует, непонятно даже, какими критериями пользоваться для определения этой группы. Хотя, конечно же, исследования по совершенствованию существующих «ночников» ведутся в десятках стран мира. Для тепловизоров ищут бюджетную замену стекла из германия, основной проблемой ПНВ является поиск более дешевого аналога арсенид-галлиевых фотокатодов. В начале нулевых годов американцы заявили о создании ПНВ нового поколения, но часть экспертов считает, что его, скорее, можно назвать поколением 3+.
Области применения и перспективы
Приборы, которые позволяют человеку видеть ночью, с каждым годом становятся все популярнее и находят себе новые области применения. Современные «гражданские» ПНВ имеют вполне доступную стоимость, поэтому их могут позволить себе и охотники, и охранные структуры, а также другие категории граждан, которым необходимо ночное видение.
Самое интересное, что сегодня на рынке присутствуют все три поколения ПНВ. Многие приборы ночного видения для охоты относятся к первому поколению или даже нулевому и имеют ИК-подсветку, что абсолютно неприемлемо для военных ПНВ. На «гражданке» используются также и устройства третьего поколения (в них видно даже в подвалах). Технологии, которые применяются при их создании, уже давно не являются секретными, просто устройства очень дорого стоят. Прицелы ПНВ также могут быть изготовлены с использованием элементов различных поколений.
Использование тепловизоров также давно уже перестало быть исключительной прерогативой военных. Кроме охоты и наблюдения в темное время суток, подобные приборы все шире применяются в научных исследованиях. С их помощью, например, проверяют космические корабли перед стартом: тепловизор прекрасно показывает различные утечки, которые могут привести к катастрофе. Незаменим тепловизор и в энергетике. Этот прибор может легко показать, где из здания наиболее активно уходит тепло, а также позволит обнаружить места максимальных нагрузок в энергетических сетях. Применяют тепловизоры и медицине: по температурной карте человеческого тела можно даже ставить некоторые диагнозы. С каждым годом подобные приборы становятся все дешевле, поэтому сфера их применения неуклонно расширяется.
