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