Сегодня на рынке представлены сотни разных моделей приборов ночного видения от разных производителей. Время от времени неосведомленный клиент может быть введен в заблуждение завышенными и нереалистичными показателями производительности продукта, которые служат только для рекламной приманки.
В этой статье рассказываем, как работают приборы ночного видения, на какие характеристики обращать внимание при покупке ПНВ и чем отличаются разные поколения изделий.
Принцип работы прибора ночного видения
Все приборы ночного видения (усилители остаточного света) работают на основе многократного усиления имеющихся источников света в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне волн.
Составляющие прибора ночного видения:
-
объектив,
-
электронно-оптический преобразователь (ЭОП),
-
источник питания,
-
окуляр.
Этапы формирования изображения
-
Имеющийся окружающий свет (остаточный свет), излучаемый объектами наблюдения, попадает на объектив.
-
Далее через вход ЭОП свет попадает на пластину со светочувствительным слоем (катодом), благодаря чему формируется изображение объекта наблюдения.
-
Это изображение электрически усиливается и проектируется в вакуумной камере (для приборов с ЭОП от ІІ поколения — на микроканальной пластине, МКП) на экран — выходная сторона люминофорного (фосфорного) слоя ЭОП.
-
В результате формируется зеленовато-желтое оптическое изображение, которое через окуляр попадает в глаза наблюдателя.
Примечание. Только некоторые высокотехнологичные ЭОП работают в естественном черно-белом режиме.
Black/White (ONYX™) — это альтернативная черно-белая технология ночного видения. Ряд исследований показали, что наблюдаемые ночью события выглядят более естественно при использовании черно-белой технологии, а не привычной зеленой. Черно-белая технология изобретена для тех, кто ценит ночное наблюдение, меньше напрягающее глаза. Эта черно-белая технология является более точной и четкой, передавая такую информацию, как контраст, формы и тени.
Таким образом характеристики прибора ночного видения определяются характеристиками ЭОП и оптической системы.
Сегодня существуют ЭОП I, II и III поколений (с подразделениями Gen. I+ и Gen. II+), которые отличаются по конструктивным особенностям, качеству воспроизводимого изображения и, соответственно, цена ПНВ с ЭОП разного поколения тоже существенно отличается. При этом ЭОП европейского производства (PHOTONIS) не полностью соответствуют классификациям (Gen. I, I+, II, II+, III), введенным США (ITT). Поэтому европейское производство необходимо рассматривать отдельно, поскольку европейские разработчики пошли другим путем и разработали собственные передовые технологии (CommGrade 1441/1451, CommGrade ECHO, SuperGen®, XD-4™, XR5™ и Intense 4G).
|
|
|
Далее рассмотрим более подробно основные элементы, из которых состоит прибор ночного видения.
Электронно-оптический преобразователь
FOM — коэффициент полезного действия ЭОП
Коэффициент полезного действия (КПД) используется для определения эффективности ЭОП. Это значение легко вычисляется для всех типов ЭОП на основе известных измеренных значений. Он дает очень четкое представление об эффективности и качестве всех современных типов ЭОП. Этот параметр используется властями США для определения экспортной пригодности ЭОП. Это означает, что экспорт из США ЭОП с высоким значением FOM регулируется и ограничивается, поскольку этот показатель точно определяет военные достижения и характеристики ЭОП.
На данный момент* значение FOM может достигать 2000 для приборов Gen. II, Gen. II+, ECHO, SuperGen®, Gen. III, XD-4 и XR5. Это чрезвычайно высокое значение, но не максимальное (PHOTONIS способен достичь среднего значения FOM 2340 с ЭОП Intense 4G — это значение пиковое на данный момент* для всех типов ЭОП. Закупка этой технологии возможна только для нескольких государственных органов безопасности, не имеющих никаких ограничений и владеющих неограниченным бюджетом).
Значение FOM варьируется от одного ЭОП к другому. Сейчас много хороших ЭОП имеют значение FOM около 1600. Но ЭОП со значительно более низким значением FOM могут быть отличного качества. То есть, FOM является одним из многих других параметров и очень важно, отвечает ли ЭОП индивидуальным требованиям потребителя.
Таким образом, ЭОП с очень высоким значением S/N и очень высоким разрешением (lp/мм) имеют наивысшее значение FOM.
Некоторые примеры значений FOM* для ЭОП PHOTONIS
|
Тип ЭОП |
Значение FOM (типичное) |
|
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 |
*По состоянию на 01.02.2020
ЭОП первого поколения (Gen. I)
Поколение I разработано в середине 1950-х годов. Этот ЭОП имеет стеклянно-вакуумную камеру и следующие характеристики:
|
Катодная фоточувствительность (при 2850К) |
Усиление света |
Разрешение |
|
120–250 мкА/лм |
х120–900 |
25–35 lp/мм |
Такой тип устройств можно найти на рынке примерно за 300 евро. Характерная особенность устройств Gen.I заключается в том, что воспроизводимое изображение четкое только в центре и искажено на границах. Если в поле зрения появятся внешние источники света, такие как фонарик или освещенные окна — изображение будет переэкспонировано и наблюдение станет совершенно невозможным.
Отметим, что после производства ЭОП одного поколения разделяют по классам качества: A, B, C, а также неудачные ЭОП с классом D. Это разделение основывается на светочувствительности катода, разрешении и четкости изображения.
Разделение на классы влияет на цену изделия и объясняет, почему подобные приборы одного поколения от разных производителей имеют разную стоимость. Маленькие черные точки не мешают наблюдателю во тьме, поэтому покупатель не должен критиковать эту характеристику. Наоборот, приборы с яркими и постоянными светящимися точками или с ярким пятном посередине изображения непригодны для хорошего наблюдения. Также не рекомендуется покупать низкоконтрастные ЭОП с тусклым и размытым изображением.
Покупатель может понять и распознать, является ли изображение четким или перегруженным пятнами, но только тренированный глаз способен определить светочувствительность устройства, что на самом деле является основным критерием. Светочувствительность тестируется в реальных ночных условиях путем сравнения различных устройств.
Из-за низкого усиления одноступенчатые (одноступенчатые — 1 ЭОП, многоступенчатые — 1, 2, 3 ЭОП, встроенные в ряд) приборы I поколения зависят от интенсивности света оптики и от характеристик ЭОП. Только приборы с высококачественными ЭОП в сочетании с особо светочувствительной оптикой (относительная апертура не выше F1.5) способны обеспечить оптимальное наблюдение в сумерках и полной темноте при ¼ лунного света. При меньшей освещенности окружающей среды прибор ночного видения (усилитель изображения) требует дополнительного источника света — ИК-подсветки.
Очень хорошие приборы Gen. I имеют автоматическую функцию защиты от чрезмерного повышения общего уровня освещения — эта функция предотвращает износ ЭОП при внезапном появлении интенсивных источников света или непреднамеренном включении прибора в дневное время.
Для повышения производительности в одном корпусе размещают несколько ЭОП (многоступенчатые приборы). Усиление света в трехступенчатом приборе может быть примерно в 20000–50000 раз выше. Однако при этом возникают сильные искажения, а разрешение на краях изображения интенсивно уменьшается. Многоступенчатые устройства неудобны и тяжелы, поэтому почти вытеснены с рынка устройствами Gen. I+ и Gen. II. Устройства Gen. I+ и Gen. II имеют очевидно лучшую производительность и лишь немного дороже многоступенчатых устройств Gen. I.
ЭОП поколения Gen. I+
Такие приборы являются дальнейшим развитием 1-го поколения и разработаны в конце 1960-х годов.
В конструкции Gen.I+ вместо плоского стекла на входе (иногда и выходе) размещается волоконно-оптический слой. Таким образом, разрешение ЭОП существенно увеличивается, искажения формы уменьшаются, а функция защиты от боковых ослепляющих эффектов повышается.
Характеристики ЭОП Gen.I+
|
Катодная фоточувствительность (при 2850К) |
Усиление света |
Разрешение |
|
≥280 мкА/лм |
х1000 |
45–50 lp/мм |
Отличие приборов с ЭОП Gen.I+ от предыдущей модели Gen.I заключается в четком и понятном изображении, низком уровне собственных шумов и большем расстоянии наблюдения — как в пассивном, так и в активном состоянии (с использованием ИК-осветителя).
Эти приборы в основном используются в городских условиях. Кроме того, при естественном освещении (остаточном свете) такие приборы применяются до предельного значения ¼ естественного лунного света. Цена ЭОП Gen.I+ примерно в 4–9 раз выше, чем цена ЭОП Gen.I.
ЭОП второго поколения (Gen. II)
ЭОП Gen.II конструктивно отличается от Gen.I+ наличием специального усилителя электронов — микроканальной пластины (МКП), размещаемой между катодом и фосфорным экраном (разработка конца 1960-х годов). В таком ЭОП электроны размножаются благодаря высококлассной микромеханике (с 8–12 миллионами каналов при эффективной площади всего 18 мм в диаметре). Усилия, необходимые для производства столь высококачественного ЭОП, влияют на его стоимость.
Характеристики ЭОП Gen.II
|
Катодная фоточувствительность (при 2850К) |
Усиление света |
Разрешение |
|
≥240 мкА/лм |
х25000–50000 |
32—38 lp/мм |
При производстве ЭОП Gen.II, II+ используется исключительно мультищелочной катод. Ожидаемый срок службы Gen. II составляет примерно 1000–3000 часов.
ЭОП второго поколения также отличаются двумя типами микроканальных пластин (МКП): 25 мм и 18 мм. С точки зрения наблюдателя, пластина с большим диаметром обеспечивает комфортное наблюдение (можно сравнить с телевизором), но соответственно увеличивает размер прибора.
ЭОП поколения Gen. II+
Приборы Gen.II+ разработаны в 1980-х годах. У них нет камеры ускорения. Ожидаемая продолжительность жизни таких приборов составляет около 1000–3000 часов.
Характеристики ЭОП Gen.II+
|
Катодная фоточувствительность (при 2850К) |
Усиление света |
Разрешение |
|
≥500 мкА/лм |
х25000–35000 |
39–45 lp/мм |
Из-за отсутствия ускорительной камеры усиление света у трубок Gen.II+ ниже, чем у трубок Gen.II. Благодаря разнице в светочувствительности катода и, в частности, более высокой чувствительности к инфракрасному свету, приборы Gen.II+ оказываются лучше приборов Gen.II при естественном освещении (остаточном освещении), чем приборы Gen.II. Таким образом, если основной задачей прибора ночного видения является фото- и/или видеосъемка, целесообразно выбирать прибор Gen.II с большим усилением света.
Все устройства Gen.II и Gen.II+ имеют:
- автоматическую регулировку яркости (ABC) для сохранения одинаковой яркости при изменении внешнего освещения (остаточного света) — это автоматическая защитная функция при интенсивном повышении общего уровня освещенности;
- защиту от яркого источника (BSP) — защита от помутнения изображения из-за воздействия сильного точечного света;
– высокое качество изображения без искажений по всей площади экрана.
Приборы Gen.II и Gen.II+ относятся к профессиональному ночному видению и в настоящее время используются в военных целях, поскольку эти приборы способны работать при очень низкой освещенности окружающей среды (остаточном свете), сравнимой со звездным небом или даже частично затянутым облаками звездным небом.
ЭОП третьего поколения (Gen. III): ECHO, SuperGen®, XD‑4™, XR5™, Intense 4G
ЭОП Gen. III отличаются от Gen. II+ конструкцией катода. ЭОП III поколения снабжены катодом из арсенида галлия (GaAs) с большей чувствительностью к ИК-свету.
Характеристики ЕОП Gen.III
|
Катодная фоточувствительность (при 2850К) |
Усиление света |
Разрешение |
|
900–1600 мкА/лм |
х30000–55000 |
32–64 lp/мм |
Омнибус** 1 и омнибус 2 были разработаны в конце 70-х годов 20-го века, омнибус 3 и омнибус 4 являются дальнейшим развитием конца 80-х годов; омнибус 7, по состоянию на февраль 2020 года, является самым мощным ЭОП третьего поколения со значением FOM около 2300. Производительность ЭОП Gen. III может отличаться в зависимости от типа и спецификаций (от омнибуса 1 до 7 Pinnacle) примерно на 300%.
Ожидаемая продолжительность жизни ЭОП третьего поколения составляет 10000–15000 часов, что в 3–4 раза дольше, чем у второго поколения. Устройства с ЭОП Gen. III отлично работают в условиях чрезвычайно низкой освещенности (остаточного света).
ЭОП ECHO, SuperGen®, XD-4™, XR5™ и Intense 4G с функцией Auto-Gating отлично подходят для работы в городских условиях. Изображение, которое передают эти ЭОП, является насыщенным, резким, с отличной контрастностью и распознаванием даже мельчайших деталей.
Функция Auto-Gating — это специальное электронное решение, которое способно включать и выключать ЭОП с очень высокой частотой, незаметной глазу. Эта инновационная функция позволяет наблюдателю работать при ярком наружном освещении или даже при дневном свете. Сохраняя полную работоспособность и производительность, эта функция обеспечивает эффективную защиту от износа. Кроме того, это электронное решение устраняет блики источника света, сохраняя производительность.
Функция Auto-Gating отвечает высоким тактическим требованиям при работе в условиях яркого освещения, например во время военных операций в городских условиях, определяющих многие современные миссии. Это специальное электронное решение предотвращает смешивание и затенение от различных типов источников света или огня, а также помогает минимизировать износ ЭОП.
**Omnibus (сокращенно OMNI) — это совокупность контрактов, заключаемых между Министерством Обороны США и коммерческими фирмами-производителями на поставку различных приборов, аксессуаров и запасных частей к ним. Приборы одной модели с разными номерами OMNI могут отличаться как внутренне, так и внешне.
Сводная таблица характеристик ЭОП Gen.I–III
|
Поколение |
Катодная фоточувствительность (при 2850К) |
Усиление света |
Разрешение |
|
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 устройств ночного видения состоит из объектива и окуляра.
Объектив
Основным требованием к объективу является высокая светопропускная способность в видимом и невидимом диапазоне ИК-света. Эта светопропускная функция выражается значениями F-чисел (относительная апертура), например F1.0, F1.4, F2.0, F2.8, F4.0 и т.д. При увеличении числа на единицу объектив пропускает в 2 раза меньше света. Высокая относительная апертура (меньший показатель F-числа) является очень важным фактором для прибора ночного видения, особенно для приборов ночного видения Gen. I и Gen. I+. Следствием уменьшения относительной светосилы до значения F2.4–F2.8 является то, что невооруженный глаз воспринимает больше, чем прибор ночного видения I поколения с включенной ИК-подсветкой.
Разработка и дальнейшее производство оптики с низким F-числом F1.5 (высокой относительной апертурой) является очень сложной и дорогостоящей задачей, с которой может справиться не каждая компания. Очевидно, что высокие затраты на разработку и производство увеличивают конечную цену. В гонке за непосвященного потребителя многие производители используют объективы с увеличением от 3,5 до 5 раз, но с низкой светопропускающей способностью на больших расстояниях. Следует отметить, что даже у двух одинаковых приборов с совершенно одинаковыми ЭОП, прибор с большим увеличением будет давать менее качественное изображение, чем прибор с меньшим увеличением. Дальность действия в ближней зоне (зоне остаточного света) будет меньше, чем при использовании прибора с меньшим увеличением, но с большей светоотдачей.
Этот факт особенно актуален для ночных прицелов. В некоторых случаях производители используют зеркальную линзу объектива, которая уменьшает габариты прибора ночного видения, но имеет существенные недостатки — не обеспечивает маскировку (нет специального покрытия) из-за того, что такая линза имеет зеркальную основу, а также обеспечивает значительно более низкую светопропускную способность при сравнимых условиях.
Окуляр
Конструкция окуляра не влияет на дальность действия прибора ночного видения, но имеет большое значение для наблюдения. Например, упрощение конструкции окуляра неизбежно приводит к искажению формы наблюдаемого объекта и низкому разрешению на краях изображения. Окуляры некоторых производителей способны воспроизводить только часть всего поля зрения, хотя ЭОП является основным и ценным компонентом прибора ночного видения. Для ночных прицелов очень важно, чтобы окулярная конструкция имела межзрачковое расстояние не менее 40 мм, чтобы предотвратить травмы в области глаз от силы отдачи оружия. Идеальное межзрачковое расстояние для ночных прицелов должно быть не менее 40–45 мм. Также не менее важен тот факт, что такое расстояние обеспечивает гораздо лучшее качество фото- и видеосъемки.
Большинство приборов ночного видения имеют высококачественную стеклянную оптику. Исключение составляют недорогие приборы ночного видения I поколения с пластиковой оптикой, а также некоторые гражданские виды приборов от ведущих производителей. Очевидно, что качество приборов с пластиковой оптикой гораздо ниже, чем качество приборов со стеклянной оптикой.
ИК-осветитель
Некоторые гражданские приборы ночного видения имеют встроенный ИК-осветитель, который дает возможность подсветки объекта наблюдения, если окружающего освещения (остаточного света) недостаточно для ведения наблюдения в пассивном состоянии (без ИК-подсветки). ИК-осветители выпускаются в виде лазерных, светодиодных (LED) и специальных ламп накаливания. Важно отметить, что лазерные осветители могут вызвать повреждение глаз, а их продажа в некоторых странах регулируется законом. Светодиодные ИК-осветители безвредны для глаз.
Если прибор ночного видения не имеет встроенной ИК-подсветки, можно использовать автономный ИК-осветитель. Большинство производителей не указывают, что характеристики, которые они предоставляют, это только входная мощность. Входная мощность прибора не равна его выходной мощности. Так, ИК-осветитель с выходной мощностью 75 мВт излучает физически на 70% больше ИК-света, чем ИК-осветитель с входной мощностью 75 мВт. Этот факт является ключевым фактором для использования прибора ночного видения (ЭОП) в активном состоянии (с ИК-подсветкой).
В некоторых приборах ночного видения используются осветители с диапазоном ИК-волн 900 нм. Излучаемый ими свет невидим для человеческого глаза и для глаз большинства видов диких животных. Такие приборы используются во время военных или полицейских операций для сохранения зоны видимости.
Дальность наблюдения
Пользователь прибора ночного видения должен учитывать, что дальность наблюдения и обнаружение объекта наблюдения зависят от внешней освещенности (остаточного света), плотности атмосферы и контраста объекта наблюдения и его фона. При повышенной освещенности (остаточном освещении) в лунную ночь или при использовании дополнительных источников света дальность наблюдения и обнаружения увеличивается, если фон объекта наблюдения яркий — песок, снег и т.д. Соответственно: при низкой освещенности (остаточном свете), большей плотности атмосферы и темном фоне (суглинок, стволы деревьев и т.п.) — дальность наблюдения и обнаружения значительно уменьшается.
Средняя дальность (м) наблюдения и обнаружения человеческого тела на контрастном фоне
|
Полная луна 0,1 лк |
½ луны 0,05 лк |
¼ луны 0,01 лк |
Ночное звездное небо 0,001 лк |
Облачное ночное небо 0,0001 лк |
|
|
Без ПНВ |
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 |
Выводы: как выбрать ПНВ
Таким образом, перед покупкой следует выяснить, с учетом вышеперечисленных показателей, какое поколение устройств и для какого характера задач следует использовать. С развитием технологий расширяется область применения, но, соответственно, растет и стоимость покупки.
Прибор ночного видения тем более привлекателен для покупателя, чем он меньше, легче и имеет большую дальность. Однако эти требования частично противоречат друг другу. Например, большей дальности можно добиться только с помощью прибора с большим диаметром объектива.
В конце концов, выбор остается за покупателем, а мы приведем лишь некоторые реперные точки, на которые можно ориентироваться.
-
Если для ночных наблюдений нет определенных требований к производительности и/или качеству изображения, учитывайте только внешний вид и цену.
-
Для сложных задач наблюдения и профессиональных операций, особенно для устройств I поколения — выбирайте устройство с линзой с высокой степенью светопропускания, при этом относительная апертура не должна быть выше F1.5.
-
По возможности, отдавайте предпочтение приборам ночного видения известных производителей, имеющих большой опыт в производстве и продаже. Также проверяйте, может ли изготовитель гарантировать надлежащее обслуживание в течение и после гарантийного срока.
-
Для профессиональных и ориентированных на производительность операций стоит упомянуть лишь несколько производителей ЭОП: Gen. II+, ECHO, SuperGen®, Gen. III, XD-4, XR5 и Intense 4G.
-
Проверяйте на практике, соответствуют ли заявленные характеристики действительности. Информация о продукте может содержать завышенные данные о производительности и регулярно меняется в зависимости от метода измерения, используемого производителем.
-
Проверяйте, корректно ли функционирует устройство, перед покупкой в оффлайн магазине или заказывайте онлайн с наложенным платежом и проверяйте в точке выдачи.
Источник: https://alpha-photonics.com/en/basic-knowledge-of-night-vision/
