Нічний зір | Журнал Популярна Механіка

  1. нічний зір
  2. покоління 0
  3. Покоління 1 і 1 +
  4. Покоління 2 і 2 +
  5. Покоління 3 і 3 +
  6. майбутні покоління

Підсилювачі світла: як електронно-оптичні перетворювачі дозволяють бачити в непроглядній темряві.

Коли закрили двері і вимкнули лампи, стало весело і трохи моторошно. У глухий підвал не проникав жоден промінь світла. «Ви просто включите, там справа, і дивіться». Ми припали до об'єктивів: в повній темряві було прекрасно видно, як наш провідник теж дивиться в монокуляр, а далеко біля протилежної стінки сидять і стоять інші люди, завмерлі в темряві. Так, напевно, відчував себе Хижак, який прилетів пополювати і спостерігав за беззахисними землянами, залишаючись для них невидимим - і майже невразливим.

«Головний принцип приладу нічного бачення - це посилення і перетворення невидимого випромінювання в видиме оком зображення. Якщо ми зайдемо в дійсно темний підвал, де немає зовсім ніяких джерел світла, ми не побачимо нічого. Але якщо там знайдеться хоча б трохи відображених фотонів, ми цей сигнал спіймаємо і посилимо », - пояснює наш гід Сергій Кесаєв, директор новосибірської компанії« Катод ». Однією з небагатьох в світі, які вміють робити прилади, які бачать в самій безпросвітній темряві.

Однією з небагатьох в світі, які вміють робити прилади, які бачать в самій безпросвітній темряві

нічний зір

У сітківці наших очей є приблизно по 125 млн світлочутливих клітин. Вони вловлюють фотони, енергія яких лежить в певних межах, і довжина хвилі становить від 380 до 770 нм, від червоного до фіолетового. Очі багатьох тварин здатні реєструвати фотони сусідніх діапазонів; бджоли розрізняють ультрафіолетове, а змії - інфрачервоне випромінювання. Кіношний Хижак теж бачив в ІК-діапазоні: судячи з фільму, інопланетний мисливець міг користуватися тепловізором, які працюють на довжинах хвиль від 8 до 15 мкм. Але таке «хиже» зір не синонім нічного. Навіть вдень тепле тіло людини буде прекрасно помітно в тепловізор на тлі холодних стін. Але сам фон, температура якого приблизно однорідна, постане нерозбірливою сірою масою.

На щастя, до цієї безпросвітної темряви ми практично не стикаємося. Відблиск фар з вікна, мерехтіння зірок або хоча б отcвети нічних хмар - адаптуючись до низького висвітлення, наші очі вміють розрізняти навіть поодинокі фотони. Ця здатність дійсно вражає: якщо в стандартному офісі освітленість складає 300-500 лк, то нижній робочий межа зору лежить приблизно в області 0,1 лк. Приблизно таку освітленість дає половина Місяця, дозволяючи неозброєним оком розпізнати фігуру людини на відкритій місцевості з відстані до 200-300 м. Шкода, що, коли фотонів по-справжньому мало, цього не вистачає: чи варто хмар затягнути нічне небо, як ми стаємо майже сліпі . Але трохи світла залишається навіть в самому серці темряви - треба лише навчитися його вловлювати і посилювати.

Найчутливіші етапи складання ЕОП на «катода» виробляються на унікальній автоматизованій лінії, всередині якої підтримується надвисокий вакуум Найчутливіші етапи складання ЕОП на «катода» виробляються на унікальній автоматизованій лінії, всередині якої підтримується надвисокий вакуум.

покоління 0

Посилення практично немає

Першу концепцію електронно-оптичного перетворювача (ЕОП) запропонували в 1928 році Полотно, Де Бур і їх колеги по компанії Philips. Конструкція, яка увійшла в історію під назвою склянки Полотна, дійсно схожа на два вкладених один в одного склянки, між якими створено вакуум. На дно зовнішнього завдано срібно-киснево-цезієвого фотокатод, який під дією падаючого інфрачервоного випромінювання викидає електрони. На дно внутрішнього склянки наноситься шар люмінофора. Між ними створюється різниця потенціалів в декілька кіловольт, і електрони, що вилітають з фотокатода, прискорюються і бомбардують екран, змушуючи його люминесцировать.

Проста ідея виявилася непростою у виконанні; тільки в 1934 році стакан Полотна заробив, і людина вперше знайшла можливості бачити в темряві. Вже через кілька років компанія EMI налагодила виробництво таких приладів для потреб британської армії, роботи над власними аналогами почалися в Німеччині і США. У Радянському Союзі ними займалися «вакуумники» Всесоюзного електротехнічного інституту Петро Тимофєєв і В'ячеслав Архангельський, а також майбутні академіки Сергій Вавилов і Олександр Лебедєв з ленінградського Державного оптичного інституту. У 1939 році командуванню Червоної армії були продемонстровані перші прототипи приладів нічного бачення (ПНВ).

У серці приладу нічного бачення - електронно-оптичний перетворювач У серці приладу нічного бачення - електронно-оптичний перетворювач

На час Другої світової стакан Полотна помітно удосконалився, і між «піддонами» з'явилися фокусують електроди, які підвищували різкість зображення. Все це особливо знадобилося вермахту в останні роки війни, коли союзники завоювали повну перевагу в повітрі, практично паралізувавши денний рух німецьких військ і змусивши танкові колони пробиратися на позиції по ночах. Однак такі ЕОП могли лише намацати світло в темряві, але не посилити його. Щоб що-небудь розрізнити, їм була потрібна допомога освітлювальних авіабомб або потужних інфрачервоних прожекторів - важких, ненажерливих і демаскирующих. Це позбавляло ПНВ головною фішки, можливості таємного дії, тому за винятком кількох вдалих застосувань - зокрема, німецькими військами в боях біля озера Балатон або американцями на Окінаві - масового поширення вони ще не отримали.

Покоління 1 і 1 +

Посилення: 100-1000 разів. Робоча освітленість: 0,01 лк (чверть місячного диска)

Після війни ЕОП швидко удосконалювалися. Низькочутливих фотокатоди на основі Ag-O-Cs (S-1), запропоновані ще в 1929 році, змінили більш ефективні мультіщелочние (S-20). Замість плоского скла на «денці» вакуумної трубки стали розміщувати волоконно-оптичну шайбу. Увігнута з одного боку, вона зменшувала спотворення і підвищувала роздільну здатність по краях картинки. Додавання розгінної камери дозволило прискорювати електрони перед попаданням на екран і домогтися більш високого підсилення.

Успішно вдалося реалізувати і задумку, яку апробували ще в вермахті, - з'єднати кілька ЕОП в один каскад, один за іншим. На найтоншу слюдяну плівку з одного боку наносили фотокатод, а з іншого - екран, так що зображення прямо і майже без втрат переносилося між ними. Трехкаскадного ЕОП покоління 1+ давали вже пристойне посилення і досить чітку картинку. Американські військові застосовували такі ПНВ під час В'єтнамської війни, їх виробництво в СРСР було налагоджено на новосибірському заводі «Екран». Розробкою нових поколінь зайнялися інженери і вчені відкрився при заводі дослідно-конструкторського бюро.

Покоління 2 і 2 +

Посилення: 25 000-50 000 разів. Робоча освітленість: 0,001 лк (зоряне небо)

ЕОП першого покоління були важкі й громіздкі, та й посилення давали обмежену. Лише в 1970-х американські розробники знайшли спосіб підняти його в сотні разів, використовуючи мікроканальную пластину з свинцево-силікатного скла, «звичайного» матрицею з мільйонів каналів діаметром в декілька мікрон. Розташована між фотокатодом і екраном, вона здатна «видати» сотні і навіть тисячі електронів на всі, хто опиняється на вхід пластини, різко підвищуючи чутливість приладу.

«Канали розташовані під невеликим кутом до осі приладу, так що розігнаний електрон, влетівши всередину, майже відразу врізається в стінку і вибиває з неї кілька нових, - пояснює Сергій Кесаєв. - Електричне поле захоплює їх далі - і ці електрони в свою чергу вибивають такі. Після багаторазового множення замість однієї частинки ми отримуємо на виході «хмара» з сотень, тисяч електронів ».

Мікроканальная пластина - потужний підсилювач потоку електронів Мікроканальная пластина - потужний підсилювач потоку електронів

Згодом мікроканальную пластину розташували прямо за фотокатодом, так що електрони долали всього пару сотень мікрометрів, практично не расфокусіруясь, і відразу влітали в її канали, а з них потрапляли прямо на екран. Це дозволило відмовитися від фокусирующих систем і на порядок зменшити габарити ЕОП. На основі ЕОП покоління 2+ і були створені компактні, високоефективні і зручні ПНВ, які популярні досі. Застосовуючи більш досконалі компоненти мультіщелочного фотокатода, французька компанія Photonis виробляє ЕОП цього покоління, які успішно конкурують з більш сучасними і дорогими варіантами. Ще в 1990-і власна технологія виробництва ЕОП покоління 2+ була розроблена і в новосибірському ОКБ, яке в ті роки виділилося в самостійне підприємство. Конструкторське бюро перетворилося в науково-виробничу компанію «Катод» і початок власне серійне виробництво.

Покоління 3 і 3 +

Посилення: 45 000-100 000 раз. Робоча освітленість: 0,0001 лк (зоряне небо в хмарах)

Про наступному поколінні заговорили в 1982 році, коли були представлені ЕОП з принципово новим напівпровідниковим фотокатодом на основі арсеніду галію (GaAs).

«Чутливість у них відразу була в два-три рази вище, ніж у мультіщелочних», - додає Сергій Кесаєв. До того ж такі фотокатоди мають підвищену чутливість в ІК-хвилях аж до 930 нм, а прийшов слідом за ними арсенід галію-індію (InGaAs) розширив спектральний діапазон до 1100 нм. Головною бідою таких матеріалів виявилася їх швидка деградація, так що перші зразки могли пропрацювати не більше сотні годин.

ЕОП покоління 3 відносяться до ключових військових технологій, їх поширення контролюється і в США, і в Росії - єдиних країнах, здатних виробляти такі прилади ЕОП покоління 3 відносяться до ключових військових технологій, їх поширення контролюється і в США, і в Росії - єдиних країнах, здатних виробляти такі прилади.

Справа в тому, що при роботі ЕОП електричне поле прискорює електрони з фотокатода у напрямку до мікроканальной пластині, а ось позитивно заряджені іони спрямовуються в зворотному напрямку, на фотокатод. Вони бомбардують активирующее покриття фотокатода, швидко руйнуючи його. «Для захисту була розроблена складна технологія, - пояснює Сергій Кесаєв. - На вхідну поверхню мікроканальной пластини буквально натягують надтонку іонно-бар'єрну плівку завтовшки 3-5 нм - всього кілька атомних шарів оксиду алюмінію. Електрони крізь неї проходять відносно вільно, а ось більш великі позитивні іони затримуються, як мережею ».

Такі технології доступні лише лічені компаніям в світі - американським Exelis і L-3, російським «Геофізиці-НВ» і АТ «Катод». А в березні 2016 року новосибірське підприємство відкрило новий цех з надчистого приміщеннями, де можуть проводитися прилади покоління 3+, у яких товщина іонно-бар'єрної плівки знижена до 2-3 нм, так що вона затримує ще менше електронів, підвищуючи чутливість ЕОП.

А в березні 2016 року новосибірське підприємство відкрило новий цех з надчистого приміщеннями, де можуть проводитися прилади покоління 3+, у яких товщина іонно-бар'єрної плівки знижена до 2-3 нм, так що вона затримує ще менше електронів, підвищуючи чутливість ЕОП

майбутні покоління

«Фотокатод з арсеніду галію дає приблизно трикратне підвищення чутливості. Однак іонно-бар'єрна плівка затримує 20-30% вилітають з нього електронів, що помітно знижує один з основних параметрів ЕОП - ставлення сигнал / шум, - продовжує Сергій Кесаєв. - Тому не раз робилися спроби остаточно позбутися від неї, створивши «беспленочного» ЕОП. Сучасний рівень розвитку науки і техніки, пов'язаний із застосуванням більш досконалих матеріалів і технологій, з автоматизацією виробництва, дозволяє вирішити це завдання, так що ми вже недалекі від цього кроку ». Втім, яким буде наступне покоління ЕОП, поки точно не ясно. Різні фахівці - і маркетологи, які просувають ПНВ на ринку - по-різному дивляться на це питання. Деякі відносять до покоління 4 тонкоплівкові або зовсім беспленочного інструменти, інші кажуть, що навіть це досягнення буде лише розвитком покоління 3 і не призведе до істотної зміни конструкції. Треті називають «повноцінним» поколінням 4 ЕОП, з'єднані з цифровими ПЗС- або КМОП-матрицями. Втім, такі вже виробляються на заводі «Катод».

Стаття «В серці темряви» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №5, травень 2016 ).

Навигация сайта
Новости
Реклама
Панель управления
Информация