Основы ночного видения

 

Общие сведения

     Приборы ночного видения (ПНВ) – это неотъемлемый атрибут в работе войсковых, милицейских, спасательных и иных государственных служб. Однако в последнее время ПНВ приобретают все большую популярность среди охотников и рыболовов.

    Высокие технические показатели приборов позволяют ориентироваться в темноте, видеть объекты также эффективно, как и в дневное время. Ночное видение обеспечивается тем, что ПНВ 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.

Устройство ПНВ:

объектив;

электронно-оптический преобразователь (ЭОП);

блока окуляра;

элементы питания;

корпус.

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

     Классификации ПНВ

    ПНВ делятся на монокуляры, очки, бинокли, прицелы.
 

	Монокуляры   Относятся к простым приборам. Применяются для охоты, туризма,  охраны, наблюдения за объектами. Наблюдение ведется одним    глазом. Монокуляры могут устанавливаться на шлем-маску на    голове, тем самым освобождая 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, что  превращает  их в ночные.
	Очки   Наблюдение ведется двумя глазами. Закрепляются на голове. При установке на шлем-маску оставляют руки свободными для выполнения различных работ и операций в ночное время. При увеличении 1Х обеспечивают стереоскопический эффект и реальную оценку окружающего пространства.
	Бинокли  Предназначены для наблюдения двумя глазами. В основном используются для наблюдения за объектами. 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 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. 

 Тепловизионные приборы 

Тепловизионные приборы могут использоваться и днем, и ночью. Их устройство подобно устройству ПНВ. Отличительной чертой является матричный приемник, применяемый как приемник излучения.  Матричный приемник чувствителен к средней ИК-области излучения 8-12 мкм, т.е. собственному тепловому излучению тел, а не к отраженному.

 Для данного диапазона в качестве приемников излучения активно применяются неохлаждаемые микроболометрические матрицы. Изображение, принятое через объектив, формируется на болометрической матрице. Далее  при помощи электронной схемы идет преобразование в конечное изображение, которое воспроизводится на жидкокристаллических или полупроводниковых светодиодных экранах.   

 Это изображение также может передаваться по ТВ-каналу или записываться на различных носителях.

 Изображение в тепловизионном приборе 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.

 Важнейшими техническими характеристиками ПНВ являются: увеличение, угол зрения, удаление выходного зрачка, диоптрийная настройка, разрешающая способность, дальность обнаружения и дальность распознавания. 

 Ниже приведены обобщенные основные характеристики ПНВ независимо от их назначения. 

 Увеличение 

Характеристика, показывающая кратность увеличения объекта в сравнении с наблюдением 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.

В связи с тем, что фокусное расстояние окуляра выбирается из условий обеспечения наиболее комфортного наблюдения и в соответствии с характеристиками ЭОП у большинства производителей, для аналогичных по классу приборов фокусные расстояния окуляров близки по значению. Поэтому фокусное расстояние объектива можно считать определяющим для характеристики увеличения ПНВ определенного класса (типа). Чем больше фокусное расстояние, тем больше увеличение и больше дальность обнаружения при условии, что не уменьшается светосила объектива.

Светосила объектива характеризуется относительным 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

 Угол зрения показывает сектор, в котором наблюдаются объекты. Например, для очков угол зрения составляет примерно 40° при кратности 1. Этот параметр в основном определяется фокусным расстоянием объектива при увеличении фокусного расстояния объектива в 4 раза угловое поле зрения уменьшиться в 4 раза. Измеряется в градусах.

 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 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. 

 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 прибора 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. 

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.  

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. Если использование ПНВ не связано с фотографированием, то наличие таких точек не влияет на качество изображения.