Ночной дозор: Способ найти черную кошку в темной комнате

Принцип ночного видения основывается на явлении фотоэмиссии — высвобождении электронов из твердых тел при направлении на них излучения — как видимого, так и невидимого. Впервые это явление открыл в 1887 году Генрих Герц, а теоретически обосновал в 1905 году Альберт Эйнштейн, за что и получил Нобелевскую премию (а вовсе не за теорию относительности, как считают многие). Теория теорией, но первый работоспособный образец электронно-оптического преобразователя (ЭОП) был изготовлен в исследовательском центре Philips в Эйндховене в 1934 году. Этот тип ЭОПа ныне известен как «стакан Холста» (по фамилии разработчика). «Стакан Холста» представлял собой два вложенных друг в друга стакана, на плоские донышки которых и наносились фотокатод и люминофор. Приложенное к этим слоям высоковольтное напряжение создавало электростатическое поле, обеспечивавшее прямой перенос электронного изображения с фотокатода на экран с люминофором. В качестве фоточувствительного слоя в «стакане Холста» использовался серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод, имевший довольно низкую чувствительность. К тому же фотокатод обладал высоким уровнем шумов, для устранения которых требовалось охлаждение до минус 400С. Прибор обладал значительными размерами и массой, нерезким изображением и к тому же мог работать только в активном режиме, то есть с подсветкой инфракрасным прожектором. Пока приборов было немного, подсветка никого не волновала, но с началом массового производства она превратилась в проблему — работающий инфракрасный прожектор виден в другой прибор ночного видения за километры.

Дальнейшие работы привели к открытию мультищелочного фотокатода, состоящего из арсенида натрия и калия, активированных цезием. Вот уже более 40 лет он применяется в большинстве электронно-оптических преобразователей всех типов. ЭОП с электронным переносом изображения и мультищелочным катодом относятся к так называемому нулевому поколению, или нулевке. Главное отличие «нулевки» от «стакана Холста» — в добавлении фокусирующих электродов, своеобразных электромагнитных линз, делающих более резким изображение на люминофоре.

Самое забавное в «нулевках» — это то, что подобные аппараты сняты с производства во всем мире, так как они малоэффективны в современной войне. Везде, кроме нашей страны. Но зачем они нам? Дело в том, что Россия и Белоруссия заняли очень интересную нишу развлекательных приборов ночного видения, основанных как раз на ЭОПах нулевого поколения. Такие приборы ценой около $150 продаются на Западе в супермаркетах и служат исключительно для забавы. Появились они и у нас.

Главный недостаток «нулевок» состоит в резком падении резкости по мере удаления от центра изображения из-за несовпадения криволинейной электронной картинки с плоским катодом. В идеале экран должен быть выпуклым, как кинескопы у старых телевизоров. Но телевизор стоит далеко от глаза, а такая же выпуклость в окуляре прицела еще сильнее ухудшит изображение. Развитие волоконной оптики в 1960-е годы в США подсказало выход — из световодов стали изготавливать так называемую волоконно-оптическую шайбу, представляющую собой плоский пакет из множества световодов (чаще всего ее называют волоконно-оптическая пластина — ВОП). Сторона, обращенная к объективу, изготавливалась плоской, а та, на которую наносился фотокатод, — вогнутой. Резкость улучшилась, зато упала чувствительность — часть излучения терялась в световодах.

Чтобы повысить чувствительность, придумали каскадное подключение ЭОПов — на наружную сторону экранного стекла первого электронно-оптического преобразователя наносился фотокатод следующего. Коэффициент усиления таких приборов достигал от 3 до 30 тысяч. В СССР ЭОПы первого поколения производились в 1950—1960-е годы. Главным недостатком каскадных приборов была их длина.

Дальнейший прогресс подсказали сами волоконно-оптические пластины. Только вместо световодов там пустотелые трубки-каналы диаметром 10 мкм и длиной не более 1 мм. Это даже не трубки, а тонкая пластина с уже готовым миллионом каналов — микроканальная пластина — МКП. Количество каналов определяет разрешение прибора — сейчас бы сказали: мегапиксельное. Обе поверхности пластины полируются и металлизируются, и между ними прикладывается напряжение в несколько сотен вольт.

Принцип действия МКП понятен и школьнику — попадая в канал, электрон под действием электромагнитного поля ускоряется, выбивая из стенок трубки новые электроны, которые, в свою очередь, выбивают другие — обычная цепная реакция. В итоге один электрон на входе в микротрубку на пути всего в 1 мм способен обеспечить 10 тысяч электронов на выходе!

Это позволило изготавливать очень компактные и чувствительные приборы ночного видения, например ночные очки. Приборы с МКП относят ко второму поколению.

Тем не менее, прежде чем попасть на микроканальную пластину, электроны должны были пройти через электростатическую линзу. А что если ее просто убрать, то есть вернуться на новом уровне к «стакану Холста»? Просто зажимаем нашу чудо-пластину между фотокатодом и люминесцентным экраном и получаем прибор ночного видения толщиной в миллиметры! Это и есть поколение II+.

Получив бутерброд всего из трех элементов, конструкторы ночных приборов сильно упростили себе задачу: так как микроканальная пластина как ускоритель электронов оказалась исключительно хороша, для модернизации остались только фотокатод и экран. Наибольший выигрыш давало увеличение чувствительности фотокатода. Выход нашли сотрудники все той же Philips — Шер и Ван Лаар. Мультищелочной фотокатод сменили арсенид-галиевые (AsGa) — их чувствительность превышает 30%. Из трех фотонов, попавших на объектив, хоть один да выбьет электрон, из которого микроканальная пластина легко сделает десять тысяч! Все бы замечательно, только вот такой фотокатод окисляется со скоростью света, поэтому сборка арсенид-галиевого ЭОПа возможна лишь в сверхвысоком вакууме (одной стомиллиардной доле миллиметра ртутного столба!). Это очень дорогая технология, доступная всего двум странам: США (ITT Night Vision и Litton) и, что особенно приятно, России («Катод» и «Геофизика-НВ»). Безусловно, могут их делать и сами изобретатели, голландцы из Philips. Могут, но не хотят, предпочитая зарабатывать на лицензионных отчислениях.

Если вам будут предлагать приборы четвертого поколения, — знайте, вас дурят. Их не просто нет, непонятны даже критерии, по которым можно относить ночники к этому поколению. Хотя, безусловно, работы в этом направлении ведутся. И для нас даже не секрет где — конечно, в Philips.

Самое интересное, что в мире производятся и продаются приборы ночного видения всех поколений. Первого — для гражданских целей (видно только с инфракрасной подсветкой), второго — как для военных, так и для гражданских (видно при свете звезд и луны без облаков) и третьего — только для военных (видно везде, включая подвалы). Последние — не то чтобы уж очень секретная технология, просто очень дорогая — себестоимость «голого» ЭОПа превышает $1500.

Развитие рынка гражданских ПНВ привело к ренессансу и модернизации старых армейских технологий. Для приборов II поколения был разработан мультищелочной катод повышенной чувствительности. Такие ЭОПы получили обозначение Super II+. При стоимости производства в 2−3 раза ниже ЭОПов III поколения Super II+ имеют сравнимые характеристики. Главный их недостаток — они быстрее теряют чувствительность. Но на 3000 часов работы их хватит. Вам надо больше?

В последнее время военные и гражданские рынки стали разделяться. Для военных главное — видеть в темноте и самим не «светиться», то есть не светить в цель инфракрасным прожектором. Охотникам и просто любителям подсматривать за кем-нибудь по ночам важнее качество изображения и цена. Именно поэтому производство приборов III поколения для гражданского рынка бессмысленно: хороший Super II+ показывает лучше, чем более дорогая «трешка». Проверено.

С другой стороны, гражданские «ночники» стремительно уходят в другую нишу, где военным никогда не бывать. Что это?

Есть ли у вас видеокамера Sony? Если есть, вы наверняка пользовались режимом NightShot — видеосъемкой в полной темноте. Секрет вот в чем: ПЗС-матрица некоторых видеокамер чувствительна не только к видимому, но и к инфракрасному свету. Поначалу это считалось недостатком, и производители даже вводили в конструкцию ИК-фильтры. Но Sony обратила недостаток в плюс, снабдив камеру еще и инфракрасным осветителем.

Так вот, гражданские приборы ночного видения будущего будут напоминать эти самые видеокамеры, только без дневного режима и записывающего блока. Я даже держал в руках такой прототип — видно куда лучше, чем в конверсионные «ночники». Не хотите ждать завтрашнего дня? Возьмите камеру Sony и смело ступайте в темноту. Вы — на переднем крае технологии!