Чтобы видеть ночью так же хорошо, как днем, используются технические устройства — приборы ночного видения (ПНВ). Действие этих приборов основывается на двух принципах:

• усилении попадающего в объектив ПНВ светового потока;
• преобразовании невидимого диапазона спектра в видимый.

Появившиеся во время Второй мировой первые американские ПНВ (их принято называть «нулевым» поколением) основывались на втором принципе, реализовывавшемся благодаря устройству под названием «электронно-оптический преобразователь» (ЭОП). Честь его разработки принадлежит нашему соотечественнику Владимиру Зворыкину. Будучи сотрудником американского концерна RCA, он создал устройство, использовавшее явление внешнего фотоэффекта. Суть этого явления заключается в том, что при попадании фотона на поверхность металла либо полупроводника образуется свободный электрон. ЭОП представляет собой вакуумную стеклянную трубку, один торец которой содержит испускающий электроны фотокатод, другой торец покрыт люминофором, а посредине располагается система фокусирующих и ускоряющих электродов. При большой разности потенциалов (несколько киловольт) образуется электрическое поле высокой напряженности, разгоняющее вылетевший из фотокатода электрон, который, попадая на люминофор, вызывает его свечение.

При использовании кислородно-цезиевого фотокатода (в США именовался S-1) электроны генерировались при попадании не только видимого света, но и фотонов инфракрасного диапазона спектра. Однако для получения более-менее различимого изображения цель необходимо было подсвечивать инфракрасным прожектором, луч которого был отлично виден в ПНВ противника, так как с середины 30-х годов разработкой ПНВ занялся германский концерн AEG. Кроме того, как прожектор, так и сам прибор потребляли колоссальное количество энергии и отличались весьма коротким жизненным циклом.

Интересно отметить, что первые ПНВ как в германской, так и в американской армиях устанавливались на оружие под промежуточный патрон: в США для этого использовался карабин M3, в Германии — автомат StG-44.

Затем появились ПНВ первого поколения, именовавшиеся «прицелами звездного света». В них использовался фотокатод из нового материала (S-20), чувствительность которого была в три раза выше, чем у ПНВ нулевого поколения и позволяла обойтись без ИК-подсветки при лунном свете. Кроме того, конструкция этих устройств представляла собой фотоумножитель, так как между фотокатодом и экраном из люминофора располагались эмиттеры вторичных электронов — при попадании одного электрона из эмиттера вылетало сразу несколько электронов. Трехкаскадным (с тремя последовательно расположенными эмиттерами) ПНВ, использовавшимся во Вьетнаме, для генерации различимого изображения лунный свет уже не был необходим. Тем не менее энергопотребление этих устройств оставалось высоким, а срок службы – коротким.

В СССР видикон именовался также «иконоскопом» — в нем использовался сканирующий луч, формировавший видеопоток, который затем транслировался в эфир либо записывался на магнитную пленку.

В ПНВ второго поколения использовался новый фотокатод (S-25), чувствительность которого улучшилась не столь заметно. Зато заметно выросло качество изображения, этого удалось добиться за счет применения микроканальных пластин. При попадании электрона в один из многочисленных каналов такой пластины происходило лавинообразное высвобождение вторичных электронов (до 10 000 на один входящий), которые, в отличие от многокаскадных эмиттеров, имели неискаженную траекторию полета. Кроме того, нужды в разгоне электрона не было, поэтому удалось отказаться от высокой разности потенциалов. За счет этого срок службы ПНВ значительно вырос, а уровень энергопотребления снизился . Фактически новые приборы потребляли ток меньший, чем электрический фонарик.

ПНВ третьего поколения отличаются от предыдущего лишь материалом фотокатода. Теперь его изготавливали из арсенида галлия, отличавшегося повышенной чувствительностью к ИК-диапазону спектра. Для применения в полевых условиях это особенно важно, так как ИК-составляющая в звездном излучении представлена сильнее всего.

С момента своего появления в 1969 году ПЗС-матрицы стали претендовать на роль заменителя ЭОП. Разработанный Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом (сотрудниками подразделения Semiconductor Components Division корпорации Bell Laboratories) прибор с зарядовой связью использовал явление внутреннего фотоэффекта, при котором выделившийся при попадании фотона электрон остается в толще полупроводника. Для этого посредством прозрачных электродов из полисиликона внутри полупроводника создается потенциальная яма, в которой «оседает» заряд, пропорциональный уровню освещенности прибора. Объединенные в матрицу могут ПЗС регистрировать изображение, которое затем считывается посредством разного рода устройств.

Поскольку ПЗС-матрица может регистрировать не только видимый, но и ИК-диапазон света, сразу же возникла мысль об ее использовании в ПНВ. Сложность заключалась в следующем:

• ранние образцы ПЗС-матриц отличались скромной чувствительностью;
• далеко не все сгенерированные при внутреннем фотоэффекте электроны сохранялись в потенциальной яме;
• при переносе заряда каждого элемента матрицы были неизбежны потери;
• паразитный заряд, накапливавшийся в потенциальной яме, искажал изображение.

В то же время уровень энергопотребления ПЗС-матрицы по сравнению с ЭОП был просто смехотворным. Ток, потребляемый как при создании потенциальной ямы, так и при переносе зарядов, был минимальным, а в разгоне электронов потребности не было. Впрочем, в этом заключался и определенный минус ПЗС-матриц, так как регистрировать слабый свет они могли только в «фоторежиме» посредством длительного экспонирования. Потреблявшие значительно больший ток ЭОП генерировали «живое» изображение.

Совершенствование технологии производства и повышение чистоты используемых материалов позволило снизить шум и сохранить заряд ПЗС-элемента как при накоплении, так и при его переносе. Все указанные меры привели к тому, что в видеотехнике ПЗС-матрицы вытеснили видиконы, использовавшие, как и ЭОП, явление внешнего фотоэффекта.

В 1996 году компанией Scientific Imaging Technologies, Inc была разработана матрица с обратной засветкой, в которой свет попадал не со стороны полисиликоновых электродов, а со стороны подложки ПЗС-матрицы, что резко увеличило ее чувствительность. В результате ПЗС-матрицы полностью вытеснили фотопленку в астрофотографии.

Таким образом, ПЗС-матрицы уверенно генерировали видеопоток с частотой кадров до 30 кадр/сек и имели достаточную для регистрации ИК-диапазона чувствительность. Однако главной проблемой была визуализация видеопотока ПЗС-матрицы. Ее, в свою очередь, удалось решить после появления ЖК-дисплеев высокого (более 250 000 элементов) разрешения.

Пожалуй, главным плюсом ПЗС-матрицы является ее отношение к «засвечиванию». Яркая вспышка для ЭОП чревата выгоранием люминофора либо выходом из строя фотокатода или эмиттера вторичных электронов. В свою очередь, каждый элемент ПЗС-матрицы имеет «обвязку», обеспечивающую «дренаж» избыточного заряда, так что «засветка» такого ПНВ ничем фатальным ему не грозит.

В этом году предприятие Yukon Advanced Optics (Белоруссия) представило образец цифрового прибора ночного видения – монокуляр «Ranger» торговой марки «Yukon».

Создаваемое «Ranger» изображение имеет одинаковую резкость по всему поля зрения, как в центре, так и в периферийной зоне, где картинка в приборах на основе ЭОП имеет искажения и меньшее разрешение. В прибор встроены два независимо работающих инфракрасных осветителя. Один из них включается автоматически при включении самого прибора. Его назначение – обеспечение обзора в так называемых идеальных условиях  освещенности в ночное время (при чистом звездном небе, лунном свете).

Для наблюдения на больших дистанциях дополнительно предусмотрен инфракрасный осветитель большой мощности. Он включается при необходимости и имеет функции плавной регулировки и запоминания выбранного уровня интенсивности излучения. Таким образом, двуху-ровневая система инфракрасного освещения, в сочетании с 5-кратным увеличением, позволяет осуществлять полноценный обзор и распознавать объекты на любой, в том числе и максимальной для прибора дистанции, независимо от  условий освещенности. Яркость и четкость получаемого изображения, на наш взгляд, превосходит по качеству изображение прибора ночного видения на основе ЭОП 2-го поколения.

Прибор может безопасно работать и в дневное время суток, не боится вспышек света, интенсивных источников освещения, которые обычно повреждают прибор ночного видения на ЭОП.

Рабочий ресурс «Ranger» практически неограничен.

Прибор может быть использован для стационарного наблюдения. При ведении стационарного наблюдения есть возможность осуществлять передачу изображения  на удаленный внешний монитор и осуществлять видеозапись на записывающее устройство через встроенный видеовыход.

Излучения обоих инфракрасных осветителей визуально невидимы, что обеспечивает скрытность наблюдения. Прибор работает автономно от 6 батареек АА (или аккумуляторов). Специальный разъем позволяет подключить питание от 7 до 12 V и 220 V от внешних источников.

Несмотря на высокую популярность ПНВ, основанных на ЭОП, будущее принадлежит устройствам на базе ПЗС.

Сомневающиеся могут обратить внимание на рынок фототехники. Каких-то десять лет назад цифровая фотокамера, использовавшая ПЗС-матрицу вместо пленки, воспринималась исключительно как безумно дорогая игрушка. В настоящий момент пленочные фотоаппараты полностью вытеснены в профессиональной и любительской фотографии аппаратами с ПЗС матрицами. ПЗС матрицы тиражируются миллионами, постоянно совершенствуются и… дешевеют. В отличие от приборов, построенных на основе ЭОП, приборы с ПЗС матрицей – массовая продукция, товары широкого потребления.

Наступает эра ночных наблюдательных  приборов и прицелов “день-ночь” на основе ПЗС матриц. Электронный способ обработки изображения позволяет поднять уровень информативности этих приборов на невиданный уровень. Можно видеть ночью и днем, можно иметь любое количество прицельных марок, любое цифровое увеличение - от 1 хоть до 200, выбирать оптимальную яркость, контрастность изображения. Можно  иметь встроенный дальномер, ватерпас, анемометр, гигрометр, активный (автоматически вводящий корректировку) баллистический калькулятор. Можно фиксировать в памяти картинки до выстрела, момент выстрела и его результаты, передавать изображение на расстояние, – все технически уже сейчас возможно и стало реализовываться в армейских прицелах передовых стран.

Пионером в этой области приборов ночного видения с ПЗС-матрицей является Yukon Advanced Optics.

Марин Милчев