Приборы ночного видения

Содержание

Введение                                                                                                                        3

1.описание и принцип действия прибора ночного видения (далее ПНВ)               4

2.основные типы ПНВ                                                                                                  6

3. испытания ПНВ                                                                                                       12

    3.1 приемо-сдаточные испытания                                                                      12

    3.2 периодические испытания                                                                            13

    3.3 квалификационные испытания                                                                    14

    3.4 типовые испытания                                                                                       14

Заключение

Приложения

      
Введение 

    Проведение  производственной конструкторской  практики имеет своей целью освоение этапов проектирования оптико-электронных  приборов и комплексов, изучение порядка  составления и разработки конструкторской  документации на изделия, получение  опыта по специальности, выбор конкретной сферы деятельности (в рамках специальности).

      Прохождение практики осуществляется на БелОМО - Минском механическом заводе им. С.И. Вавилова, основной вид деятельности которого – проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, изготовление наукоемких оптических и оптико-электронных изделий: специальной техники и техники гражданского назначения.

    Задачи  производственной конструкторской  практики:

    ознакомление  с системой разработки конструкторской  документации изделий и их ведения  в производстве;

    изучение  конструкторской документации изделия, предложенного руководителем практики от предприятия в качестве примера;

    участие по плану руководителя в разработке конструкторской документации изделия;

    подбор  исходных материалов для будущего курсового  проекта;

    выбор направления последипломной деятельности по обучаемой специальности.

 

1.Описание  и принцип действия  ПНВ 

    "Видеть - значит различать врага и  друга и окружающее во всех  подробностях" - так начинается  одна из глав замечательной  книги С.И.Вавилова "Глаз и солнце".

    Наиболее  информативное чувство восприятия человеком внешнего мира -зрение, являясь  весьма совершенным оптико-биологическим  инструментом, обладает, к сожалению, ограниченной спектральной чувствительностью. Из широкого диапазона спектра оптического  излучения (от 0,00 1 до 1 000 мкм) глаз воспринимает очень узкий участок от 0,38 до 0,78 мим, да и то начиная с определенного  уровня освещенностей: при освещенностях  менее 0,01 люкс глаз не воспринимает цвета  и различает только крупные близлежащие  объекты.

    На  помощь глазу пришла современная  фотоэлектроника, которая дает возможность  создать приборы, способные обнаруживать, усиливать и визуализировать  излучение, невидимое человеческим глазом.

    Позволяя "видеть" в принципиально невидимых  ультрафиолетовом (УФ) и инфракрасном (ИК) диапазонах, а также усиливая во много раз яркость ночного  изображения, эти приборы дают неоценимое преимущество их владельцам при проведении военных, поисковых, спасательных и  других специальных операций .

    Успешные  ночные операции войск антииракской коалиции во время войны в Персидском заливе - одно из немногих "открытых" подтверждений эффективности действия таких фотоэлектронных приборов.

    Действие  этих приборов основано на явлениях внешнего и внутреннего фотоэффектов. Внешний  фотоэффект (по-другому - фотоэлектронная  эмиссия) состоит в испускании электронов из твердого тела (на практике - из тонких полупрозрачных специальных полупроводниковых  слоев) в вакуум под действием  квантов оптического диапазона  спектра. На этом эффекте основана работа электронно-оптического преобразователя  ООП) - вакуумного фотоэлектронного прибора, усиливающего в тысячи раз слабый свет видимого диапазона а также  преобразующего в видимое (с одновременным  усилением) рентгеновское, УФ- и ИК- излучение. ЭОП является основным элементом  приборов для наблюдения в этих диапазонах, в том числе - приборов ночного  видения (ПНВ) .

    Внутренний  фотоэффект (фото- проводимость) состоит  в изменении электропроводности полупроводников под действием  квантов излучения оптического  диапазона. На этом эффекте основана работа фотоприемников (ФП) и более сложных фотоприемных устройств (ФПУ) , вырабатываемые ими сигналы приводят в действие различные исполнительные устройства.

    Сигналы от многоэлементных ФПУ, возникающие  под действием собственного излучения  объектов, после электронной обработки  используются для создания видимого глазом теплового изображения (т.н.тепловидение). Внутренний фотоэффект лежит и в  основе действия приборов с зарядовой  связью (ПЗС) - многоэлементных самосканирующихся  матриц, преобразующих изображение  в последовательность электрических  сигналов и затем в стандартный  видеосигнал.

    В первой части статьи будут рассмотрены  основные типы приборов ночного видения(ПНВ) на основе ЭОП, а во второй - приборы  и устройства, использующие явления фотопроводимости в т.ч. тепловизоры внутреннего фотоэффекта.  
 

Принцип действия пнв

    Конструкция и принцип действия ПНВ на основе ЭОП и представляет собой телескопическую  оптическую систему с встроенным в нее ЭОП.

    Объектив  создает на фотокатоде ЭОП изображение  слабоосвещен- ного (ночным небом, звездами, луной) объекта. Фотокатод - тонкий полупроводниковый  слой, нанесенный на внутреннюю поверхность  входного окна вакуумного корпуса ЭОП.

    Фотокатод эмиттирует в вакуум электроны, причем число эмиттированных из каждой точки  электронов пропорционально яркости  в этой точке изображения, спроецированного объективом.

    Несущий таким образом "электронное изображение" поток электронов ускоряется и фокусируется электронно-оптической системой на катодолюминесцентный экран. Ускорение фотоэлектронов происходит под действием напряжения порядка 10 000 вольт, вырабатываемого источником питания. Именно за счет преобразования фотонов в электроны и ускорения  последних в ЭОП происходит усиление яркости, т.к. усилить энергию нейтральных  фотонов принципиально невозможно.

    Ускоренные  и сфокусированные фотоэлектроны, попадая на люминесцентный экран, вызывают его свечение в видимой глазом области спектра (практически во всех ЭОП - в зеленой).

    Так как яркость свечения экрана в  каждой точке будет пропорциональна  числу попавших в нее фотоэлектронов, на экране создается видимое усиленное  и преобразованное изображение  наблюдаемого объекта. Это изображение  наблюдается с помощью окуляра (или лупы).

    Поскольку усиление яркости в современных  ЭОП достигает нескольких десятков тысяч раз, то, даже несмотря на определенные потери яркости во входном объективе, современные ПНВ позволяют отчетливо  наблюдать изображения в условиях ночной освещенности, включая безлунную  ночь.

    Одновременно  с усилением, ПНВ осуществляет и  преобразование изображения. Преобразование происходит из-за разницы в спектральных характеристиках чувствительности фотокатода ЭОП и человеческого  глаза. Современные фотокатоды имеют  продленную (по сравнению с глазом) в ИК-область чувствительность (до 0.9мкм).

    В этой области наблюдается существенное различие в коэффициентах отражений  света от естественных и искусственных  объектов. Поэтому неразличимый глазом в темное время суток на фоне травы  или листвы человек в защитной форме будет отчетливо виден  в ПНВ в виде темного объекта  на светлом фоне.

 

2.Основные  типы ПНВ 

    В настоящее время выпускаются  и свободно продаются различные  типы ПНВ, конструкции которых оптимизированы в соответствии с их назначением. Основными типами ПНВ являются:

    -приборы  наблюдения (монокуляры, псевдобинокуляры, бинокли),

    -прицелы  для стрелкового оружия,

    -очки,

    -приборы,  позволяющие документировать наблюдаемое  изображение (ночные фото- и видеокамеры).

    Поскольку оптические элементы ПНВ давно и  хорошо отработаны, основные параметры  ПНВ и их стоимость во многом определяются применяемыми в них ЭОП. В большинстве отечественных ПНВ применяются:

    - однокамерные ЭОП , имеющие стеклянный  вакуумный корпусе плоскими входным  и выходным окнами. Такие ЭОП  обеспечивают усиление яркости  до 1000 раз при высокой чёткости ( разрешающей способности ) только  в центре поля зрения. По мере  удаления от центра чёткость резко падает, что снижает информативность наблюдения. Однако невысокая цена таких ЭОП делает их предпочтительными для производителей недорогих, массовых ПНВ. Такие ЭОП далее (условно) будут называться "ЭОП нулевого поколения";

    - однокамерные ЭОП с волоконно-оптическими  пластинами (ВОП) на входе и  выходе, использующие микроканальный  усилитель электронного изображения,  а также имеющие встроенный  источник питания. Такие ЭОП,  называемые "ЭОП второго поколения", усиливают яркость изображения  в 30 - 50 тысяч раз, имеют хорошую  четкость изображения по всему  полю зрения и обладают высокой  помехозащищенностью к ярким  локальным засветкам. Дорогие  комплектующие изделия этих ЭОП  определяют их на порядок более  высокую цену.

    Еще более высокими характеристиками (и, соответственно, ценой) обладают миниатюрные  ЭОП с "плоской" электронно-оптической системой и фотокатодами с повышенной эффективностью (т.н. "третье поколение"). Эти ЭОП применяются в основном в приборах спецтехники. 6 коммерческих ПНВ чаще используется их разновидность  с более простым фотокатодом: "2-плюс поколение".

    ЭОП т.н. первого поколения с плоско-вогнутыми  ЭОП на входе и выходе легко  собираются в двух- и трехмодульные  сборки. Трехмодульный ЭОП имеет  параметры и цену, сравнимые с  ЭОП второго поколения, однако применяются  реже из-за большей длины: трехмодульный  ЭОП первого поколения с рабочим  диаметром 25мм имеет длину 195мм, аналогичный  ЭОП второго поколения - 76 мм.  

    Монокуляры

    Ночные  монокуляры (визиры) имеют один входной  объектив, один ЭОП и один окуляр(лупу). Наблюдение через такой ПНВ ведется  одним глазом, а прибор удерживается одной рукой.

    Наиболее  распространенными в отечественной  продаже являются монокуляры на базе ЭОП нулевого поколения, что определяет их приемлемую для среднего покупателя цену на уровне, соответствующем 150-200 долларов США. Такие ПНВ имеют входные объективы со светосилой порядка 1:1,5- 1:2 и фокусным расстоянием 80-100 мм при угле поля зрения от 10 до 20 градусов.

    Источник  питания запитывается, как правило двумя батарейками по 1.5 вольта. Масса составляет около одного килограмма.

    Основной  параметр как наблюдательных, так  и всех ПНВ -дальность видения. Его  грамотное определение должно включать следующие факторы: освещенность наблюдаемой  сцены, размер наблюдаемой цели и  ее контраст по отношению к фону, детальность видения: обнаружение, распознавание, идентификация. Такая  многофакторность определения дальности  видения часто приводит к несоответствию между рекламными и реальными  значениями этого параметра.

    В некоторых случаях покупателю предлагают проверить работу ПНВ при одетой на объектив защитной крышке с "булавочным" отверстием, имитирующем ночную освещенность. Такая проверка дает представление  о качестве изображения (четкости и  чистоте поля зрения), но не может  использоваться для оценки дальности  видения, т.к. резко изменяет параметры  входного объектива.

    Из  опыта работы и элементарных расчетов следует, что наблюдательные ПНВ  на базе ЭОП нулевого поколения и  входной оптикой с вышеприведенными параметрами обеспечивают при освещенности 0,01 люкса (освещенность, создаваемая  ночью четвертью луны) обнаружение  ростовой фигуры человека на фоне зелени со 150- 200 м и распознавание ее деталей  примерно с 70-100 м.