Noktowizory - Co i gdzie?

Noktowizor
Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.
Noktowizor
Noktowizor jest urządzeniem umożliwiającym nocną obserwację
obiektów oświetlonych tzw. szczątkową ilością światła pochodzącego
od gwiazd lub księżyca.
Zbudowany jest z obiektywu, wzmacniacza obrazu, układu
sterującego, układu zasilania i okularu. Na rysunku przedstawiono
budowę przykładowego noktowizora.
Noktowizor pracuje w następujący sposób. Światło emitowane od
nieboskłonu posiadające szersze widmo emisyjne od szerokości widma
czułości oka pada na elementy scenerii. Między innymi odbija się od
nich i część odbitego światła pada na układ optyczny noktowizora. W
ognisku układu optycznego znajduje się wzmacniacz obrazu, który
przekształca powstały obraz na strumień elektronów.
Budowa noktowizora
Analogicznie jak w telewizji analogowej elektrony kierowane są
na luminofor powodując jego świecenie i w konsekwencji
powstanie obrazu. Uzyskany w ten sposób obraz obserwowany
jest przez uŜytkownika za pomocą okularu. Na rysunku
przedstawiono zasadę działania noktowizora.
Noktowizory używane są przede wszystkim w technice wojskowej.
Służą do nocnych obserwacji terenu zastępując konwencjonalne
lornetki, a przymocowane do karabinów pełnią funkcję przyrządów
celowniczych. Gogle noktowizyjne używane są również przez załogi
pojazdów lub statków powietrznych.
Noktowizory znalazły również szerokie cywilne zastosowanie.
Używane są przez myśliwych na polowaniach, przez filmowców
realizujących filmy przyrodniczych w warunkach nocnych bez płoszenia
zwierząt sztucznym oświetleniem oraz wspomagają nocny monitoring
ważnych obiektów.
Zasada działania noktowizora
Wzmacniacz obrazu
Podstawowym elementem noktowizora jest wzmacniacz obrazu.
Posiada on cylindryczną zamkniętą obudowę, w której umieszczono
fotokatodę oraz ekran. Z wnętrza wzmacniacza obrazu wyprowadzone
są przewody zasilające. Na rysunku przedstawiona została zasada
działania wzmacniacza obrazu.
Fotony niosące informację o obrazie obserwowanej scenerii
ogniskowane są na fotokatodzie wzmacniacza obrazu. Padając na tę
fotokatodę wybijają z niej elektrony, które rozpędzane zostają w bardzo
silnym polu elektrycznym. Elektrony te uderzają następnie w ekran
pokryty luminoforem. Efektem tego zjawiska jest lokalne rozświetlenie
punktu ekranu w miejscu uderzenia elektronu.
Jednoczesna transmisja elektronów z całej powierzchni fotokatody
powoduje rozjaśnienie płaszczyzny ekranu i otrzymanie w rezultacie
obrazu.
Schemat wzmacniacza obrazu: 1. układ optyczny obiektywu,
2. fotokatoda, 3. płytka mikrokanałowa, 4. korpus obudowy, 5. ekran
pokryty luminoforem, 6. ikład optyczny okularu.
Luminancja powstałego obrazu jest kilka tysięcy razy większa w
stosunku do luminancji obrazu nocnej scenerii obserwowanej tzw.
„nieuzbrojonym” okiem.
Wzmacniacze obrazu, w zależności od swych parametrów i aplikacji,
mogą być przystosowane do pracy w różnych zakresach widma
optycznego od bliskiej podczerwieni aż po światło widzialne. Są one
bardzo czułe na promieniowanie widzialne i bezpośrednie skierowanie
obiektywu w stronę nawet tak stosunkowo słabych źródeł światła, jak
księżyc lub odległy reflektor może spowodować trwałe ich uszkodzenie.
Technika otrzymywania obrazów w noktowizorach uniemożliwia
rozróżnianie prawdziwych barw obserwowanych obiektów. Wszystkie
barwy mają na ekranie jednakowy np. zielony kolor, a szczegóły
obiektów mogą być wykrywane jedynie na podstawie ich jasności. Kolor
zielony charakteryzuje się największą ilością odcieni ze wszystkich barw
światła, co w efekcie umożliwia wykrywanie obiektów niewiele się
różniące od siebie. Dzięki temu wzrasta kontrast i widoczność
szczegółów.
Noktowizory w zależności od zastosowanych wzmacniaczy obrazu
dzielą się na cztery generacje.
Noktowizory pierwszej generacji wzmacniają światło kilka tysięcy razy
umożliwiając dobre widzenie w ciemności. Gwarantują one jasny i ostry
obraz przy niskiej cenie zakupu. W czasie użytkowania noktowizora I
generacji może być lekko słyszalny piskliwy dźwięk, obraz może być
nieco rozmyty na brzegach, a po wyłączeniu urządzenia luminofor może
jeszcze przez pewien czas dawać poświatę.
Generacja II urządzeń noktowizyjnych jest głównie używana przez
służby mundurowe i adresowana jest do zastosowań profesjonalnych.
Główna różnica między urządzeniami I i II generacji sprowadza się do
zastosowania płytki mikrokanalikowej we wnętrzu wzmacniacza
obrazu. Płytka ta, znajduje się tuż za fotokatodą i składa się z milionów
krótkich równoległych rurek. W wyniku przejścia elektronów przez te
rurki luminofor pobudzany zostaje do świecenia wyłącznie w obrębie
„działania” rurki. Noktowizory pierwszej generacji są bardzo wrażliwe
na działanie silnego światła, które spowodować może chwilowe
maksymalne rozjaśnienie całego ekranu i powolny powrót do
poprawnego działania. Konsekwencje takiego działania mogą być
bardzo groźne podczas działań wojennych. W przypadku oślepienia
noktowizora drugiej generacji, dochodzi do nasycenia ekranu jedynie
lokalnie. Pozostała część ekranu pozwala na dalszą obserwację.
Ponadto, płytka mikrokanalikowa umożliwia zwielokrotnienie ilości
elektronów poruszających się w kierunku ekranu. Więcej elektronów w
przetworniku powoduje większe wzmocnienie systemowe. Dzięki
zastosowaniu płytki MCP wzmocnienie w przetworniku drugiej
generacji może sięgać aż 50 000 razy. Tak duże wzmocnienie zapewnia
poprawną pracę np. w bezksiężycową noc.
Do noktowizorów III generacji dodano arsenek galu do fotokatody,
aby uzyskać jaśniejszy i bardziej ostry obraz w porównaniu z
noktowizorami II generacji. Równocześnie tubę wzbogacono o warstwę
bariery jonowej dla zwiększenia jej żywotności.
Najnowszym rozwiązaniem jest IV generacja posiadająca wzmacniacz
obrazu z automatycznym bramkowaniem. Technologia ta ma na celu
zapewnienie optymalnego działania i minimalizacji poświaty podczas
skanowania zarówno w bardzo ciemnych obszarach, jak i obszarach
lepiej oświetlonych. Noktowizory te stają się najbardziej efektywnym
rozwiązaniem dla działań miejskich i zapewniają najlepszą ochronę w
miejscach, gdzie mogą być jasne źródła światła takie jak światło uliczne,
reflektory samochodów itp.
Na rysunku przedstawiono przykładowe obrazy ilustrujące jakość
odwzorowania scenerii za pomocą czterech generacji noktowizorów.
Obraz symulacyjny odwzorowania scenerii za pomocą czterech
generacji noktowizorów
Podstawowymi parametrami wzmacniaczy obrazu (noktowizorów) są:
1. Czułość – zdolność systemów noktowizyjnych do wykrywania światła
i tworzenia obrazu. Zwykle, im większa wartość czułości tym lepsza
zdolność postrzegania rzeczy w coraz to ciemniejszych warunkach.
2. Rozdzielczość – zwykle mierzona jako rozdzielczość ekranu. Większa
jej wartość zapewnia lepszą zdolność do prezentowanie ostrych
obrazów.
3. Zasięg – zrównoważona funkcja wzmocnienia systemu, rozdzielczości,
powiększenia obrazu i ilości dostępnego światła w otoczeniu.
Najbardziej skuteczny zasięg w większości wzmacniaczy jest osiągalny
przez zestaw soczewek, posiadający minimalne powiększenie (<3x).
4. Jakość obrazu – funkcja kilku parametrów m.in. rozdzielczości,
zniekształceń, kontrastu, zakłóceń i in.
5. Powiększenie i pole widzenia
Literatura:
WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA - INSTYTUT OPTOELEKTRONIKI
– instrukcja laboratoryjna do ćwiczenia: Badanie noktowizorów