Vision ist der wichtigste Weg, um die Realität wahrzunehmen. Visuell erhalten wir die meisten Informationen über die Außenwelt. Unsere Augen sind ein überraschend komplexer und perfekter Mechanismus, der uns von Natur aus präsentiert wird. Leider sind ihre Möglichkeiten etwas eingeschränkt.
Eine Person kann nur einen sehr engen optischen Bereich des gesamten Spektrums elektromagnetischer Strahlung wahrnehmen (dies wird auch als sichtbarer Teil des Spektrums bezeichnet), außerdem kann das Auge das "Bild" nur bei ausreichender Beleuchtung wahrnehmen. Wenn er beispielsweise unter den Wert von 0,01 Lux fällt, verlieren wir die Fähigkeit, die Farben von Objekten zu unterscheiden, und wir können nur große Objekte sehen, die sich in der Nähe befinden.
Dies ist doppelt beleidigend, weil wir durch dieses Merkmal unserer Vision im Dunkeln fast blind werden. Der Mensch hat immer andere Vertreter des Tierreichs beneidet, für die der Nachtnebel kein Hindernis darstellt: Katzen, Eulen, Wölfe, Fledermäuse.
Besonders mochte diese Einschränkung des menschlichen Sehens im Militär nicht. Die Situation änderte sich jedoch erst in der Mitte des letzten Jahrhunderts drastisch, als dank der Errungenschaften der Physik Nachtsichtgeräte auftauchten, die es ermöglichten, nachts fast genauso klar zu sehen wie tagsüber.
Gegenwärtig befinden sich Nachtsichtgeräte nicht nur in Armeearsenalen, sie werden gern von Rettungskräften, Jägern, Sicherheitskräften und Spezialdiensten verwendet. Und wenn wir über Wärmebildkameras sprechen, ist die Liste ihrer Verwendung noch umfangreicher.
Heutzutage gibt es eine große Anzahl von Arten und Arten von Nachtsichtgeräten (NVD), die in Form von Ferngläsern, Monogeln (Monokularen), Visieren oder gewöhnlichen Gläsern hergestellt werden. Bevor wir jedoch über das Gerät des Nachtsichtgeräts sprechen, sollten wir einige Worte zu den physikalischen Prinzipien sagen, auf denen die Arbeit solcher Geräte basiert.
Wie funktioniert das?
Der Betrieb von Nachtsichtgeräten und Wärmebildkameras basiert auf den physikalischen Phänomenen des inneren und äußeren photoelektrischen Effekts.
Der wesentliche Effekt des externen photoelektrischen Effekts (oder der Photoelektronenemission) besteht darin, dass Festkörper Elektronen unter dem Einfluss von Licht emittieren, die von der NVD eingefangen werden. Die Basis eines Nachtsichtgeräts ist ein Bildverstärker, ein elektronenoptischer Wandler, der das schwach reflektierte Licht einfängt, verstärkt und in ein elektronisches Signal umwandelt. Dies ist, was eine Person in der Linse eines Nachtsichtgeräts sieht. Es versteht sich, dass kein Nachtsichtgerät in absoluter Dunkelheit "sehen" kann. Zwar gibt es auch aktive Nachtsichtgeräte, die zur Beleuchtung von Objekten eine eigene Infrarotstrahlungsquelle verwenden.
Jedes Nachtsichtgerät besteht aus drei Hauptkomponenten: optisch, elektronisch und einem anderen optischen. Licht wird von einer Linse empfangen, die es dann auf einen Bildverstärker fokussiert, wo aus Photonen ein elektronisches Signal wird. Das maximal verstärkte Signal wird zum Lumineszenzschirm übertragen, wo es wieder zu einem Bild wird, das dem menschlichen Auge vertraut ist. Das obige Design ist im Allgemeinen für jede Generation von Nachtsichtgeräten charakteristisch. Nur moderne Nachtsichtgeräte (zweite und dritte Generation) verfügen über ein fortschrittlicheres Signalverstärkungssystem.
Wärmebildkameras hingegen erfassen ihre eigene Strahlung von jedem Körper oder Objekt, dessen Temperatur sich vom absoluten Nullpunkt unterscheidet. Der Hauptteil der Bildgeber sind die sogenannten Bolometer - komplexe Fotodetektoren, die Infrarotwellen erfassen. Solche Sensoren sind empfindlich für Wellenlängen, die dem Temperaturbereich von -50 bis +500 Grad Celsius entsprechen.
Wärmebildkameras haben in der Tat ein recht einfaches Design. Jede dieser Vorrichtungen besteht aus einer Linse, einer Wärmebildmatrix und einer Signalverarbeitungseinheit sowie einem Bildschirm, auf dem das fertige Bild angezeigt wird. Es gibt zwei Arten von Wärmebildkameras: mit einer gekühlten und ungekühlten Matrix. Die ersten sind die empfindlichsten, teuersten und massivsten. Ihre Matrix wird auf eine Temperatur von -210 bis -170 ° C abgekühlt, üblicherweise wird hierfür flüssiger Stickstoff verwendet. Sie werden häufiger bei großen militärischen Geräten eingesetzt (z. B. bei Nachtsichtgeräten für Panzer).
Wärmebildkameras mit einer ungekühlten Matrix kosten viel weniger, sie sind kleiner, aber ihre Empfindlichkeit ist viel geringer. Die meisten heute auf dem Markt befindlichen Wärmebildkameras (bis zu 97%) gehören jedoch zu dieser Kategorie.
Eines der Hauptmerkmale von Wärmebildkameras, die ihre hohen Kosten maßgeblich bestimmen, sind ihre Linsen. Tatsache ist, dass gewöhnliches Glas, das in den meisten optischen Geräten verwendet wird, für Infrarotstrahlung völlig undurchsichtig ist. Daher werden seltene Materialien wie Germanium für Linsen von Wärmebildkameras verwendet, deren Marktpreis etwa 2 Tausend Dollar pro kg beträgt. Die durchschnittliche Germaniumlinse für eine Wärmebildkamera kostet etwa 7 Tausend Dollar, und der Preis einer guten Linse kann bis zu 20 Tausend Dollar erreichen. Heute suchen sie sowohl in Russland als auch im Ausland nach einem Ersatz für Deutschland, wodurch theoretisch die Kosten einer Wärmebildkamera um 40-50% gesenkt werden können.
Geschichte und Klassifizierung der NVD
Die Klassifizierung von Nachtsichtgeräten basiert auf der Empfindlichkeit der Fotokathode, dem Verstärkungsgrad des Lichts und der Auflösung in der Mitte des resultierenden Bildes. In der Regel gibt es drei Generationen von NVD. Außerdem werden frühe Nachtsichtgeräte mit einer zusätzlichen Infrarotstrahlungsquelle oft als separate Generation bezeichnet. Auf den Websites der Hersteller finden Sie Informationen zu den Nachtsichtgeräten der sogenannten Zwischengenerationen wie 1+ oder 2+. Eine solche Abstufung verfolgt jedoch mehr Marketingziele als die tatsächlichen Unterschiede.
Die Verbesserung des NVD-Designs und das Aufkommen neuer Generationen dieser Geräte erfolgten nacheinander. Daher ist die Klassifizierung von Nachtsichtgeräten zusammen mit ihrer Entwicklungsgeschichte bequemer zu berücksichtigen.
Am 23. August 1914 gelang es den Deutschen in der Nähe der belgischen Stadt Oostende, ein britisches Geschwader zu finden, das aus Panzerkreuzern und Zerstörern mit Hilfe von Hitzesuchern bestand. Und es ist nicht leicht herauszufinden - aber auch Artilleriefeuer mit diesen Geräten zu korrigieren, um zu verhindern, dass sich feindliche Schiffe einem wichtigen Hafen nähern. Es wird angenommen, dass von diesem Moment an die Geschichte der Nachtsichtgeräte begann.
1934 kam es auf diesem Gebiet zu einem echten Durchbruch: Der Niederländer Holst schuf den weltweit ersten elektronenoptischen Wandler (EOC). Zwei Jahre später entwickelte der russische Expat Zvorykin einen Bildverstärker mit elektrostatischer Signalfokussierung, der später zum "Herz" des ersten kommerziellen Nachtsichtgeräts der amerikanischen Radio Corporation of America wurde.
Die Zeit der raschen Entwicklung der NVD war der Zweite Weltkrieg. Führend in ihrer Entwicklung und Anwendung war Hitlers Deutschland. Der erste Prototyp des Nachtsichtgerätes wurde 1936 von der Allgemeinen Electricitats-Gesellschaft (AEG) erstellt und war für die Installation auf den Panzerabwehrkanonen Pak 35/36 L / 45 vorgesehen.
Bis 1944 konnten die deutschen Panzerabwehrkanonen Pak 40 mit Nachtsichtgeräten aus einer Entfernung von bis zu 700 Metern beschießen. Etwa zur gleichen Zeit erhielt die Panzertruppe der Wehrmacht das Nachtsichtgerät Sperber FG 1250, mit dem die letzte deutsche Großoffensive an der Ostfront am ungarischen Plattensee stattfand.
Alle genannten Nachtsichtgeräte gehören zur sogenannten Zero-Generation. Da diese Geräte sehr empfindlich waren, war für ihren normalen Betrieb eine zusätzliche Infrarotlichtquelle erforderlich. Zum Beispiel sind alle fünf deutschen Panzer mit einem Sperber FG 1250 ausgestattet, begleitet von einem gepanzerten Personaltransporteur mit einem leistungsstarken Infrarot-Ortungsgerät Uhu ("Filin"). Außerdem hatten PNVs der Generation Null einen Bildverstärker, der auf helle Lichtblitze reagiert. Deshalb benutzten sowjetische Truppen zu Kriegsende häufig konventionelle Scheinwerfer in der Offensive. Sie haben einfach deutsche PNV geblendet.
Die Deutschen hatten versucht, Nachtsichtgeräte zu entwickeln, die eine größere Sichtweite (bis zu 4 km) bieten, aber aufgrund der beträchtlichen Größe des IR-Illuminators wurden sie aufgegeben. Im Jahr 1944 wurde eine Versuchsreihe (300 Stück) des Vampir PNV an die Truppen geschickt, die zur Montage an den deutschen Sturmgever-Sturmgewehren bestimmt war. Neben dem Anblick selbst bestand es aus einer Infrarotbeleuchtung und einem Akku. Das Gesamtgewicht des Geräts überschritt 30 kg, die Reichweite - 100 Meter, und die Betriebsdauer betrug nur 20 Minuten. Trotz dieser eher bescheidenen Zahlen haben die Deutschen "Vampire" in den nächtlichen Schlachten der Endphase des Krieges aktiv eingesetzt.
Versuche, eine Null-Generation-NVD zu schaffen, fanden in der Sowjetunion statt. Noch vor dem Krieg wurde der Dudka-Komplex für die BT-Panzerfamilie entwickelt, später erschien ein ähnliches System für die T-34. Sie können sich auch an das inländische Nachtsichtgerät Ts-3 erinnern, das für PPSh-41-Maschinenpistolen entwickelt wurde. Ähnliche Waffen waren geplant, um Angriffseinheiten auszurüsten. Die NVD wurde jedoch nicht weit verbreitet in der Roten Armee eingesetzt. Zu dieser Zeit waren Nachtsichtgeräte immer noch exotisch, und die Sowjetunion im Zweiten Weltkrieg hatte es definitiv nicht geschafft.
Die Erfahrung des Zweiten Weltkriegs hat gezeigt, dass Nachtsichtgeräte hervorragende Perspektiven haben. Es wurde klar, dass diese Technologie die Art und Weise der Durchführung von Kampfhandlungen nicht nur an Land, sondern auch in der Luft und auf See erheblich verändern kann. Dafür musste die Zero-Generation-NVD jedoch eine große Anzahl von inhärenten Fehlern beseitigen, deren Hauptaugenmerk auf ihrer geringen Empfindlichkeit lag. Es beschränkte sich nicht nur auf die Reichweite des NVDs, sondern erzwang auch die Verwendung einer sperrigen und sehr energieintensiven IR-Beleuchtung mit dem Gerät. Insgesamt war das Design der ersten Nachtsichtgeräte zu kompliziert und unterschied sich nicht in ausreichender Zuverlässigkeit.
Bald ersetzten die Geräte der ersten Generation, die auf elektrooptoelektrochemischen Röhren mit elektrostatischer Fokussierung basierten, die primitiven Nachtsichtgeräte der militärischen Periode. Sie konnten das Eingangssignal mehrere tausend Mal verstärken. Dies ermöglichte es wiederum, zusätzliche Beleuchtung abzulehnen. IR-Strahler haben das System nicht nur unnötig schwerer gemacht, sondern auch den Kämpfer auf dem Schlachtfeld demaskiert. Der Höhepunkt ihrer Perfektion der ersten Generation von NVGs, die in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts erreicht wurde, nutzten die Amerikaner während des Vietnamkrieges aktiv.
Nachtsichtgeräte der zweiten Generation erschienen aufgrund des Aufkommens einer revolutionären Mikrokanaltechnologie. Dies geschah in den 70er Jahren. Das Wesentliche dabei war, dass nun die optischen Platten mit Hohlkanalrohren mit einem Durchmesser von 10 μm und einer Länge von nicht mehr als 1 mm bestückt waren. Ihre Anzahl bestimmte die Auflösung der Lichtleiterplatte. Ein Photon des Lichts, das in jeden dieser Kanäle fällt, bewirkt, dass eine ganze Kaskade von Elektronen ausgeschaltet wird, was die Empfindlichkeit der Vorrichtung stark erhöht. Bei der zweiten Generation von NVG kann der Gewinn das 40.000-fache erreichen. Ihre Empfindlichkeit beträgt 240-400 mA / lm und die Auflösung 32-56 Zeilen / mm.
In der Sowjetunion wurden auf Basis dieser Technologie Nachtsichtbrillen "Quaker" und in den USA AN / PVS-5B entwickelt.
Später tauchten Nachtsichtgeräte auf, bei denen die elektrostatische Linse überhaupt nicht vorhanden ist und die direkte Übertragung von Elektronen auf die Mikrokanalplatte stattfindet. Solche Nachtsichtgeräte werden normalerweise als Generation 2+ bezeichnet. Auf der Grundlage eines solchen Schemas wurden die Brillen "Eyecup" oder ihr amerikanisches Analogon AN / PVS-7 hergestellt.
Weitere Bemühungen der Wissenschaftler zur Verbesserung der Nachtsichtgeräte zielten auf die Verbesserung der Fotokathode ab. Die Ingenieure von Philips haben angeboten, aus einem neuen Halbleitermaterial - Galliumarsenid - zu bestehen.
So entstanden die Nachtsichtgeräte der dritten Generation. Im Vergleich zu herkömmlichen Multikali-Photokathoden erhöhte sich ihre Empfindlichkeit um 30%, so dass auch in einer wolkenlosen mondlosen Nacht Beobachtungen durchgeführt werden konnten. Das einzige Problem bestand darin, dass das neue Material nur unter Hochvakuumbedingungen hergestellt werden konnte, und dieser Prozess erwies sich als sehr mühsam. Die Kosten einer solchen Fotokathode erwiesen sich daher als um eine Größenordnung höher als die ihrer Vorgänger. Gleichzeitig kann die dritte Generation von NVGs das einfallende Licht um das Hunderttausendfach verstärken. Sie können auch hinzufügen, dass nur zwei Länder Galliumarsenid im industriellen Maßstab herstellen können - die Vereinigten Staaten und Russland.
Wenn Sie irgendwo Informationen über den Verkauf von NVG der vierten Generation sehen, dann denken Sie daran: Wahrscheinlich werden Sie getäuscht. Es existiert noch nicht, es ist nicht einmal klar, nach welchen Kriterien diese Gruppe bestimmt wird. Natürlich werden in Dutzenden von Ländern auf der ganzen Welt Untersuchungen zur Verbesserung der bestehenden "Nachtlichter" durchgeführt. Für Wärmebildkameras suchen sie nach einem preiswerten Ersatz für Glas aus Deutschland. Das Hauptproblem von Nachtsichtgeräten ist die Suche nach einem billigeren Analogon für Gallium-Arsenid-Fotokathoden. Zu Beginn der 2000er Jahre gaben die Amerikaner die Schaffung einer neuen Generation von NVGs bekannt, aber einige Experten glauben, dass dies eher als die Generation 3+ bezeichnet werden kann.
Anwendungen und Perspektiven
Geräte, mit denen eine Person nachts jedes Jahr sehen kann, werden immer beliebter und finden neue Anwendungsbereiche. Moderne "zivile" Nachtsichtgeräte haben einen erschwinglichen Preis. Jäger, Sicherheitsstrukturen und andere Kategorien von Bürgern, die Nachtsichtgeräte benötigen, können sich diese leisten.
Das Interessanteste ist, dass heute alle drei Generationen von Nachtsichtgeräten auf dem Markt sind. Viele Nachtsichtgeräte für die Jagd gehören der ersten Generation oder sogar Null an und verfügen über IR-Beleuchtung, was für militärische NVGs absolut inakzeptabel ist. Auf dem "Bürger" werden auch Geräte der dritten Generation verwendet (sie sind sogar im Keller zu sehen). Die Technologien, mit denen sie erstellt wurden, waren lange Zeit nicht geheim, nur Geräte sind sehr teuer. Scope NVD kann auch mit Elementen verschiedener Generationen erstellt werden.
Die Verwendung von Wärmebildkameras ist längst nicht mehr das ausschließliche Vorrecht des Militärs. Neben der Jagd und Beobachtung im Dunkeln werden in der wissenschaftlichen Forschung zunehmend ähnliche Geräte eingesetzt. Mit ihrer Hilfe überprüfen sie beispielsweise das Raumfahrzeug vor dem Start: Der Imager zeigt perfekt verschiedene Lecks an, die zu einer Katastrophe führen können. Unverzichtbare Wärmebildkamera und Energie. Dieses Gerät kann auf einfache Weise anzeigen, wo Wärme am aktivsten aus einem Gebäude austritt, und ermöglicht es auch, Orte maximaler Last in Stromnetzen zu erkennen. Es werden Wärmebildkameras und Medizin verwendet: Je nach Temperaturkarte des menschlichen Körpers können Sie sogar einige Diagnosen stellen. Diese Geräte werden von Jahr zu Jahr billiger, so dass sich ihr Anwendungsbereich stetig erweitert.
