Visioon on reaalsuse tajutamiseks kõige olulisem viis. Visuaalselt saame kõige rohkem teavet välismaailma kohta. Meie silmad on üllatavalt keerukas ja täiuslik mehhanism, mida meile iseloomustab. Kuid kahjuks on nende võimalused mõnevõrra piiratud.
Isik on võimeline tajuma ainult väga kitsast optilist spektrit kogu elektromagnetkiirguse spektrist (seda nimetatakse ka spektri nähtavaks osaks), pealegi võib silma „kujutist” tajuda ainult piisava valgustuse tingimustes. Näiteks, kui see langeb alla 0,01 luksi taseme, kaotame võime eristada esemete värve ja me näeme ainult suuri objekte, mis on lähedal.
See on kahekordselt solvav, sest meie nägemuse selle omaduse tõttu muutume pimedas peaaegu pimedaks. Inimene on alati kadestanud teisi loomariigi esindajaid, kellele öine udu ei ole takistuseks: kassid, öökullid, hundid, nahkhiired.
Eriti ei meeldinud see inimeste nägemise piiramine sõjaväes. Kuid olukord muutus drastiliselt alles möödunud sajandi keskel, kui tänu füüsika saavutustele ilmusid öise nägemise seadmed, mis võimaldasid näha öösel peaaegu sama selgelt kui päevasel ajal.
Praegu ei ole öise nägemise seadmed mitte ainult sõjaväe arsenalites, vaid ka päästjad, jahimehed, turvaüksused, eriteenused. Ja kui me räägime termilistest piltidest, on nende kasutamise nimekiri veelgi laiem.
Tänapäeval on suur hulk erinevaid öise nägemise seadmete tüüpe ja tüüpe (NVD), mis on valmistatud binokli, monoklaaside (monokulaaride), vaatamisväärsuste või tavaliste klaaside kujul. Kuid enne, kui räägime öise nägemise seadme seadmest, peaksime paar sõna rääkima füüsiliste põhimõtete kohta, millel selliste seadmete töö põhineb.
Kuidas see toimib
Öise nägemise seadmete ja soojusfotode töötamine põhineb sisemise ja välise fotoelektrilise efekti füüsikalistel nähtustel.
Välise fotoelektrilise efekti (või fotoelektroni emissiooni) olemus on see, et tahked kehad kiirgavad valgust mõjutavaid elektrone, mida NVD haarab. Iga öise nägemise seadme aluseks on kujutise võimendaja, elektron-optiline muundur, mis haarab nõrga peegeldunud valguse, võimendab seda ja muudab selle elektrooniliseks signaaliks. Seda näeb inimene öise nägemise seadme läätses. Tuleb mõista, et ükski öise nägemise seade ei suuda absoluutses pimeduses näha. Tõsi, on olemas ka aktiivseid öise nägemise seadmeid, mis kasutavad objektide valgustamiseks oma infrapunakiirgusallikat.
Iga öise nägemise seade koosneb kolmest põhikomponendist: optiline, elektrooniline ja teine optiline. Valgust saab objektiiv, mis keskendub seejärel pildi võimendajale, kus fotoonid muutuvad elektrooniliseks signaaliks. Maksimaalne võimendatud signaal edastatakse luminestsentsekraanile, kus see muutub jällegi inimese silmale tuttavaks kujutiseks. Ülaltoodud konstruktsioon on üldjuhul iseloomulik igale öise nägemise seadmetele, vaid tänapäeva öise nägemise seadmetel (teine ja kolmas põlvkond) on täiustatud signaali võimendussüsteem.
Seevastu soojusefotograafid võtavad enda kiirguse mis tahes kehast või objektist, mille temperatuur erineb absoluutsest nullist. Peamine osa kujutistest on nn bolomeetrid - keerulised fotodetektorid, mis jäävad infrapunalaineid. Sellised andurid on tundlikud lainepikkustele, mis vastavad temperatuurivahemikule -50 kuni +500 kraadi Celsiuse järgi.
Tegelikult on soojusfotograafidel üsna lihtne disain. Iga selline seade koosneb läätsest, termilise kujutise maatriksist ja signaalitöötlusseadmest, samuti ekraanist, millel kuvatakse valmis pilt. Termilised kujutised on kahte tüüpi: jahutatud ja jahutamata maatriksiga. Esimesed on kõige tundlikumad, kallimad ja massiivsed. Nende maatriks jahutatakse temperatuurini -210 kuni -170 ° C, tavaliselt kasutatakse seda vedelat lämmastikku. Sagedamini kasutatakse neid suurtes sõjalistes seadmetes (näiteks mis tahes paagi öise nägemise seadmes).
Kuumuta maatriksiga soojuspildid maksavad palju vähem, nad on väiksemad, kuid nende tundlikkus on palju väiksem. Sellele kategooriale kuuluvad siiski enamik tänapäeval turul olevaid soojakujutisi (kuni 97%).
Termiliste kujutiste üks peamisi omadusi, mis suuresti määrab nende kõrge hinna, on nende läätsed. Fakt on see, et enamikus optilistes seadmetes kasutatav tavaline klaas on infrapunakiirgusele täiesti läbipaistmatu. Seetõttu kasutatakse selliseid haruldasi materjale nagu germanium termilise kujutise läätsede jaoks, mille turuhind on umbes 2 tuhat dollarit kilogrammi kohta. Keskmine germaniumobjektiiv soojuskujutisele maksab umbes 7 tuhat dollarit ja hea hind võib ulatuda kuni 20 tuhande dollarini. Täna, nii Venemaal kui ka välismaal, otsivad nad aktiivselt Saksamaale asendust, mis teoreetiliselt võib soojuskaamera maksumust vähendada 40-50%.
NVD ajalugu ja liigitus
Öise nägemise seadmete klassifikatsioon põhineb fotokatoodi tundlikkusel, valgustugevuse astmel ja resolutsioonis kujutise keskel. Reeglina on NVD kolm põlvkonda. Lisaks nimetatakse sageli infrapunakiirguse täiendava allikaga varajase öise nägemise seadmeid sageli eraldi põlvkonnaks. Tootjate veebisaitidel on infot nn vahepõlvkondade öise nägemise seadmete kohta, näiteks 1+ või 2+. Selline astmestik taotleb siiski rohkem turunduseesmärke kui tegelike erinevuste kajastamine.
NVD disaini parandamine ja nende seadmete uute põlvkondade tekkimine läksid üksteise järel järjestikku. Seetõttu on öise nägemise seadmete klassifikatsioon mugavam kaaluda koos nende arengu ajalooga.
23. augustil 1914. aastal õnnestus sakslastel Belgia linna Oostende lähedal leida soojusseadmete abil briti sõjaväelased ja hävitajad. Ja seda ei ole kerge teada saada, vaid ka korrigeerida nende seadmetega suurtükivägi tuld, takistades vaenlase laevade lähenemist olulisele sadamale. Arvatakse, et alates sellest hetkest algas öise nägemise seadmete ajalugu.
1934. aastal oli selles valdkonnas tõeline läbimurre: hollandlane Holst lõi maailma esimese elektron-optilise konverteri (EOC). Kaks aastat hiljem arendas Venemaa expat Zvorykin välja elektrostaatilise signaali teravustamisega kujutise võimendaja, mis sai hiljem Ameerika äriühingu Radio Corporation of America esimese kaubandusliku öise nägemise seadme "südameks".
NVD kiire arengu periood oli teine maailmasõda. Juht nende arendamisel ja rakendamisel oli Hitleri Saksamaa. Esimene öise nägemise nägemise prototüüp loodi 1936. aastal Saksa firma Allgemeine Electricitats-Gesellschaft (AEG) poolt, see oli mõeldud paigaldamiseks pak 35/36 L / 45 paakidele.
Aastaks 1944 võisid Saksa pak 40 tankimiskindlad tulirelvad tulistada öise nägemise seadmetega kuni 700 meetri kaugusele. Umbes samal ajal said Wehrmachti tankimehed Sperber FG 1250 öise nägemise seadet, mille abil toimus viimane suur saksakeelne rünnak Ida-ees Ungari järve lähedal.
Kõik ülaltoodud öise nägemise seadmed kuuluvad nn nullpõlvkonda. Sellised seadmed olid väga tundlikud, nii et nende normaalseks tööks oli vaja täiendavat infrapunavalgusallikat. Näiteks iga viie Saksa tanki, mis on varustatud Sperber FG 1250-ga, kaasas soomustatud personali kandja, millel on võimas infrapunakiirendaja Uhu ("Filin"). Lisaks oli nullpõlvkonnaga PNV-de kujutise võimenditundlik tundlik heleda valguse vilkumise suhtes. Sellepärast kasutasid Nõukogude väed sõja lõpus tihti rünnakus tavalisi prožektoreid. Nad lihtsalt pimestasid saksa PNV.
Sakslased olid püüdnud luua ja öise nägemise seadmeid, mis pakuksid suuremat nägemisulatust (kuni 4 km), kuid IR valgustusseadme märkimisväärse suuruse tõttu loobuti neist. 1944. aastal saadeti Vampiri PNV-st eksperimentaalne partii (300 tk.), Mis oli mõeldud paigaldamiseks Saksa Sturmgeveri rünnakugarjadele. Lisaks nägemisele oli see infrapunavalgusti ja laetav aku. Seadme kogumass ületas 30 kg, vahemik - 100 meetrit ja selle tööaeg oli vaid 20 minutit. Nendest üsna tagasihoidlikest arvudest hoolimata kasutasid sakslased sõja viimase etapi öösel lahingutes aktiivselt “vampiiri”.
Katsed luua nullpõlvkonna NVD olid Nõukogude Liidus. Juba enne sõda töötati välja Dudka kompleks BT paakide jaoks, hiljem ilmus sarnane süsteem T-34 jaoks. Samuti võite meelde tuletada koduse öise nägemise seadme Ts-3, mis töötati välja PPSh-41 masinapüstolitele. Sarnased relvad olid ette nähtud rünnakuüksuste varustamiseks. Kuid NVD ei saanud Punaarmees laialdast kasutamist. Sel ajal olid öise nägemisseadmed endiselt eksootilised ning Nõukogude Liit Teise maailmasõja ajal ei olnud kindlasti selle vastu.
Teise maailmasõja kogemus näitas, et öise nägemise seadmetel on suurepärased väljavaated. Selgus, et see tehnoloogia võib tõsiselt muuta võitlusoperatsioonide läbiviimise viisi mitte ainult maal, vaid ka õhus ja merel. Sellele vaatamata pidi nullpõlvkonna NVD vabanema suurest hulgast loomupärastest vigadest, millest peamine oli nende madal tundlikkus. See ei piiranud mitte ainult NVD ulatust, vaid ka sunnitud seadmega kasutama mahukat ja väga energiamahukat IR-valgustit. Üldiselt oli esimese öise nägemise seadmete konstruktsioon liiga keeruline ja ei olnud piisava usaldusväärsusega.
Varsti asendasid elektrostaatilise fokuseerimisega elektroopto-elektrokeemilistel torudel põhinevad esimese põlvkonna seadmed sõjalise perioodi primitiivseid öise nägemise seadmeid. Nad suutsid sisendsignaali võimendada mitu tuhat korda. See omakorda võimaldas keelduda täiendavast valgustusest. Infrapunavalgustid ei muutnud süsteemi asjatult raskemaks, vaid ka lahinguväljalt hävitaja. Viimase sajandi 60ndateni jõudnud NVG-de esimese põlvkonna täiuslikkuse tipp, ameeriklased kasutasid neid Vietnami sõja ajal aktiivselt.
Teise põlvkonna öise nägemise seadmed ilmusid revolutsioonilise mikrokanali tehnoloogia tekkimise tõttu, mis juhtus 70ndatel. Selle põhiolemus oli see, et nüüd on optilised plaadid nikerdatud õõnsate kanalitega torudega, mille läbimõõt on 10 μm ja pikkus mitte üle 1 mm. Nende arv määras valguse juhtplaadi eraldusvõime. Valguse fotoon, mis kukub igasse kanalitesse, põhjustab kogu elektronide kaskaadi, mis suurendab oluliselt seadme tundlikkust. Teise põlvkonna NVG puhul võib kasum olla 40 tuhat korda. Nende tundlikkus on 240-400 mA / lm ja eraldusvõime - 32-56 rida / mm.
Nõukogude Liidus on selle tehnoloogia baasil loodud USA-s - AN / PVS-5B - öise nägemise kaitseprillid "Kveeker".
Hiljem ilmusid öise nägemisega seadmed, kus elektrostatiline lääts puudub üldse ja toimub elektronide otsene ülekanne mikrokanali plaadile. Selliseid öise nägemise seadmeid nimetatakse tavaliselt põlvkonnaks 2+. Sellise skeemi alusel tehti kodumaised prillid "Eyecup" või nende Ameerika analoog AN / PVS-7.
Teadlaste edasised jõupingutused öise nägemise seadmete parandamiseks olid suunatud fotokatoodi parandamisele. Philipsi insenerid pakkusid välja uue pooljuhtmaterjali - gallium arseeniidi.
Nii ilmusid kolmanda põlvkonna öise nägemise seadmed. Võrreldes traditsiooniliste multi-leeliseliste fotokatoodidega suurenes nende tundlikkus 30% võrra, mis võimaldas teostada vaatlusi isegi pilvitu kuutöötajas. Ainus probleem oli see, et uut materjali saab valmistada ainult kõrgvaakumi tingimustes ja see protsess osutus väga töömahuks. Seetõttu osutus sellise fotokatoodi maksumus suuremaks kui tema eelkäijate maksumus. samal ajal võib kolmas põlvkonna NVG võimendada sissetulevat valgust 100 tuhat korda. Samuti võite lisada, et ainult kaks riiki võivad toota gallium arseeni tööstuslikus mastaabis - Ameerika Ühendriigid ja Venemaa.
Kui näed teavet neljanda põlvkonna NVG müügi kohta kusagil, siis pidage meeles: kõige tõenäolisemalt olete petetud. Seda ei ole veel olemas, ei ole isegi selge, milliseid kriteeriume selle rühma määramiseks kasutada. Kuigi loomulikult viiakse läbi uuringuid olemasolevate öiste tulede parandamiseks kümnetes riikides üle maailma. Soojusfotode puhul otsivad nad Saksamaalt klaasist eelarvet, öise nägemise seadmete peamiseks probleemiks on odavam analoog gallium arseenide fotokatoodide otsimiseks. 2000ndate alguses teatasid ameeriklased uue põlvkonna NVG-de loomisest, kuid mõned eksperdid usuvad, et seda saab pigem nimetada 3+ põlvkonnaks.
Rakendused ja väljavaated
Seadmed, mis võimaldavad inimesel öösel näha, muutuvad üha populaarsemaks ja leiavad uusi rakendusalasid. Kaasaegsetel "tsiviilisikutel" öise nägemise seadmetel on taskukohane hind, nii et jahimehed, turvakonstruktsioonid ja muud kodanike kategooriad, kes vajavad öövaadet, saavad neid endale lubada.
Kõige huvitavam on see, et täna on turul kõik kolm öise nägemise seadmete põlvkonda. Paljud jahipidamiseks mõeldud öise nägemise seadmed kuuluvad esimese põlvkonna või isegi nullini ja neil on infrapunavalgustus, mis on sõjaväe NVG-dele täiesti vastuvõetamatu. "Kodanikul" kasutatakse ka kolmanda põlvkonna seadmeid (neid võib näha isegi keldris). Nende loomiseks kasutatavad tehnoloogiad ei ole pikka aega olnud salajased, vaid seadmed on väga kallid. Reguleerimisala NVD võib valmistada ka erinevate põlvkondade elementidega.
Soojusfotode kasutamine on kaua enam olnud sõjaväe ainuõigus. Lisaks pimedas jahipidamisele ja vaatlemisele kasutatakse üha enam sarnaseid seadmeid ka teadusuuringutes. Nende abiga kontrollivad nad kosmoseaparaati enne käivitamist: imager näitab suurepäraselt erinevaid lekkeid, mis võivad põhjustada katastroofi. Vältimatu soojusvõtja ja energia. See seade saab hõlpsasti näidata, kus hoonest kõige rohkem soojust pääseb, ning võimaldab ka avastada elektrivõrkude maksimaalset koormust. Kasutatakse termilisi kujutisi ja meditsiini: vastavalt inimkeha temperatuurikaardile saate teha isegi mõningaid diagnoose. Igal aastal muutuvad need seadmed odavamaks, mistõttu nende rakendusala laieneb pidevalt.
