Сьогодні на ринку представлені сотні різних моделей приладів нічного бачення від різних виробників. Час від часу необізнаний покупець може бути введений в оману завищеними і нереалістичними показниками продуктивності виробів, які служать лише для рекламної приманки.
У цій статті розповідаємо, як працюють прилади нічного бачення, на які характеристики звертати увагу під час купівлі ПНБ та чим відрізняються різні покоління виробів.
Принцип роботи приладу нічного бачення
Всі прилади нічного бачення (підсилювачі залишкового світла) працюють на основі багаторазового посилення наявних джерел світла у видимому та ближньому інфрачервоному діапазоні хвиль.
Складові приладу нічного бачення:
-
об'єктив,
-
електронно-оптичний перетворювач (ЕОП),
-
джерело живлення,
-
окуляр.
Етапи формування зображення
-
Наявне навколишнє світло (залишкове світло), яке випромінюється об'єктами спостереження, потрапляє на об’єктив.
-
Далі, через вхід ЕОП, світло потрапляє на пластину з світлочутливим шаром (катодом), завдяки чому формується зображення об'єкта спостереження.
-
Це зображення електрично підсилюється й проектується у вакуумній камері (для приладів з ЕОП від ІІ покоління — на мікроканальній пластині, МКП) на екран — вихідний бік люмінофорного (фосфорного) шару ЕОП.
-
У результаті формується зеленувато-жовте оптичне зображення, яке через окуляр потрапляє в око спостерігача.
Примітка. Лише деякі високотехнологічні ЕОП (технологія ONYX™) працюють у природному чорно-білому режимі.
Black/White (ONYX™) — це альтернативна чорно-біла технологія нічного бачення. Низка досліджень показали, що події, які спостерігаються вночі, виглядають більш природно при використанні чорно-білої технології, а не звичної зеленої. Чорно-біла технологія винайдена для тих, хто цінує нічне спостереження, яке менше напружує очі. Ця чорно-біла технологія є більш точною і чіткою, передаючи таку інформацію, як контраст, форми і тіні.
Таким чином, характеристики приладу нічного бачення визначаються характеристиками ЕОП та оптичної системи.
Сьогодні існують ЕОП I, II і III поколінь (з підрозділами Gen. I+ і Gen. II+), які відрізняється за конструктивними особливостями, якістю відтворюваного зображення й, відповідно, ціна ПНБ з ЕОП різного покоління теж істотно відрізняється. При цьому ЕОП європейського виробництва (PHOTONIS) не повністю відповідають класифікаціям (Gen. I, I+, II, II+, III), які були введені США (ITT). Тому європейське виробництво необхідно розглядати окремо, оскільки європейські розробники пішли іншим шляхом і розробили власні передові технології (CommGrade 1441/1451, CommGrade ECHO, SuperGen®, XD-4™, XR5™ і Intense 4G).
|
|
|
Далі розглянемо докладніше основні елементи, з яких складається прилад нічного бачення.
Електронно-оптичний перетворювач
FOM — коефіцієнт корисної дії ЕОП
Коефіцієнт корисної дії (ККД) використовується для визначення ефективності ЕОП. Це значення легко обчислюється для всіх типів ЕОП на основі відомих виміряних значень. Він дає дуже чітке уявлення про ефективність і якість усіх сучасних типів ЕОП. Цей параметр використовується владою США для визначення експортної придатності ЕОП. Це означає, що експорт зі США ЕОП з високим значенням FOM регулюється й обмежується, оскільки цей показник точно визначає військові досягнення і характеристики ЕОП.
На даний момент* значення FOM може досягати 2000 для приладів Gen. II, Gen. II+, ECHO, SuperGen®, Gen. III, XD-4™ і XR5™. Це надзвичайно високе значення, але не максимальне (PHOTONIS здатний досягти середнього значення FOM 2340 з ЕОП Intense 4G — це значення є піковим на даний момент* для всіх типів ЕОП. Закупівля цієї технології можлива лише для кількох державних органів безпеки, які не мають жодних обмежень і володіють необмеженим бюджетом).
Значення FOM варіюється від одного ЕОП до іншого. Наразі* багато хороших ЕОП мають значення FOM близько 1600. Але ЕОП зі значно нижчим значенням FOM можуть бути відмінної якості. Тобто, FOM є лише одним з багатьох інших параметрів і дуже важливо, чи відповідає ЕОП індивідуальним вимогам споживача.
Таким чином, ЕОП з дуже високим значенням S/N і дуже високою роздільною здатністю (lp/мм) мають найвище значення FOM.
Деякі приклади значень FOM* для ЕОП PHOTONIS
|
Тип ЕОП |
Значення FOM (типове) |
|
CommGrade type S1100 |
1100 |
|
CommGrade type S1550, 1441/1451 |
1536 |
|
CommGrade type ECHO |
1800 |
|
SuperGen® |
1536 |
|
Gen. III type P1550 |
1536 |
|
XD‑4™ |
1536 |
|
Gen. III type HP1850 |
1836 |
|
XR5™ |
1836 |
|
Intense 4G |
2340 |
* Станом на 01.02.2020
ЕОП першого покоління (Gen.I)
Покоління I розроблене в середині 1950-х років. Цей ЕОП має скляно-вакуумну камеру та наступні характеристики:
|
Катодна фоточутливість (при 2850К) |
Посилення світла |
Роздільна здатність |
|
120–250 мкА/лм |
х120–900 |
25–35 lp/мм |
Такий тип пристроїв можна знайти на ринку приблизно за 300 євро. Характерна особливість пристроїв Gen. I полягає в тому, що відтворюване зображення чітке лише в середині й спотворене на межах. Якщо в полі зору з'являться зовнішні джерела світла, на кшталт ліхтарика або освітлених вікон — зображення будепереекспонованим і спостереження стане абсолютно неможливим.
Зазначимо, що після виробництва ЕОП одного покоління розділяють за класами якості: A, B, C, а також невдалі ЕОП з класом D. Цей поділ ґрунтується на світлочутливості катода, роздільній здатності та чіткості зображення.
Поділ на класи впливає на ціну вироба і пояснює, чому подібні прилади одного покоління від різних виробників мають різну вартість. Маленькі чорні точки не заважають спостерігачеві в темряві, тому покупець не повинен критикувати цю характеристику. Навпаки, прилади з яскравими і постійними точками, що світяться, або з яскравою плямою посередині зображення непридатні для хорошого спостереження. Також не рекомендується купувати низькоконтрастні ЕОП з тьмяним і розмитим зображенням.
Покупець може зрозуміти і розпізнати, чи є зображення чітким або перевантаженим плямами, але тільки треноване око здатне визначити світлочутливість пристрою — що насправді є основним критерієм. Світлочутливість тестується в реалістичних нічних умовах, шляхом порівняння різних пристроїв.
Через низьке підсилення одноступеневі (одноступеневі — 1 ЕОП, багатоступеневі — 1, 2, 3 ЕОП, вбудовані в ряд) прилади I покоління залежать від світлочутливості оптики і характеристик ЕОП. Тільки прилади з високоякісними ЕОП в поєднанні з особливо світлочутливою оптикою (відносна апертура не вище F1.5) здатні забезпечити оптимальне спостереження в сутінках і темряві з ¼ місячного світла. При меншій освітленості навколишнього середовища прилад нічного бачення (підсилювач зображення) потребує додаткового джерела світла — ІЧ-підсвічування.
Дуже хороші прилади Gen. I мають автоматичну функцію захисту від надмірного підвищення загального рівня освітлення — ця функція попереджає зношування ЕОП при раптовій появі інтенсивних джерел світла або ненавмисному вмиканні приладу в денний час.
Для підвищення продуктивності в одному корпусі розміщують кілька ЕОП (багатоступеневі прилади). Посилення світла в триступеневому приладі може бути приблизно в 20000–50000 разів вище. Однак при цьому виникають сильні спотворення, а роздільна здатність на краях зображення інтенсивно зменшується. Багатоступеневі пристрої незручні та важкі, тому вони майже витіснені з ринку пристроями Gen.I+ та Gen.II. Пристрої Gen.I+ і Gen.II мають очевидно кращу продуктивність і лише трохи дорожчі за багатоступеневі пристрої Gen.I.
ЕОП покоління Gen.I+
Такі прилади є подальшим розвитком 1-го покоління і розроблені наприкінці 1960-х років.
У конструкції Gen.I+ замість плоского скла на вході (іноді й на виході) розміщується волоконно-оптичний шар. Таким чином, роздільна здатність ЕОП істотно збільшується, спотворення форми зменшуються, а функція захисту від бічних засліплюючих ефектів підвищується.
Характеристики ЕОП Gen.I+
|
Катодна фоточутливість (при 2850К) |
Посилення світла |
Роздільна здатність |
|
≥280 мкА/лм |
х1000 |
45–50 lp/мм |
Відмінність приладів з ЕОП Gen.I+ від попередньої моделі Gen.I полягає в чіткому і приємному зображенні, низькому рівні власних шумів і більшій відстані спостереження — як в пасивному, так і в активному стані (з використанням ІЧ-освітлювача).
Ці прилади переважно застосовуються в міських умовах. Крім того, при природному освітленні (залишковому світлі) такі прилади застосовуються до граничного значення ¼ від природного місячного світла. Ціна ЕОП Gen.I+ приблизно в 4–9 разів вища, ніж ціна ЕОП Gen.I.
ЕОП другого покоління (Gen.II)
ЕОП Gen.II розроблений у кінці 60-х років минулого століття й конструктивно відрізняється від Gen.I+ наявністю спеціального підсилювача електронів — мікроканальної пластини (МКП), яка розміщується між катодом і фосфорним екраном. У такому ЕОП електрони розмножуються завдяки висококласній мікромеханіці (з 8–12 мільйонами каналів при ефективній площі всього 18 мм в діаметрі). Зусилля, необхідні для виробництва такого високоякісного ЕОП, впливають на його вартість.
Характеристики ЕОП Gen.II
|
Катодна фоточутливість (при 2850К) |
Посилення світла |
Роздільна здатність |
|
≥240 мкА/лм |
х25000–50000 |
32–38 lp/мм |
При виробництві ЕОП Gen.II, II+ використовується виключно мультилужний катод. Очікуваний термін служби Gen. II становить приблизно 1000–3000 годин.
ЕОП другого покоління також відрізняються двома типами мікроканальних пластин (МКП): 25 мм і 18 мм. З точки зору спостерігача, пластина з більшим діаметром забезпечує комфортне спостереження (можна порівняти з телевізором), але логічно збільшує розмір приладу.
ЕОП покоління Gen.II+
Прилади Gen.II+ розроблені в 1980-х роках. Вони не мають камери прискорення. Очікувана тривалість життя таких приладів становить приблизно 1000–3000 годин.
Характеристики ЕОП Gen.II+
|
Катодна фоточутливість (при 2850К) |
Посилення світла |
Роздільна здатність |
|
≥500 мкА/лм |
х25000–35000 |
39–45 lp/мм |
Через відсутність прискорювальної камери посилення світла у трубок Gen.II+ нижче, ніж у трубок Gen.II. Завдяки різниці у світлочутливості катода і, зокрема, більш високій чутливості до інфрачервоного світла, прилади Gen.II+ виявляються кращими за прилади Gen.II при природному освітленні (залишковому світлі), ніж прилади Gen.II. Таким чином, якщо основним завданням приладу нічного бачення є фото- та/або відеозйомка, доцільно обирати прилад Gen. II з більшим підсиленням світла.
Всі пристрої Gen.II і Gen.II+ мають:
- автоматичне регулювання яскравості (ABC) для збереження однакової яскравості при зміні зовнішнього освітлення (залишкового світла) — це автоматична захисна функція при інтенсивному підвищенні загального рівня освітленості;
- захист від яскравого джерела (BSP) — захист від помутніння зображення через вплив сильного точкового світла;
- високу якість зображення без спотворень по всій площі екрану.
Прилади Gen.II і Gen.II+ відносяться до професійного нічного бачення і в даний час використовуються у військових цілях, оскільки вони здатні працювати при дуже низькій освітленості навколишнього середовища (залишковому світлі), яку можна порівняти із зоряним небом або навіть частково затягнутим хмарами зоряним небом.
ЕОП третього покоління (Gen.III): ECHO, SuperGen®, XD‑4™, XR5™, Intense 4G
ЕОП Gen.III відрізняються від Gen.II+ конструкцією катода. ЕОП третього покоління мають катод з арсеніду галію (GaAs) з більшою чутливістю до ІЧ-світла.
Характеристики ЕОП Gen.III
|
Катодна фоточутливість (при 2850К) |
Посилення світла |
Роздільна здатність |
|
900–1600 мкА/лм |
х30000–55000 |
32–64 lp/мм |
Омнібус** 1 і омнібус 2 були розроблені наприкінці 70-х років 20-го століття, омнібус 3 і омнібус 4 є подальшим розвитком кінця 80-х років; омнібус 7, станом на лютий 2020 року, є найпотужнішим ЕОП третього покоління зі значенням FOM близько 2300. Продуктивність ЕОП Gen.III може відрізнятися, залежно від типу і специфікацій (від омнібуса 1 до 7 Pinnacle), приблизно на 300%.
Очікувана тривалість життя Еоп третього покоління становить 10000–15000 годин, що в 3–4 рази довше, ніж у другого покоління. Пристрої з ЕОП Gen.III відмінно працюють в умовах надзвичайно низької освітленості (залишкового світла). ЕОП ECHO, SuperGen®, XD-4™, XR5™ і Intense 4G з функцією Auto-Gating відмінно підходять для роботи в міських умовах. Зображення, яке передають ці ЕОП, є насиченим, різким, з відмінною контрастністю і розпізнаванням навіть найдрібніших деталей.
Функція Auto-Gating — це спеціальне електронне рішення, яке здатне вмикати і вимикати ЕОП з дуже високою частотою, непомітною для ока. Ця інноваційна функція дозволяє спостерігачеві працювати при яскравому зовнішньому освітленні або навіть при денному світлі. Зберігаючи повну працездатність і продуктивність, ця функція забезпечує ефективний захист приладу від зносу. Крім того, це електронне рішення усуває відблиски джерела світла, зберігаючи продуктивність.
Функція Auto-Gating відповідає високим тактичним вимогам при роботі в умовах яскравого освітлення, наприклад, під час військових операцій у міських умовах, які визначають багато сучасних місій. Це спеціальне електронне рішення запобігає змішуванню і затіненню від різних типів джерел світла або вогню, а також допомагає мінімізувати знос ЕОП.
**Omnibus (скорочено OMNI) — це сукупність контрактів, що укладаються між Міністерством Оборони США та комерційними фірмами-виробниками на постачання різних приладів, аксесуарів та запасних частин до них. Прилади однієї моделі з різними номерами OMNI можуть відрізнятися як внутрішньо, так і зовні.
Зведена таблиця показників ЕОП Gen.I–III
|
Покоління |
Катодна фоточутливість (при 2850К) |
Посилення світла |
Роздільна здатність |
|
I |
120–250 мкА/лм |
х120–900 |
25–35 lp/мм |
|
I+ |
≥280 мкА/лм |
х1000 |
45–50 lp/мм |
|
II |
≥240 мкА/лм |
х25000–50000 |
32—38 lp/мм |
|
II+ |
≥500 мкА/лм |
х25000–35000 |
39–45 lp/мм |
|
III |
900–1600 мкА/лм |
х30000–55000 |
32–64 lp/мм |
Оптика
Оптика приладів нічного бачення складається з об'єктива та окуляра.
Об’єктив
Основною вимогою до об'єктива є висока світлопропускна здатність у видимому й невидимому діапазоні ІЧ-світла. Ця світлопропускна функція виражається значеннями F-чисел (відносна апертура), наприклад F1.0, F1.4, F2.0, F2.8, F4.0 і т.д. При збільшенні числа на одиницю об'єктив пропускає в 2 рази менше світла. Висока відносна апертура (менший показник F-числа) є дуже важливим фактором для приладу нічного бачення, особливо для приладів нічного бачення Gen. I і Gen. I+. Наслідком зменшення відносної світлосили до значення F2.4–F2.8 є те, що неозброєне око сприймає більше, ніж прилад нічного бачення I покоління з увімкненим ІЧ-підсвічуванням.
Розробка і подальше виробництво оптики з низьким F-числом F1.5 (високою відносною апертурою) є дуже складним і дорогим завданням, з яким може впоратися не кожна компанія. Очевидно, що високі витрати на розробку і виробництво збільшують кінцеву ціну. У гонці за необізнаного споживача багато виробників використовують об'єктиви зі збільшенням від 3,5 до 5 разів, але з низькою світлопропускаючою здатністю на великих відстанях.
Слід зазначити, що навіть у двох однакових приладів з абсолютно однаковими ЕОП, прилад з більшим збільшенням буде давати менш якісне зображення, ніж прилад з меншим збільшенням. Дальність дії в ближній зоні (зона залишкового світла) буде меншою, ніж при використанні приладу з меншим збільшенням, але з більшою світловіддачею.
Цей факт особливо актуальний для нічних прицілів. У деяких випадках виробники використовують дзеркальну лінзу об'єктива, яка зменшує габарити приладу нічного бачення, але має суттєві недоліки — не забезпечує маскування (немає спеціального покриття) через те, що така лінза має дзеркальну основу, а також забезпечує значно нижчу світлопропускну здатність при порівнянних умовах.
Окуляр
Конструкція окуляра не впливає на дальність дії приладу нічного бачення, але має велике значення для властивостей спостереження. Наприклад, спрощення конструкції окуляра неминуче призводить до спотворення форми об'єкта, що спостерігається, і низької роздільної здатності на краях зображення. Окуляри деяких виробників здатні відтворювати лише частину всього поля зору, хоча ЕОП є основним і найціннішим компонентом приладу нічного бачення. Для нічних прицілів дуже важливо, щоб конструкція окуляра мала міжзіничну відстань не менше 40 мм, щоб запобігти травмам в області очей від сили віддачі зброї. Ідеальна міжзінична відстань для нічних прицілів повинна бути не менше 40–45 мм. Також не менш важливим є той факт, що така відстань забезпечує набагато кращу якість фото- та відеозйомки.
Більшість приладів нічного бачення мають високоякісну скляну оптику. Виняток становлять недорогі прилади нічного бачення I покоління з пластиковою оптикою, а також деякі цивільні типи приладів від провідних виробників. Очевидно, що якість приладів з пластиковою оптикою набагато нижча, ніж якість приладів із скляною оптикою.
ІЧ-освітлювач
Деякі цивільні прилади нічного бачення мають вбудований ІЧ-підсвічувач, який дає можливість підсвічувати об'єкт спостереження, якщо навколишнього освітлення (залишкового світла) недостатньо для ведення спостереження в пасивному стані (без ІЧ-підсвічування). ІЧ-освітлювачі випускаються у вигляді лазерних, світлодіодних (LED) і спеціальних ламп розжарювання. Важливо зазначити, що лазерні освітлювачі можуть викликати пошкодження очей, а їх продаж у деяких країнах регулюється законом. Світлодіодні ІЧ-освітлювачі нешкідливі для очей.
Якщо прилад нічного бачення не має вбудованого ІЧ-підсвічування, можна використовувати автономний ІЧ-підсвічувач. Більшість виробників не вказують, що характеристики, які вони надають, — це лише вхідна потужність. Вхідна потужність приладу не дорівнює його вихідній потужності. Так, ІЧ-освітлювач з вихідною потужністю 75 мВт випромінює фізично на 70% більше ІЧ-світла, ніж ІЧ-освітлювач з вхідною потужністю 75 мВт. Цей факт є ключовим фактором для використання приладу нічного бачення (ЕОП) в активному стані (з ІЧ-підсвічуванням).
У деяких приладах нічного бачення використовуються освітлювачі з діапазоном ІЧ-хвиль 900 нм. Випромінюване ними світло невидиме для людського ока і для очей більшості видів диких тварин. Такі прилади використовуються під час військових або поліцейських операцій для збереження зони видимості.
Дальність спостереження
Користувач приладу нічного бачення повинен враховувати, що дальність спостереження і виявлення об'єкта спостереження залежить від зовнішньої освітленості (залишкового світла), щільності атмосфери та контрасту об'єкта спостереження і його фону. При підвищеній освітленості (залишковому освітленні) в місячну ніч або при використанні додаткових джерел світла дальність спостереження і виявлення збільшується, якщо фон об'єкта спостереження яскравий — пісок, сніг тощо. Відповідно: при низькій освітленості (залишковому світлі), більшій щільності атмосфери і темному фоні (суглинок, стовбури дерев тощо) — дальність спостереження і виявлення значно зменшується.
Середня дальність (м) спостереження та виявлення людського тіла на контрастному фоні
|
Повний місяць 0,1 лк |
½ місяця 0,05 лк |
¼ місяця 0,01 лк |
Нічне зоряне небо 0,001 лк |
Хмарне нічне небо 0,0001 лк |
|
|
Без ПНБ |
230 |
130 |
45 |
- |
- |
|
Gen. I |
300 |
200 |
150 |
100 |
50 |
|
Gen. II Gen. II+ |
630 |
630 |
590 |
390 |
145 |
|
Gen. III ECHO, SuperGen®, XD‑4™, XR5™, Intense 4G |
>810 |
>810 |
>770 |
>530 |
>200 |
Висновки: як вибрати ПНБ
Таким чином, перед покупкою слід з'ясувати, з урахуванням вищезазначених показників, яке покоління пристроїв і для якого характеру завдань слід використовувати. З розвитком технологій розширюється сфера застосування, але, відповідно, зростає і вартість покупки.
Прилад нічного бачення тим привабливіший для покупця, чим він менший, легший та має більшу дальність. Однак, ці вимоги частково суперечать один одному. Наприклад, більшої дальності можна досягти лише за допомогою приладу з більшим діаметром об'єктива.
Зрештою, вибір залишається за покупцем, а ми наведемо лише деякі реперні точки, на які можна орієнтуватися.
-
Якщо для нічних спостережень немає певних вимог до продуктивності та/або якості зображення, беріть до уваги лише зовнішній вигляд і ціну.
-
Для складних завдань спостереження і професійних операцій, особливо для пристроїв I покоління — вибирайте пристрій з лінзою з високим ступенем світлопропускання, при цьому відносна апертура не повинна бути вище F1,5.
-
За можливості, віддавайте перевагу приладам нічного бачення відомих виробників, які мають великий досвід у виробництві та продажу. Також перевіряйте, чи може виробник гарантувати належне обслуговування протягом і після гарантійного терміну.
-
Для професійних і орієнтованих на продуктивність операцій варто згадати лише кілька виробників ЕОП: Gen. II+, ECHO, SuperGen®, Gen. III, XD-4™, XR5™ і Intense 4G.
-
Перевіряйте на практиці, чи відповідають заявлені характеристики дійсності. Інформація про продукт може містити завищені дані про продуктивність і регулярно змінюється залежно від методу вимірювання, який використовує виробник.
-
Перевіряйте, чи коректно функціонує пристрій, перед покупкою в офлайн магазині або замовляйте онлайн з післяплатою і перевіряйте в точці видачі.
Джерело: https://alpha-photonics.com/en/basic-knowledge-of-night-vision/
