Night Scope

<час />

Фон

Ночные прицелы или устройства ночного видения используются для усиления зрения человека в условиях очень низкой освещенности. Есть несколько типов прицелов ночного видения. Системы инфракрасного изображения, также называемые «активными» приборами ночного видения, фокусируют инфракрасный свет на сцене. Инфракрасное излучение находится за пределами видимого людям светового спектра, поэтому сам луч невозможно обнаружить. Технология преобразования изображения превращает сцену, освещенную инфракрасным светом, в видимое изображение. Аналогичным образом работают тепловизионные системы, преобразующие тепловое излучение, излучаемое объектами, людьми или животными, в визуальное изображение. Устройства ночного видения, усовершенствованные для использования в военное время, а также доступные сегодня в продаже, называются «пассивными» системами ночного видения. Эти системы превращают изображения, снятые при минимальном освещении, например при свете звезд, в видимые изображения. Вид через пассивный прибор ночного видения может быть от 20 000 до 50 000 раз ярче, чем то, что может видеть невооруженный глаз.

Приборы ночного видения были разработаны для использования в военных целях, где видение в темноте является очевидным тактическим преимуществом. Соединенные Штаты использовали приборы ночного видения во время войны во Вьетнаме и с большой эффективностью во время войны в Персидском заливе. Приборы ночного видения также используются как городской, так и сельской полицией. В конце 90-х годов прошлого века приборы ночного видения находили все большее распространение в коммерческих целях. Они начали появляться в некоторых элитных автомобилях и продаются напрямую потребителям для использования в развлекательных целях.

История

Исследования приборов ночного видения начались в 1940-х годах. К концу 1940-х годов военные США разработали программу развития технологий ночного видения, а к 1950-м годам были созданы жизнеспособные системы инфракрасного видения. Это была активная технология, то есть в ней использовался направленный луч инфракрасного света. Хотя сам луч был невидим невооруженным глазом, противники, вооруженные эквивалентными технологиями, могли легко уловить луч. Инфракрасные телезрители, использовавшиеся в 1950-х и 1960-х годах, называются технологией «поколения 0».

Корпорация ITT (ныне MIT Industries, Inc.) в Роаноке, штат Вирджиния, начала производить приборы ночного видения для вооруженных сил США в 1958 году. В 1965 году министерство обороны США основало собственную лабораторию ночного видения, призванную улучшить существующие технологии. В 1960-х годах ученые разработали первые работоспособные пассивные системы ночного видения. Эти устройства были названы системами «Звездный свет», потому что они могли улавливать и усиливать изображения, видимые только при свете звезд. Они также известны как устройства «поколения I». На самом деле они лучше всего работали при лунном свете. Приборы ночного видения поколения 1 впервые были использованы в бою во время войны во Вьетнаме.

Усовершенствованная технология, разработанная вскоре после войны, привела к созданию меньших по размеру и менее громоздких устройств ночного видения с лучшим разрешением. Эти более надежные инструменты получили название «Поколение 2». Военные США продолжали разрабатывать и совершенствовать технологии ночного видения в 1970-х и 1980-х годах, оснащая прицельные приспособления приборами ночного видения и обучая пилотов очкам ночного видения. Пассивные устройства поколения 2 могли давать хорошее видимое изображение в условиях очень низкой освещенности.

Технология "поколения 3" была разработана в конце 1980-х годов. В этих новых приборах ночного видения в качестве материала фотокатода внутри трубки усилителя изображения использовался арсенид галлия. Это обеспечивало лучшее разрешение даже в условиях очень низкой освещенности. Войска Соединенных Штатов широко использовали приборы ночного видения во время войны в Персидском заливе, где технология позволяла войскам видеть не только в темноте, но также сквозь пыль и дым. К концу 1990-х годов Министерство обороны сократило финансирование разработки приборов ночного видения, и некоторые производители начали искать потребительские рынки для этого оборудования. Физические лица могут покупать приборы ночного видения в Соединенных Штатах, но их экспорт по-прежнему ограничен.

Сырье

Трубка усилителя изображения, которая является основным рабочим элементом прибора ночного видения, состоит из миллионов тонких, как волос, волокон оптического стекла. Используемое стекло имеет особую формулу, которая сохраняет свои желаемые характеристики при нагревании и вытяжке. Стекло оптического качества используется для окуляра и выходного окна. (Окно вывода представляет собой окулярную линзу, как окуляр традиционных биноклей.) В трубке усилителя изображения используются другие материалы, такие как люминофор и арсенид галлия. Тело трубки состоит из металла и керамики, и используемые металлы могут быть алюминием, хромом и индийом.

Дизайн

Пассивные устройства ночного видения работают, посылая свет через линзу, усилительную трубку и другую линзу. Свет проникает через линзу, называемую линзой объектива, которая похожа на линзу тонкой камеры. Объектив фокусирует свет на трубку усилителя изображения.

Трубка - самая сложная часть прибора ночного видения. Это ручная работа с точными спецификациями. Трубка представляет собой вакуумную трубку с фотокатодом, источником питания, микроканальной пластиной и люминофорным экраном (экран излучает свет при возбуждении электронами). Катод поглощает свет (фотоны) и преобразует фотоны в электроны. Электроны умножаются в тысячи раз, когда они проходят по трубке, с помощью тонкого, как пластина, инструмента, называемого микроканальной пластиной.

Стандартная микроканальная пластина имеет диаметр 1 дюйм (25 мм) и толщину около 0,04 дюйма (1 мм), то есть размер четверти. В эту пластину встроены миллионы микроскопических стеклянных трубок или каналов. Новейшие микроканальные пластины ночного видения содержат более 10 миллионов каналов. Эти каналы выпускают больше электронов, поскольку электроны отскакивают от трубок. Каналы должны быть одинаковыми по диаметру и расстоянию на пластине для получения четкого изображения. Затем электроны попадают на люминофорный экран. Люминофорный экран преобразует электронное изображение в световое изображение и фокусирует его на выходном окне.

Трубка усилителя изображения в целом может различаться по размеру, но готовая трубка может быть достаточно маленькой, чтобы поместиться в прицел или пару военных очков. Например, в настоящее время компания ITT предлагает монокуляр 3-го поколения, имеющий длину 4,5 дюйма (11 см), ширину 2 дюйма (5 см) и высоту 2,25 дюйма (5,5 см), включая обе линзы. Весь инструмент весит 13,8 унций (0,4 кг).

Производственный
процесс

Процесс производства приборов ночного видения сложен. Чтобы сделать основной компонент, трубку усилителя изображения, необходимо более 400 различных этапов. Производители выполняют несколько основных технологических операций одновременно на разных участках завода.

1. Первым важным шагом является изготовление фотокатода. Изготовитель может купить предварительно отформованное стекло для фотокатодной пластины у субподрядчика. Рабочие роняют на стекло пластину с арсенидом галлия и нагревают ее. Это начинает плавить арсенид галлия до стекла.
2. Затем деталь помещается в пресс, который прочно связывает подложку из арсенида галлия.
3. Затем рабочие шлифуют и полируют деталь.
4. Между тем, стеклянная микроканальная пластина формируется с использованием системы, известной как процесс двух вытяжек. Это начинается с литого или экструдированного слитка стекла особой формулы. Слиток измельчают в стержень диаметром несколько сантиметров. Стержень вставлен в полую трубку из стекла другого типа. Это называется облицовкой. Стекло оболочки позже будет вытравлено, но это придаст волокнам большую однородность в процессе вытяжки.
5. Теперь стакан отрисовывается впервые. Слиток подвешивают вертикально вверху печи. Высота печи может составлять несколько футов. Печь имеет очень точный контроль температуры, так что разные точки по ее длине могут поддерживаться при разных температурах. Слиток нагревается в верхней части печи примерно до 932 ° F (500 ° C). На дне слитка образуется шарик из стекла, похожий на каплю, идущую из крана. Когда глобула падает, она тянет вниз одну стеклянную нить диаметром около 0,04 дюйма (1 мм). Эта прядь остывает при растяжении. Далее по печи прядь захватывается с обеих сторон тяговым устройством, которое катится вдоль волокна, формируя его точно до желаемого диаметра. Ножи обрезают волокно до одинаковой длины (около 6 дюймов [15 см] в длину) и пропускают его в жгут. Несколько тысяч волокон собраны в шестиугольник. Затем этот шестиугольный пучок рисуется во второй раз, давая название процессу двух вытяжек.
6. Второй розыгрыш очень похож на первый, с шестиугольным пучком, подвешенным наверху зонной печи и нагретым. Волокно вытягивают в шестиугольную форму диаметром около 0,04 дюйма (1 мм). Поскольку специальное стекло сохраняет свои свойства поперечного сечения, волокно из этой второй вытяжки геометрически похоже на более крупный пучок, при этом сотовая структура стеклянных трубок остается нетронутой, а вся структура только уменьшается в размерах. (Пространство между отдельными стеклянными трубками теперь уменьшено до нескольких сотых миллиметра.) Волокно, полученное в результате второй вытяжки, также разрезается и связывается, как и при первой вытяжке.
7. Полученный пучок волокон нагревается и сжимается под вакуумом, который сплавляет волокна вместе. На этом этапе пучок волокон называется булей. Для изготовления микроканальных пластин були нарезают под слегка наклонным углом на тонкие пластинки. Ломтики шлифуют и полируют. Затем пластины обрабатывают кислотным травлением, чтобы удалить более мягкое защитное стекло. Удаление облицовочного стекла открывает каналы по всей пластине. Затем каждая пластина покрывается хромоникелевым покрытием.
8. Затем на обе поверхности наносится пленка оксида алюминия, так что каждый канал может нести электрический заряд. Эта готовая микроканальная пластина может различаться по диаметру в зависимости от назначения, но толщина остается примерно 0,04 дюйма (1 мм). Стандартный размер готовых микроканальных пластин составляет 0,9 дюйма (25 мм) в диаметре, но они могут достигать 4,9 дюйма (12,5 см) в диаметре.
9. Далее собираются люминофорный экран и корпус трубки. Сам экран представляет собой небольшой оптоволоконный диск, который может быть поставлен субподрядчиком. Производитель усилителя изображения должен прикрепить экран к металлическим частям, которые будут удерживать его в трубке, а затем нанести люминофор. Экран опускается на фланец и прикрепляется к нему кольцом из легкоплавкого материала, называемого фриттой. Фритта - это особый состав стекла, который сваривается с металлом и стеклом при высоких температурах. Другие металлические части устанавливаются поверх экрана, образуя небольшую круглую деталь. Эта деталь отправляется по рельсовому пути через печь, которая плавит фритту, соединяя все компоненты вместе. После охлаждения, очистки и полировки детали люминофор распыляется или наносится кистью на деталь. Заливается раствор люминофора в воде. Люминофор оседает на экране, а затем вода сливается.
10. Рабочие собирают корпус трубки, собирая вместе несколько небольших металлических и керамических колец. Каждое кольцо выполняет определенную функцию, поддерживая различные части, которые будут загружены в трубку. В это время также добавляются изоляторы и проводники. Некоторые части корпуса трубки изготовлены из мягкого металла, называемого индием. Собранную трубку пропускают через печь, индиевые части плавятся и плавятся, удерживая трубку вместе.
11. Когда все основные компоненты изготовлены, они вручную загружаются в корпус трубки. Это чрезвычайно деликатная работа, выполняемая в особых условиях чистого помещения:в чистом помещении рабочие носят лабораторные костюмы, перчатки, а рабочие места защищены пластиковым покрытием. Детали механически фиксируются на месте. Сначала микроканальная пластина фиксируется в корпусе. Затем рабочие прихватывают электроды к деталям, которые будут находиться под напряжением.
12. Частично собранный блок помещается рядом с оборудованием, которое называется вытяжной станцией. В вытяжной станции воздух удаляется из трубки, оставляя вакуум. Под вакуумом катод вставляется на место и активируется. Как только это Внутренние механизмы простого прицела ночного видения. Анод флуоресцентный и излучает свет. (В тексте флуоресцентный анод называется люминесцентным экраном.) В этом прицеле не используется микроканальная пластина для улучшения качества изображения. В более сложном приборе микроканальная пластина будет находиться между катодом и анодом. готово, корпус, катод и экран прижимаются друг к другу. Под высоким давлением индий соединяется между частями, соединяя все элементы надолго.
13. Затем трубка усилителя изображения проходит несколько этапов тестирования, чтобы убедиться, что она активирована и работает в соответствии с ожидаемыми параметрами. Когда показано, что трубка работает правильно, рабочие подключают ее к источнику питания. Затем трубка вставляется в деталь, называемую «пыльником», которая напоминает простую пластиковую чашку. Этот пыльник образует кожух, в котором заключена трубка для ее защиты. Багажник закрывается и герметизируется под вакуумом. Теперь трубка усилителя изображения готова. Он проходит еще несколько раундов тестирования. Тесты могут отличаться в зависимости от предполагаемого использования. Затем тщательно протестированные компоненты переходят к процессу окончательной сборки. Здесь они помещаются в кожух для очков, прицелов, биноклей или любого другого устройства ночного видения.

Контроль качества

Контроль качества на каждом этапе производственного процесса важен для правильной работы усилителей изображения. Крупные производители отточили процесс так, что каждый шаг проверяется или измеряется, и рабочие не могут переместить деталь на следующий этап, если деталь не соответствует требованиям контроля качества. Производители используют сложное калибровочное оборудование для измерения таких параметров, как диаметр стекловолокна, толщина микроканальных пластин и температуры в различных печах. Материалы, поставляемые субподрядчиками, проверяются по мере их поступления на завод. Калибровочное оборудование, используемое для тестирования, само часто проверяется на точность.

Конечный продукт тестируется различными способами, чтобы убедиться, что каждое устройство работает должным образом. Каждое устройство проверяется на предмет его визуального действия. Другие тесты могут показать, насколько прочно устройство в неблагоприятных условиях. Готовые приборы ночного видения можно проверить на то, как они реагируют на удары и вибрацию, а также можно провести испытание на падение. По некоторым военным требованиям устройства могут подвергаться воздействию сильной жары и влажности.

Побочные продукты / отходы

При производстве приборов ночного видения могут образовываться опасные отходы, так как многие химические вещества используются для очистки и травления. Тем не менее, некоторые производители смогли заменить вредные химические вещества менее токсичными или нетоксичными, и в целом производственный процесс теперь чище, чем когда технология была впервые разработана. ЭОП лампы дороги и трудны в производстве, поэтому производители стараются утилизировать как можно больше отходов. Если будет построена неработающая труба, ее придется разобрать, а части использовать повторно.

Будущее

Индустрия ночного видения становится доступной для невоенного потребительского рынка. Хотя цены все еще высоки, по мере роста спроса цена может снижаться до тех пор, пока технология не станет достаточно доступной. Технология уже используется правоохранительными и поисково-спасательными службами. По мере того, как продукты становятся все более доступными для потребителей и поскольку просматриваемые изображения могут быть записаны видеокамерами или в виде фотографий, все больше фотографов, наблюдателей за дикой природой, лодочников, туристов и многих других могут начать использовать технологию ночного видения в более инновационных формах. способами.

Где узнать больше

Книги

Palais, Joseph C. Волоконно-оптические коммуникации. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси:Прентис-Холл, 1998 г.

CECOM армии США. Управление ночного видения и электронных датчиков. Форт Белвуар, Вирджиния:Армия США CECOM, 1997.

Периодические издания

Джастик, Бранко и Питер Филлипс. «Прицелы ночного видения». Электроника сейчас (Октябрь 1994 г.):57.

Лэмптон, Майкл. «Микроканальный усилитель изображения». Scientific American (Ноябрь 1981):62-71.

Рея, Джон. «Цепь обратной связи приборов ночного видения». Военная и аэрокосмическая электроника (Февраль 2000 г.):8.

Анджела Вудворд