Wizja jest najważniejszym sposobem postrzegania rzeczywistości. Wizualnie otrzymujemy większość informacji o świecie zewnętrznym. Nasze oczy są zaskakująco złożonym i doskonałym mechanizmem, przedstawianym nam przez naturę. Ale, niestety, ich możliwości są nieco ograniczone.
Osoba jest w stanie dostrzec jedynie bardzo wąski zakres optyczny całego spektrum promieniowania elektromagnetycznego (jest również nazywana widzialną częścią spektrum), ponadto oko może postrzegać "obraz" tylko w warunkach dostatecznego oświetlenia. Na przykład, jeśli spadnie poniżej poziomu 0,01 luksa, tracimy zdolność rozróżniania kolorów obiektów i widzimy tylko duże obiekty znajdujące się w pobliżu.
Jest to podwójnie obraźliwe, ponieważ z powodu tej cechy naszej wizji stajemy się niemal ślepi w ciemności. Człowiek zawsze zazdrościł innym przedstawicielom królestwa zwierząt, dla których nocna mgła nie jest przeszkodą: koty, sowy, wilki, nietoperze.
Szczególnie nie podobało się to ograniczenie ludzkiej wizji w wojsku. Ale sytuacja została drastycznie zmieniona dopiero w połowie ubiegłego wieku, kiedy dzięki osiągnięciom fizyki pojawiły się urządzenia noktowizyjne, które umożliwiły widzenie w nocy prawie tak wyraźnie, jak za dnia.
Obecnie urządzenia noktowizyjne znajdują się nie tylko w arsenale wojskowym, ale są z przyjemnością wykorzystywane przez ratowników, myśliwych, służby bezpieczeństwa, służby specjalne. A jeśli mówimy o kamerach termowizyjnych, lista ich zastosowań jest jeszcze szersza.
Obecnie istnieje ogromna liczba różnych rodzajów i typów urządzeń noktowizyjnych (NVD), wykonanych w formie lornetek, monokryształów (okularów), celowników lub zwykłych okularów. Zanim jednak porozmawiamy o urządzeniu noktowizora, powinniśmy powiedzieć kilka słów o fizycznych zasadach, na których opiera się praca takich urządzeń.
Jak to działa
Działanie urządzeń noktowizyjnych i kamer termowizyjnych opiera się na fizycznym zjawisku wewnętrznego i zewnętrznego efektu fotoelektrycznego.
Istotą zewnętrznego efektu fotoelektrycznego (lub emisji fotoelektronów) jest to, że ciała stałe emitują elektrony pod wpływem światła, które są wychwytywane przez NVD. Podstawą każdego urządzenia noktowizyjnego jest wzmacniacz obrazu, konwerter elektroniczno-optyczny, który wychwytuje słabe światło odbite, wzmacnia je i przekształca w sygnał elektroniczny. To właśnie osoba widzi w obiektywie urządzenia noktowizyjnego. Należy rozumieć, że żadne urządzenie noktowizyjne nie jest w stanie "zobaczyć" w absolutnej ciemności. Prawdą jest, że istnieją również aktywne noktowizory, które wykorzystują własne źródło promieniowania podczerwonego do oświetlania obiektów.
Każde urządzenie noktowizyjne składa się z trzech głównych elementów: optycznego, elektronicznego i innego optycznego. Światło jest odbierane przez soczewkę, która następnie skupia ją na wzmacniaczu obrazu, w którym fotony zamieniają się w sygnał elektroniczny. Maksymalnie wzmocniony sygnał jest przesyłany do ekranu luminescencyjnego, gdzie ponownie staje się obrazem znanym ludzkiemu oku. Powyższy projekt jest ogólnie charakterystyczny dla każdej generacji urządzeń noktowizyjnych, tylko nowoczesne noktowizory (druga i trzecia generacja) mają bardziej zaawansowany system wzmacniania sygnału.
Z drugiej strony kamery termowizyjne wychwytują własne promieniowanie z dowolnego ciała lub obiektu, którego temperatura różni się od zera absolutnego. Główną część obrazów stanowią tak zwane bolometry - złożone fotodetektory, które wychwytują fale podczerwone. Takie czujniki są czułe na długości fal odpowiadające zakresowi temperatury od -50 do +500 stopni Celsjusza.
W rzeczywistości kamery termowizyjne mają dość prostą konstrukcję. Każde takie urządzenie składa się z soczewki, matrycy termowizyjnej i jednostki przetwarzania sygnału, a także ekranu, na którym wyświetlany jest gotowy obraz. Kamery termowizyjne są dwojakiego rodzaju: z chłodzoną i nieochłodzoną matrycą. Pierwsze są najbardziej wrażliwe, drogie i masywne. Ich osnowa jest chłodzona do temperatury od -210 do -170 o C, zwykle do tego celu stosuje się ciekły azot. Częściej używa się ich w dużym sprzęcie wojskowym (na przykład w każdym noktowizorze czołgowym).
Kamery termowizyjne z nieochłodzoną matrycą kosztują znacznie mniej, są mniejsze, ale ich czułość jest znacznie niższa. Jednak większość dostępnych obecnie na rynku kamer termowizyjnych (do 97%) należy do tej kategorii.
Jedną z głównych cech kamer termowizyjnych, które w dużej mierze determinują ich wysoki koszt, są ich soczewki. Faktem jest, że zwykłe szkło stosowane w większości urządzeń optycznych jest całkowicie nieprzezroczyste dla promieniowania podczerwonego. Dlatego tak rzadkie materiały, jak german, są używane do soczewek kamer termowizyjnych, których cena rynkowa wynosi około 2 tysięcy dolarów za kilogram. Średnia soczewka z germanu dla kamery termowizyjnej kosztuje około 7 tysięcy dolarów, a cena dobrego może osiągnąć nawet 20 tysięcy dolarów. Dziś zarówno w Rosji, jak i za granicą aktywnie poszukują zastępstwa dla Niemiec, które teoretycznie mogą obniżyć koszty kamery termowizyjnej o 40-50%.
Historia i klasyfikacja NVD
Klasyfikacja urządzeń noktowizyjnych opiera się na czułości fotokatody, stopniu wzmocnienia światła i rozdzielczości w środku uzyskanego obrazu. Z reguły istnieją trzy generacje NVD. Ponadto urządzenia wczesnego widzenia z dodatkowym źródłem promieniowania podczerwonego są często określane jako osobne generacje. Na stronach internetowych producentów można znaleźć informacje na temat urządzeń noktowizyjnych tak zwanych pośrednich pokoleń, takich jak 1+ lub 2+. Jednak taka gradacja realizuje więcej celów marketingowych, niż jest odzwierciedleniem rzeczywistych różnic.
Poprawianie projektu NVD i pojawianie się nowych generacji tych urządzeń następowało sekwencyjnie, jedna po drugiej. Dlatego klasyfikacja urządzeń noktowizyjnych jest wygodniejsza do rozważenia wraz z historią ich rozwoju.
23 sierpnia 1914 roku, niedaleko belgijskiego miasta Oostende, Niemcom udało się znaleźć brytyjską eskadrę złożoną z krążowników i niszczycieli pancernych z pomocą poszukiwaczy ciepła. I nie jest łatwo to odkryć - ale także poprawić ostrzał artyleryjski za pomocą tych urządzeń, uniemożliwiając okrętom wroga zbliżanie się do ważnego portu. Uważa się, że od tego momentu rozpoczęła się historia urządzeń noktowizyjnych.
W 1934 roku nastąpił prawdziwy przełom w tej dziedzinie: Holender Holst stworzył pierwszy na świecie konwerter elektronowo-optyczny (EOC). Dwa lata później rosyjski expat Zvorykin opracował wzmacniacz obrazu z ogniskowaniem sygnału elektrostatycznego, który później stał się "sercem" pierwszego komercyjnego noktowizyjnego urządzenia amerykańskiej firmy Radio Corporation of America.
Okres szybkiego rozwoju NVD był drugą wojną światową. Liderem ich rozwoju i zastosowania były Niemcy Hitlera. Pierwszy prototyp noktowizyjnego wzroku został stworzony przez niemiecką firmę Allgemeine Electricitats-Gesellschaft (AEG) w 1936 r. Był przeznaczony do montażu na działach przeciwpancernych Pak 35/36 L / 45.
W 1944 r. Niemieckie działa przeciwpancerne Pak 40 mogły strzelać za pomocą noktowizorów w odległości do 700 metrów. Mniej więcej w tym samym czasie czołgi Wehrmachtu otrzymały urządzenie noktowizyjne Sperber FG 1250, za pomocą którego ostatnia duża niemiecka ofensywa miała miejsce na froncie wschodnim w pobliżu węgierskiego jeziora Balaton.
Wszystkie powyższe urządzenia noktowizyjne należą do tak zwanego generowania zera. Takie urządzenia były bardzo czułe, więc do ich normalnej pracy potrzebne było dodatkowe źródło światła podczerwonego. Na przykład, co pięć niemieckich czołgów wyposażonych w Sperber FG 1250, z towarzyszącym im transporterem opancerzonym z potężnym lokalizatorem podczerwieni Uhu ("Filin"). Ponadto PNV o zerowej generacji miały wzmacniacz obrazu wrażliwy na jasne błyski światła. Dlatego pod koniec wojny wojska radzieckie często używały konwencjonalnych reflektorów podczas ofensywy. Po prostu oślepili niemiecką PNV.
Niemcy próbowali tworzyć urządzenia noktowizyjne, które zapewniałyby większy zasięg widzenia (do 4 km), ale ze względu na znaczny rozmiar reflektora podczerwieni, zostały porzucone. W 1944 roku wysłano do wojska próbną partię (300 szt.) Z Vampir PNV, przeznaczoną do zainstalowania na niemieckich karabinach szturmowych Sturmgever. Oprócz samego wzroku składał się z promiennika podczerwieni i akumulatora. Całkowita waga urządzenia przekroczyła 30 kg, zasięg - 100 metrów, a czas jego działania - 20 minut. Mimo tych raczej skromnych postaci, Niemcy aktywnie używali "Wampira" w nocnych bitwach ostatniego etapu wojny.
Próby stworzenia NVD o zerowej generacji były w Związku Radzieckim. Jeszcze przed wojną powstał kompleks Dudka dla rodziny czołgów BT, później podobny system pojawił się w T-34. Możesz również przywołać domowe urządzenie noktowizyjne Ts-3, które zostało opracowane dla pistoletów maszynowych PPSh-41. Podobna broń była planowana w celu wyposażenia jednostek szturmowych. Jednak NVD nie uzyskało szerokiego zastosowania w Armii Czerwonej. W tym czasie urządzenia noktowizyjne były nadal egzotyczne, a Związek Radziecki podczas II wojny światowej zdecydowanie nie był na to przygotowany.
Doświadczenia drugiej wojny światowej pokazały, że urządzenia noktowizyjne mają doskonałe perspektywy. Stało się jasne, że technologia ta może poważnie zmienić sposób prowadzenia operacji bojowych nie tylko na lądzie, ale także w powietrzu i na morzu. Jednak do tego NVD generacji zerowej musiało pozbyć się wielu nieodłącznych wad, z których główną była ich niska czułość. To nie tylko ograniczyło zasięg NVD, ale także zmusiło urządzenie do korzystania z dużego i bardzo energochłonnego promiennika podczerwieni. Ogólnie rzecz biorąc, konstrukcja pierwszych urządzeń noktowizyjnych była zbyt skomplikowana i nie różniła się wystarczającą niezawodnością.
Wkrótce urządzenia pierwszej generacji oparte na elektroopto-elektrochemicznych tubach z elektrostatycznym ogniskowaniem zastąpiły prymitywne noktowizory okresu wojskowego. Byli w stanie wzmocnić sygnał wejściowy kilka tysięcy razy. To z kolei umożliwiło odrzucenie dodatkowego oświetlenia. Reflektory podczerwieni nie tylko niepotrzebnie sprawiły, że system był cięższy, ale także zdemaskował wojownika na polu bitwy. Szczyt ich doskonałości pierwszej generacji NVG osiągnięty w latach 60. ubiegłego wieku, Amerykanie aktywnie używali ich podczas wojny w Wietnamie.
Urządzenia noktowizyjne drugiej generacji pojawiły się w związku z pojawieniem się rewolucyjnej technologii mikrokanalików, co miało miejsce w latach 70-tych. Istotą tego było to, że teraz płytki optyczne były nabijane pustymi rurami kanałowymi o średnicy 10 μm i długości nie większej niż 1 mm. Ich liczba determinuje rozdzielczość płytki prowadzącej światło. Foton światła wpadający do każdego z tych kanałów powoduje wyrzucenie całej kaskady elektronów, co znacznie zwiększyło czułość urządzenia. W drugiej generacji NVG zysk może sięgać 40 tysięcy razy. Ich czułość wynosi 240-400 mA / lm, a rozdzielczość - 32-56 linii / mm.
W Związku Radzieckim stworzono gogle noktowizyjne "Quaker" w oparciu o tę technologię, aw USA - AN / PVS-5B.
Później pojawiły się urządzenia noktowizyjne, w których soczewka elektrostatyczna jest całkowicie nieobecna i następuje bezpośredni transfer elektronów do płytki mikrokanalików. Takie urządzenia noktowizyjne są zwykle nazywane generacją 2+. Na podstawie takiego schematu powstały domowe okulary "Eyecup" lub ich amerykański odpowiednik AN / PVS-7.
Dalsze wysiłki naukowców zmierzające do ulepszenia urządzeń noktowizyjnych miały na celu poprawę fotokatody. Inżynierowie firmy Philips zaproponowali wykonanie go z nowego materiału półprzewodnikowego - arsenku galu.
Tak powstały urządzenia noktowizyjne trzeciej generacji. W porównaniu do tradycyjnych alkalicznych fotokatod wielolekowych ich wrażliwość wzrosła o 30%, co pozwoliło na prowadzenie obserwacji nawet w bezchmurną noc bezksiężycową. Jedyny problem polegał na tym, że nowy materiał mógł być wytwarzany tylko w warunkach wysokiej próżni, a proces ten okazał się bardzo pracochłonny. Dlatego koszt takiej fotokatody okazał się o rząd wielkości wyższy niż koszt jej poprzedników. w tym samym czasie trzecia generacja NVG może wzmocnić nadchodzące światło o 100 tysięcy razy. Można również dodać, że tylko dwa kraje mogą produkować arsenek galu na skalę przemysłową - Stany Zjednoczone i Rosję.
Jeśli widzisz gdzieś informację o sprzedaży NVG czwartej generacji, to pamiętaj: najprawdopodobniej jesteś oszukiwany. Nie istnieje jeszcze, nie jest nawet jasne, jakie kryteria należy zastosować, aby określić tę grupę. Chociaż oczywiście badania mające na celu poprawę istniejących "świateł nocnych" prowadzone są w kilkudziesięciu krajach na całym świecie. Jeśli chodzi o kamery termowizyjne, szukają zastępczego rozwiązania w zakresie szkła z Niemiec, głównym problemem urządzeń noktowizyjnych jest poszukiwanie tańszego analogu fotokatodowego arsenku galu. Na początku 2000 roku Amerykanie ogłosili utworzenie nowej generacji NVG, ale niektórzy eksperci uważają, że można ją nazwać pokoleniem 3+.
Aplikacje i perspektywy
Urządzenia, które pozwalają na oglądanie w nocy każdego roku, stają się coraz popularniejsze i znajdują nowe obszary zastosowania. Nowoczesne "cywilne" urządzenia noktowizyjne mają przystępną cenę, więc myśliwy, struktury bezpieczeństwa i inne kategorie obywateli, którzy potrzebują noktowizora, mogą sobie na nie pozwolić.
Najciekawsze jest to, że dzisiaj wszystkie trzy generacje urządzeń noktowizyjnych są obecne na rynku. Wiele urządzeń noktowizyjnych do polowania należy do pierwszej generacji, a nawet do zera i ma podświetlenie podczerwienią, co jest absolutnie nie do przyjęcia dla wojskowych gondoli NVG. Na "obywatelu" są również używane urządzenia trzeciej generacji (można je zobaczyć nawet w piwnicy). Technologie, które są używane do ich tworzenia, przez długi czas nie były tajne, tylko urządzenia są bardzo drogie. Zakres NVD może być również wykonany przy użyciu elementów różnych generacji.
Korzystanie z kamer termicznych również przestało być wyłączną prerogatywą wojska. Oprócz polowań i obserwacji w ciemności podobne urządzenia są coraz częściej wykorzystywane w badaniach naukowych. Przy ich pomocy, na przykład, sprawdzają sondę kosmiczną przed uruchomieniem: kamera imagerowa doskonale pokazuje różne wycieki, które mogą doprowadzić do katastrofy. Niezbędna kamera termowizyjna i energia. To urządzenie może łatwo pokazać, gdzie ciepło ucieka z budynku, a także pozwala wykryć miejsca maksymalnych obciążeń w sieciach energetycznych. Wykorzystywane są termowizory i medycyna: zgodnie z mapą temperatury ciała ludzkiego można nawet postawić diagnozy. Każdego roku urządzenia te stają się coraz tańsze, więc ich zakres zastosowań stale się powiększa.
