Основы ночного видения

В настоящее время приборы ночного видения широко применяются не только войсковыми и другими структурами, но и охотниками, туристами, рыболовами, охранными подразделениями и др.. Они дают неоспоримые преимущества их владельцам в сумеречное и ночное время.

Они позволяют в ночное или сумеречное время, практически как и днем, наблюдать за различными объектами, ориентироваться на местности, вести прицельную стрельбу, водить транспорт, летать, выполнять ремонтные и другие работы.

С помощью ПНВ видеть ночью можно вследствие того, что они преобразуют и многократно усиливают излучение источников естественной ночной освещенности, т.е. отражаемый от, планет солнечный свет, свет звезд и туманностей, свечение кислорода и озона в верхних слоях атмосферы.

Для того, чтобы видеть с помощью ПНВ в полной темноте, например, подвалы, пещеры, туннели и т.д. используют дополнительные инфракрасные осветители обычно на основе светодиодов.

Принципиально устройство ПНВ показано на рисунке.

1. объектив;
2. электронно-оптический преобразователь (ЭОП);
3. блока окуляра;
4. элементы питания;
5. корпус.

Основным элементом ПНВ является ЭОП. ЭОП - это электровакуумный прибор, имеющий фоточувствительный слой, воспринимающий слабое свечение, отраженное от объектов, электронную систему усиления и элекролюминисцентный экран, на котором формируется видимое изображение объекта.

Вместо ЭОП могут быть использованы ПЗС матрицы. ПЗС матрица - это прибор с зарядовой связью, выполненный в виде монолитного чипа, представляющего собой совокупность мельчайших фоточувствительных датчиков, определенным образом собранных в единую матрицу. Сигналы от фоточувствительных элементов обрабатываются электронным образом и передаются на экран, например, ЖК индикатор.

 
Классификации ПНВ

ПНВ разделяются на монокуляры, очки, бинокли, прицелы.

Монокуляры

Очки

Бинокли

Прицелы

Монокуляры Простейшие приборы. Наблюдение ведется одним глазом. Широко применяются для туризма, охраны, охоты, проведения спасательных, ремонтных работы, наблюдения за объектами. Могут быть установлены на шлем-маску на голове, тем самым освободив руки для проведения различных работ. Совместно с установленным на оружии лазерным целеуказателем могут быть использованы для прицельной ночной стрельбы. Посредством специального кронштейна некоторые монокуляры могут быть установлены на дневные прицелы, тем самым превратив их в ночные.

Очки Наблюдение ведется двумя глазами. При увеличении 1Х обеспечивают стереоскопический эффект и реальную оценку окружающего пространства. Закрепляются на голове. Оставляют руки свободными (с помощью шлем-маски) для выполнения различных работ и операций в ночное время. Применяются: ремонтные и спасательные работы, вождение наземного и воздушного транспорта, стрельба по целям, подсвечиваемым лазерными излучателями.

Бинокли Предназначены для наблюдения двумя глазами. В основном используются для наблюдения за объектами, охраны объектов. В отличие от очков ночного видения обеспечивают большую дальность за счет повышенного оптического увеличения, обычно 2Х-6Х.

Прицелы Предназначены для наблюдения за объектами и ведения прицельной стрельбы в сумерках и ночных условиях. Обычно это ночные монокуляры, снабженные механизмом крепления на оружие и механизмом выверки, специальной меткой в поле зрения ПНВ, выполняющей роль "мушки". Механизм выверки обеспечивает при пристреливании оружия совмещение точки попадания пули с целью. В связи с большими ударными нагрузками, возникающими при выстреле (до 500 g и выше), к прицелам предъявляются повышенные требования на ударопрочность. Прицелы могут быть конструктивно выполнены путем совмещения дневного и ночного прицелов. Это прицелы день-ночь. В качестве ночных прицелов также используют обычные дневные прицелы путем закрепления на входе или выходе дневного прицела ПНВ (ночные насадки в виде монокуляров). Для выполнения функции ночных прицелов используют прицельные комплексы, состоящие из очков и лазерного целеуказателя. Лазер излучает в ИК диапазоне. Он закрепляется на оружии и юстируется таким образом, чтобы оптическая ось лазера и точка попадания пули совпадали. Наблюдатель в очках видит точку лазерного целеуказателя. Прицеливание состоит в наведении этой точки на наблюдаемый объект. Вместо очков могут быть использованы монокуляры, которые крепятся на шлем-маску.

ПНВ на основе ПЗС матриц

В качестве светочувствительного элемента в таких приборах используются ПЗС матрицы. Изображение формируется на ПЗС матрице, обрабатывается электронным способом и передается на экран, обычно это ЖК индикатор. Фактически это аналог видеокамеры. В ночных условиях ПНВ на ПЗС матрицах могут эффективно работать только с мощным ИК осветителем.

ПНВ с документированием и передачей изображения по ТВ-каналу

Наиболее просто эта задача решается в ПНВ на базе ПЗС-матриц. Электронная система обработки изображения позволяет доступными способами записывать на носители, обрабатывать и передавать посредством ТВ-передатчиков изображение на расстояние, зависящее от мощности ТВ-передатчика и системы ТВ-канала, спутниковой связи и т.д. В ПНВ на ЭОПах изображение с экрана посредством оптических систем, встроенных в окулярную часть, передается на ПЗС-матрицу, обрабатывается электронным способом и передается на жидкокристаллический или светодиодный дисплей. Оно также может передаваться по ТВ-каналу и наблюдаться на расстоянии другими наблюдателями.

Тепловизионные приборы

Устройство тепловизионного прибора подобно устройству ПНВ. Они могут использоваться как днем, так и ночью. Отличительным является то, что в качестве приемника излучения используется матричный приемник, чувствительный к средней ИК-области излучения 8-12 мкм, т.е. собственному тепловому излучению тел, а не к отраженному. В качестве приемников излучения к этому диапазону широкое применение нашли неохлаждаемые микроболометрические матрицы. Принимаемое через объектив изображение, сформировавшееся на боллометрической матрице, преобразуется с помощью электронной схемы в изображение, которое воспроизводится на жидкокристаллических или полупроводниковых светодиодных экранах. Изображение также может передаваться по ТВ-каналу или записываться на различных носителях. Наблюдаемая в тепловизионном приборе картина соответствует тепловому рельефу объекта. Они не позволяют идентифицировать мелкие детали предметов в связи с тем, что тепловое изображение изменяется при изменении температуры объекта. Тепловизоры обнаруживают и распознают объекты в условиях, при которых ПНВ не эффективны. Они эффективны при тумане и дымке и в сложных условиях фона. Тепловизор показывает тепловую картину, и вследствие того, что температура живого объекта обычно выше фона, он легко обнаруживается. Тепловизионные приборы могут быть выполнены также как и ПНВ в виде монокуляров, биноклей, очков и прицелов.

Тепловизионные приборы ПНВ характеризуется увеличением, углом зрения, удалением выходного зрачка, диоптрийной настройкой, разрешающей способностью, дальностью обнаружения и дальностью распознавания.

В таблице приведены обобщенные основные характеристики ПНВ независимо от их назначения.

Дальность обнаружения (ДО) и дальность распознавания (ДР)

Это основная потребительская характеристика ПНВ, определяющая пригодность ПНВ для решения различных задач. Дальность обнаружения объекта - дальность, при которой наблюдатель отличает нечто на фоне, не классифицируя его как конкретный объект. Дальность распознавания объекта - дальность, на которой наблюдаемый объект классифицируется как конкретный объект: лошадь, олень и т.д. Эти параметры зависят от характеристик ЭОПа, оптики (фокусного расстояния объектива и его светосилы), состояния атмосферы, дымки, влажности, цвета фона, цвета наблюдаемого объекта. Зная характеристики ЭОПа, оптики трудно говорить о преимуществе того или иного прибора без их испытаний и сравнений одновременно в одинаковых условиях. Например, если объект движется, дальность обнаружения может быть в 1,5 раза больше по отношению к неподвижному объекту.

Дальность обнаружения определяется характеристиками ЭОПа и оптикой. Чем выше поколение ЭОПа, тем усиление ЭОПа больше и ДО и ДР больше. Чем фокусное расстояние объектива, с которым связано увеличение ПНВ, и его относительное отверстие больше, тем ДО и ДР будет больше. Обычно в качественных ПНВ используется объектив с относительным отверстием не менее 1:1,5. Однако в связи с тем, что ДО и ДВ также зависят от состояния атмосферы и фона, то они, как правило, даются ориентировочно. Дальность наблюдения для ПНВ с использованием ЭОПов различных поколений приведена в таблице.

Увеличение

Показывает во сколько крат предмет будет больше, чем при наблюдении невооруженным глазом.

Увеличение прибора в большинстве случаев определяется тремя составляющими:

• фокусным расстоянием объектива, мм;
• коэффициентом увеличения ЭОПа (для 2+ и 3-го поколений как правило равен 1);
• фокусным расстоянием окуляра, мм.

Светосила объектива характеризуется относительном отверстием. Она напрямую связана с диаметром входного зрачка объектива (как правило диаметр передней линзы) и фокусным расстоянием объектива. Относительное отверстие объектива определяется дробью, например, 1:1,5, где 1,5 - это отношение фокусного расстояние объектива к диаметру входного зрачка. То есть при одном и том же диаметре передней линзы при увеличении фокусного расстояния будет происходить снижение величины относительного отверстия. Объектив будет пропускать меньше света, а соответственно характеристики прибора будут ниже.

Угол зрения

Измеряется в градусах. Показывает сектор, в котором наблюдаются объекты. Например, для очков угол зрения составляет примерно 40° при кратности 1. Так при увеличении фокусного расстояния объектива в 4 раза угловое поле зрения уменьшиться в 4 раза.

Диапазон фокусировки

Показывает расстояние, предел расстояний от наблюдателя до объекта, в котором возможно четкое наблюдение объекта. Осуществляется фокусировкой, т.е. перемещением объектива либо отдельных компонентов объектива.

Диапазон диоптрийной настройки

Производится перемещением окуляров до получения четкого наблюдения изображения на экране ЭОПа или другого индикатора. Позволяет учитывать особенности зрения наблюдателя.

Разрешающая способность

Способность ПНВ различать два близко расположенных объекта и измеряется в штрихах на миллиметр для ЭОПа и в циклах на миллирадиан в целом для прибора. Для ПНВ это величина, зависящая от характеристик ЭОПа, оптики и уровня ночной освещенности. Чем больше величина, указанная в штрихах на миллиметр, тем более мелкие детали различает ПНВ.

Вес прибора

Это также важная характеристика, особенно при непрерывном длительном пользовании им. Стремление снизить вес, например, прицелов, менее 1 кг, не ухудшая другие характеристики проблематично и неоправданно дорого.

Высококачественная оптика, без которой нельзя реализовать потенциальные характеристики ЭОПа, - это многолинзовая система, вносящая большую часть в вес прибора. С учетом того, что многие прицелы разработаны для использования при ударных нагрузках > 500g, конструктивно корпус, механические соединения, оптика, система выверки должны обеспечить надежность работы прибора в целом. Оптимальные комплексное решение требований ко всем характеристикам ПНВ и определяет их вес. Например, высококачественный профессиональный прицел F7000 фирмы ITT, США с увеличением 4Х весит 1,7 кг, а прицел производства России ПН-15К с увеличением 4Х весит 1,5 кг.

Тип ЭОПа

ЭОПы разделяются на поколения: 1, 1+, 2, 2+, 3. Это разделение связано с конструктивными особенностями и материалами, используемыми для изготовления фотокатода.

С каждым последующим поколением ЭОПа растет чувствительность к свету за счет использования более совершенных фотокатодов и электронного усиления прибора. Растет разрешение и повышается качество изображения. Чувствительность фотокатода для ЭОПов 1-го поколения составляет 120-250 мА/лм, а ЭОПов 3-го поколения достигает 900-1 800 мА/лм. Разрешение ЭОПов 2-го поколения в центре экрана составляет 35-55 штр/мм, а ЭОПов, например, 3-го поколения до 70 штр/мм, оно равномерно по всему экрану ЭОПа. Разрешение ЭОПов 1-го поколения составляет 25-35 штр/мм в центре экрана ЭОПа, однако от центра к краям оно падает до величины менее 20 штр/мм. Усиление ЭОПов 1-го поколения составляет 120-900 раз. А ЭОПов 2+ и 3-го поколений 25 000-50 000 раз.

Иногда на экране ЭОПа можно видеть дефекты в виде черных точек. Технологически сложно изготовить ЭОП без этих дефектов. В большинстве случаев наличие таких точек не влияет на качество изображения. Это важно в случае использования ПНВ для фотографирования и других подобных случаях.