Приборы ночного видения: усиливайте зрение в слабом свете

Предыстория

Приборы ночного видения (ночные прицелы) используются для усиления человеческого зрения в условиях крайне низкой освещенности. Существует несколько типов. Инфракрасные образные системы, или «активные» приборы ночного видения, фокусируют ИК-свет на сцену. ИК находится за пределами видимого спектра, поэтому луч сам невидим. Технология преобразования образа превращает ИК-освещенную сцену в видимый образ. Тепловизионные системы работают похоже, конвертируя тепловой рисунок объектов, людей или животных в визуальный образ. Приборы ночного видения, доведенные до ума для военных и доступные коммерчески сегодня, называются «пассивными» системами. Они усиливают образы, улавливаемые в минимальном свете (звездный свет), в видимые образы. Вид через пассивный прибор может быть в 20 000–50 000 раз ярче, чем видит невооруженное oko.

Приборы ночного видения разрабатывались для военных, где видение в темноте — очевидное тактическое преимущество. США использовали их во Вьетнаме и с большой эффективностью в Пустыне Шторм. Также применяются городской и сельской полицией. В конце 1990-х приборы нашли коммерческие каналы: появились в премиальных автомобилях и маркетируются напрямую потребителям для рекреации.

История

Исследования начались в 1940-х. К концу 1940-х военные США создали программу разработки ночного видения, к 1950-м получили работающие ИК-системы. Это была активная технология — направленный ИК-луч. Хотя луч невидим глазом, противники с эквивалентной технологией легко его детектировали. ИК-прицелы 1950–1960-х — «Поколение 0».

ITT Corporation (ныне MIT Industries, Inc.) в Роаноке, Вирджиния, начала производство для армии США в 1958 году. Министерство обороны основало свою Лабораторию ночного видения в 1965 году для улучшения технологий. В 1960-х ученые разработали первые рабочие пассивные системы — «Starlight» (звездный свет), усиливающие образы, видимые только по звездному свету. Их называют «Поколение I». Лучше работали при лунном свете. Поколение 1 применяли в бою впервые во Вьетнаме.

Улучшенная технология после войны дала более компактные, менее громоздкие приборы с лучшим разрешением. Эти надежные инструменты назвали «Поколение 2». Армия США продолжала разработку в 1970–80-х, оснащая прицелы ночным видением и обучая пилотов очкам ночного видения. Пассивные устройства Поколения 2 давали хороший видимый образ в очень слабом свете.

«Поколение 3» разработано в конце 1980-х. Новые приборы использовали арсенид галлия (GaAs) для фотохода в образоусиливающей трубке. Это дало лучшее разрешение даже в экстремально слабом свете. В Пустыне Шторм США широко использовали приборы ночного видения, где технология позволяла видеть не только в темноте, но и сквозь пыль и дым. К концу 1990-х Министерство обороны сократило финансирование, и некоторые производители начали искать потребительские рынки. В США приборы можно купить, но экспорт всё ещё ограничен.

Сырьё и материалы

Образоусиливающая трубка — главный рабочий компонент — состоит из миллионов волокон оптического стекла диаметром с волос. Стекло по специальной формуле сохраняет характеристики при нагреве и вытягивании. Оптическое стекло используют для окуляра и выходного окна (выходное окно — окулярная линза, как в биноклях). Другие материалы трубки — люминофор и арсенид галлия. Тело трубки — металл и керамика; металлы — алюминий, хром, индий.

Дизайн

Пассивные приборы работают, пропуская свет через линзу, образоусиливающую трубку и еще одну линзу. Свет входит через объектив — похожий на качественный фотообъектив. Линза фокусирует свет в трубку.

Трубка — самая сложная часть. Изготавливается вручную по точным спецификациям. Вакуумная трубка с фотокатодом, источником питания, микроканальной пластиной и люминофорным экраном (экран излучает свет при возбуждении электронами). Фотокатод поглощает фотоны и конвертирует в электроны. Электроны умножаются тысячи раз, проходя через трубку, благодаря вейферно-тонкому инструменту — микроканальной пластине.

Стандартная микроканальная пластина: диаметр 25 мм (1 дюйм), толщина ~1 мм — размер с четвертьдолларовую монету. В нее встроено миллионы микроскопических стеклянных трубок — каналов. Новейшие пластины содержат более 10 млн каналов. Каналы выделяют дополнительные электроны при прохождении. Каналы должны быть единообразны по диаметру и расстоянию для чистого образа. Электроны попадают на люминофорный экран. Экран реконвертирует электронный образ в световой и фокусирует на выходном окне.

Вся образоусиливающая трубка может варьироваться по размеру, но готовая трубка достаточно мала для прицела или военных очков. Например, текущий продукт ITT — монокуляр Поколения 3: 11 см длина, 5 см ширина, 5,5 см высота с обеими линзами. Вес 0,4 кг (13,8 унций).

Производственный процесс

Производство ночных приборов сложно. Для ядра — образоусиливающей трубки — требуется более 400 этапов. Производители ведут несколько основных этапов параллельно в разных цехах.

1. Первый этап — изготовление фотокатода. Производитель может закупать предварительно сформированные стеклянные круги для пластины фотокатода у субподрядчика. Рабочие кладут вейфер арсенида галлия на стекло и нагревают. Начинается плавление GaAs к стеклу.
2. Затем деталь помещают в пресс, который прочно связывает подложку GaAs.
3. Рабочие шлифуют и полируют деталь.
4. Параллельно формируют стеклянную микроканальную пластину методом «двойной вытяжки» (two-draw process). Начинается с отливочного или экструдированного слитка специального стекла. Слиток шлифуют в стержень диаметром несколько см. Стержень вставляют в полую трубку другого стекла — обкладку (cladding). Обкладку позже травят, но она дает волокнам большей однородности при вытяжке.
5. Первая вытяжка: слиток вешают вертикально наверху печи (несколько метров высотой). Печь имеет тонкий термоконтроль, удерживая разные температуры вдоль длины. Нагревание верха до 500 °C (932 °F). Капля стекла образуется внизу слитка, как капля из крана. Падая, она вытягивает один стеклянный волокон диаметром ~1 мм. Волокон остывает при растяжении. Ниже стержень захватывают тяговым механизмом с двух сторон, который катится по волокну, формируя точный диаметр. Резаки подрезают волокно до единой длины (~15 см) и пропускают в пучкователь. Несколько тысяч волокон плетают в гексагон. Этот гексагональный пучок вытягивают второй раз — отсюда название «двойная вытяжка».
6. Вторая вытяжка похожа на первую: гексагональный пучок висит наверху зонной печи и нагревается. Волокно вытягивают в гексагональную форму диаметром ~1 мм. Благодаря специальному стеклу сохраняются поперечные свойства, волокно со второй вытяжки геометрически подобно большему пучку, медовые структуры стеклянных трубок целы, вся структура просто уменьшена. (Пространство между трубками сокращено до долей миллиметра.) Результирующее волокно также режут и плетют аналогично первой вытяжке.
7. Полученный пучок волокон нагревают и прессуют под вакуумом, спаивая волокна вместе. На этом этапе пучок называется булем (boule). Для микроканальных пластин буль режут под легким углом на вейферно-тонкие пластинки. Пластинки шлифуют и полируют. Пластины финишируют кислотной травкой для удаления мягкого обкладочного стекла. Удаление обкладки открывает каналы по всей пластине. Каждую пластину покрывают никель-хромом.
8. Затем наносят пленку оксида алюминия на обе поверхности, чтобы каждый канал мог нести электрический заряд. Готовая микроканальная пластина может варьироваться по диаметру, но толщина остается ~1 мм. Стандартный размер — 25 мм (0,9 дюйма) диаметром, максимум до 12,5 см (4,9 дюйма).
9. Далее собирают люминофорный экран и тело трубки. Экран — небольшой оптоволоконный диск, может поставляться субподрядчиком. Производитель трубки должен приклеить экран к металлическим деталям, удерживающим его в трубке, и нанести люминофор. Экран опускают в фланец и припаивают кольцом плавкого материала — фрита (frit). Фрит — специальное стекло, сваркивающееся с металлом и стеклом при высокой температуре. Другие металлические детали надевают на экран, образуя небольшой круглый узел. Этот узел проезжает на конвейере через печь, расплавляя фрит и спаивая все компоненты. После охлаждения, чистки и полировки люминофор распыляют или накладывают кистью. Раствор люминофора в воде вливают. Люминофор оседает на экране, воду сливают.
10. Собирают тело трубки, соединяя серию мелких металлических и керамических колец. Каждое кольцо имеет точную функцию, поддерживая разные части, загружаемые в трубку. Изоляторы и проводники добавляют сейчас. Некоторые секции тела из мягкого металла — индия. Собранную трубку прогоняют через печь, индий плавится и спаивает, удерживая трубку вместе.
11. Когда все главные компоненты готовы, их вручную загружают в тело трубки. Это экстремально деликатная работа в специальной чистой комнате — рабочие в лабораторных костюмах, перчатках, станции защищены пластиковой пленкой. Детали механически фиксируются. Сначала микроканальная пластина замыкается в теле. Затем рабочие приточечно сваркивают электроды к деталям, несущим напряжение.
12. Частично собранный узел идут на эксгаустную станцию (exhaust station). Там удаляют воздух из трубки, создавая вакуум. Под вакуумом вставляют и активируют фотокатод. Внутренние механизмы простого прибора ночного видения. Анод люминесцирует, излучая свет. (Текст называет люминесцирующий анод люминофорным экраном.) Этот прибор не использует микроканальную пластину для улучшения качества. В более сложном приборе микроканальная пластина была бы между катодом и анодом. Готово, тело, катод и экран прессуют вместе. Под высоким давлением индийские грани между деталями сплавляются, неразрывно соединяя все элементы.
13. Образоусиливающая трубка проходит несколько стадий тестирования на активацию и работу в ожидаемых параметрах. Когда трубка показывает работоспособность, рабочие подключают её к блоку питания. Затем трубку помещают в «боту» (boot) — простой пластиковый стаканчик. Бот образует оболочку, инкапсулирующую трубку для защиты. Бот закачивают и герметизируют под вакуумом. Образоусиливающая трубка готова. Проходит еще несколько раундов тестов. Тесты варьируются по назначению. Тщательно протестированные компоненты переходят к финальной сборке. Здесь их монтируют в корпуса для очков, прицелов, биноклей или конечного продукта ночного видения.

Контроль качества

Контроль качества на каждом этапе критичен для работы образоусиливающих трубок. Крупные производители доводили процесс до того, что каждый этап тестируется или измеряется, и рабочие не могут перевести деталь дальше, если она не прошла КК. Используют сложную калибровочную аппаратуру для измерения диаметра стекловолокна, толщины микроканальных пластин, температур в печах. Материалы от субподрядчиков проверяют на входе. Калибровочное оборудование само часто тестируется на точность.

Финальный продукт тестируют различными способами для гарантии работы каждого устройства. Каждое устройство проверяют на визуальное действие. Другие тесты показывают стойкость в неблагоприятных условиях. Готовые приборы могут тестировать на шок и вибрацию, падение. Для военных требований могут подвергать дням экстремального тепла и влажности.

Побочные продукты и отходы

Производство может давать опасные отходы, так как многие химикаты используются в очистке и травлении. Однако некоторые производители смогли заменить токсичные химикаты менее вредными или нетоксичными, и в целом процесс сейчас чище, чем при начале разработки технологии. Образоусиливающие трубки дороги и трудоемки в производстве, поэтому производители стараются спасать максимум лома. Если трубка собрана, но не работает, её разбирают и детали повторно используют.

Будущее

Индустрия ночного видения открывается для гражданского рынка. Пока цены высоки, с ростом спроса они могут снизиться до достаточно доступного уровня. Технология уже используется полицией и поисково-спасательными командами. По мере снижения цен и возможности записи видео/фото, больше фотографов, наблюдателей за дикой природой, лодчиков, кемпингов и многих других могут начать использовать технологии ночного видения инновационными способами.

Источники для дополнительного изучения

Книги

Палаис, Жозеф С. Fiber Optic Communications. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1998.

United States Army CECOM. Night Vision and Electronic Sensors Directorate. Fort Belvoir, VA: US Army CECOM, 1997.

Периодика

Юстик, Бранко, и Питер Филлипс. «Night Vision Scopes». Electronics Now (октябрь 1994): 57.

Лэмптон, Майкл. «The Microchannel Image Intensifier». Scientific American (ноябрь 1981): 62–71.

Риа, Джон. «The Feedback Loop of Night Vision Devices». Military & Aerospace Electronics (февраль 2000): 8.

Анджела Вудворд