Электронное ночное зрение: как видеть в темноте

«Главный принцип прибора ночного видения — это усиление и преобразование невидимого излучения в видимое глазом изображение. Если мы зайдем в действительно темный подвал, где нет совсем никаких источников света, мы не увидим ничего. Но если там найдется хотя бы немного отраженных фотонов, мы этот сигнал поймаем и усилим», — объясняет наш гид Сергей Кесаев, директор новосибирской компании «Катод». Одной из немногих в мире, умеющих делать приборы, видящие в самой беспросветной тьме.

В сетчатке наших глаз имеется примерно по 125 млн светочувствительных клеток. Они улавливают фотоны, энергия которых лежит в определенных пределах, и длина волны составляет от 380 до 770 нм, от красного до фиолетового. Глаза многих животных способны регистрировать фотоны соседних диапазонов; пчелы различают ультрафиолетовое, а змеи — инфракрасное излучение. Киношный Хищник тоже видел в ИК-диапазоне: судя по фильму, инопланетный охотник мог пользоваться тепловизором, работающим на длинах волн от 8 до 15 мкм. Но такое «хищное» зрение не синоним ночного. Даже днем теплое тело человека будет прекрасно различимо в тепловизор на фоне холодных стен. Но сам фон, температура которого примерно однородна, предстанет неразборчивой серой массой.

По счастью, с настоящей беспросветной темнотой мы практически не сталкиваемся. Отблеск фар из окна, мерцание звезд или хотя бы отcветы ночных облаков — адаптируясь к низкому освещению, наши глаза умеют различать даже единичные фотоны. Эта способность действительно впечатляет: если в стандартном офисе освещенность составляет 300−500 лк, то нижний рабочий предел зрения лежит примерно в области 0,1 лк. Приблизительно такую освещенность дает половина Луны, позволяя невооруженным глазом распознать фигуру человека на открытой местности с расстояния до 200−300 м. Жаль, что, когда фотонов по-настоящему мало, этого не хватает: стоит облакам затянуть ночное небо, как мы становимся почти слепы. Но немного света остается даже в самом сердце тьмы — надо лишь научиться его улавливать и усиливать.

Усиления практически нет

Первую концепцию электронно-оптического преобразователя (ЭОП) предложили в 1928 году Холст, Де Бур и их коллеги по компании Philips. Конструкция, вошедшая в историю под названием стакана Холста, действительно похожа на два вложенных друг в друга стакана, между которыми создан вакуум. На дно внешнего нанесен серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод, который под действием падающего ИК-излучения выбрасывает электроны. На дно внутреннего стакана наносится слой люминофора. Между ними создается разность потенциалов в несколько киловольт, и электроны, вылетающие из фотокатода, ускоряются и бомбардируют экран, заставляя его люминесцировать.

Простая идея оказалась непростой в исполнении; только в 1934 году стакан Холста заработал, и человек впервые обрел способность видеть в темноте. Уже через несколько лет компания EMI наладила производство таких приборов для нужд британской армии, работы над собственными аналогами начались в Германии и США. В Советском Союзе ими занимались «вакуумщики» Всесоюзного электротехнического института Петр Тимофеев и Вячеслав Архангельский, а также будущие академики Сергей Вавилов и Александр Лебедев из ленинградского Государственного оптического института. В 1939 году командованию Красной армии были продемонстрированы первые прототипы приборов ночного видения (ПНВ).

Ко времени Второй мировой стакан Холста заметно усовершенствовался, и между «донышками» появились фокусирующие электроды, которые повышали резкость изображения. Все это особенно пригодилось вермахту в последние годы войны, когда союзники завоевали полное превосходство в воздухе, практически парализовав дневное движение немецких войск и вынудив танковые колонны пробираться на позиции по ночам. Однако такие ЭОП могли лишь нащупать свет в темноте, но не усилить его. Чтобы что-нибудь различить, им требовалась помощь осветительных авиабомб или мощных инфракрасных прожекторов — тяжелых, прожорливых и демаскирующих. Это лишало ПНВ главной фишки, возможности скрытного действия, поэтому за исключением нескольких удачных применений — в частности, немецкими войсками в боях у озера Балатон или американцами на Окинаве — массового распространения они еще не получили.

Усиление: 100−1000 раз. Рабочая освещенность: 0,01 лк (четверть лунного диска)

После войны ЭОП быстро совершенствовались. Низкочувствительные фотокатоды на основе Ag-O-Cs (S-1), предложенные еще в 1929 году, сменили более эффективные мультищелочные (S-20). Вместо плоского стекла на «донышке» вакуумной трубки стали размещать волоконно-оптическую шайбу. Вогнутая с одной стороны, она уменьшала искажения и повышала разрешающую способность по краям картинки. Добавление разгонной камеры позволило ускорять электроны перед попаданием на экран и добиться более высокого усиления.

Успешно удалось реализовать и задумку, которую апробировали еще в вермахте, — соединить несколько ЭОП в один каскад, один за другим. На тончайшую слюдяную пленку с одной стороны наносили фотокатод, а с другой — экран, так что изображение прямо и почти без потерь переносилось между ними. Трехкаскадные ЭОП поколения 1+ давали уже приличное усиление и достаточно четкую картинку. Американские военные применяли такие ПНВ во время Вьетнамской войны, их производство в СССР было налажено на новосибирском заводе «Экран». Разработкой новых поколений занялись инженеры и ученые открывшегося при заводе опытно-конструкторского бюро.

Усиление: 25 000−50 000 раз. Рабочая освещенность: 0,001 лк (звездное небо)

ЭОП первого поколения были тяжелы и громоздки, да и усиление давали ограниченное. Лишь в 1970-х американские разработчики нашли способ поднять его в сотни раз, используя микроканальную пластину из свинцово-силикатного стекла, «продырявленного» матрицей из миллионов каналов диаметром в несколько микрон. Расположенная между фотокатодом и экраном, она способна «выдать» сотни и даже тысячи электронов на каждый, попавший на вход пластины, резко повышая чувствительность прибора.

«Каналы расположены под небольшим углом к оси прибора, так что разогнанный электрон, влетев внутрь, почти сразу врезается в стенку и выбивает из нее несколько новых, — объясняет Сергей Кесаев. — Электрическое поле увлекает их дальше — и эти электроны в свою очередь выбивают следующие. После многократного умножения вместо одной частицы мы получаем на выходе "облако" из сотен, тысяч электронов».

Впоследствии микроканальную пластину расположили прямо за фотокатодом, так что электроны преодолевали всего пару сотен микрометров, практически не расфокусируясь, и сразу влетали в ее каналы, а из них попадали прямо на экран. Это позволило отказаться от фокусирующих систем и на порядок уменьшить габариты ЭОП. На основе ЭОП поколения 2+ и были созданы компактные, высокоэффективные и удобные ПНВ, которые популярны до сих пор. Применяя более совершенные компоненты мультищелочного фотокатода, французская компания Photonis производит ЭОП этого поколения, которые успешно конкурируют с более современными и дорогими вариантами. Еще в 1990-е собственная технология производства ЭОП поколения 2+ была разработана и в новосибирском ОКБ, которое в те годы выделилось в самостоятельное предприятие. Конструкторское бюро превратилось в научно-производственную компанию «Катод» и начало собственное серийное производство.

Усиление: 45 000−100 000 раз. Рабочая освещенность: 0,0001 лк (звездное небо в облаках)

О следующем поколении заговорили в 1982 году, когда были представлены ЭОП с принципиально новым полупроводниковым фотокатодом на основе арсенида галлия (GaAs).

«Чувствительность у них сразу была в два-три раза выше, чем у мультищелочных», — добавляет Сергей Кесаев. Вдобавок такие фотокатоды обладают повышенной чувствительностью в ИК-волнах вплоть до 930 нм, а пришедший следом за ними арсенид галлия-индия (InGaAs) расширил спектральный диапазон до 1100 нм. Главной бедой таких материалов оказалась их быстрая деградация, так что первые образцы могли проработать не больше сотни часов.

Дело в том, что при работе ЭОП электрическое поле ускоряет электроны с фотокатода по направлению к микроканальной пластине, а вот положительно заряженные ионы устремляются в обратном направлении, на фотокатод. Они бомбардируют активирующее покрытие фотокатода, быстро разрушая его. «Для защиты была разработана сложнейшая технология, — объясняет Сергей Кесаев. — На входную поверхность микроканальной пластины буквально натягивают сверхтонкую ионно-барьерную пленку толщиной 3−5 нм — всего несколько атомных слоев оксида алюминия. Электроны сквозь нее проходят относительно свободно, а вот более крупные положительные ионы задерживаются, как сетью».

Такие технологии доступны лишь считаным компаниям в мире — американским Exelis и L-3, российским «Геофизике-НВ» и АО «Катод». А в марте 2016 года новосибирское предприятие открыло новый цех со сверхчистыми помещениями, где могут производиться приборы поколения 3+, у которых толщина ионно-барьерной пленки снижена до 2−3 нм, так что она задерживает еще меньше электронов, повышая чувствительность ЭОП.

«Фотокатод из арсенида галлия дает примерно троекратное повышение чувствительности. Однако ионно-барьерная пленка задерживает 20−30% вылетающих из него электронов, что заметно снижает один из основных параметров ЭОП — отношение сигнал/шум, — продолжает Сергей Кесаев. — Поэтому не раз предпринимались попытки окончательно избавиться от нее, создав "беспленочные" ЭОП. Современный уровень развития науки и техники, связанный с применением более совершенных материалов и технологий, с автоматизацией производства, позволяет решить данную задачу, так что мы уже недалеки от этого шага». Впрочем, каким будет следующее поколение ЭОП, пока точно не ясно. Разные специалисты — и маркетологи, продвигающие ПНВ на рынке — по-разному смотрят на этот вопрос. Некоторые относят к поколению 4 тонкопленочные или вовсе беспленочные инструменты, другие говорят, что даже это достижение будет лишь развитием поколения 3 и не приведет к существенному изменению конструкции. Третьи называют «полноценным» поколением 4 ЭОП, соединенные с цифровыми ПЗС- или КМОП-матрицами. Впрочем, такие уже производятся на заводе «Катод».