Wstęp do noktowizji i noktowizorów

Noktowizja Źródło

Tekst autorski. PK / Pjoterkrk69

• [1] K.Chrzanowski: Review of night vision technology, Opto-Electronics Review, 21, no.2, 2013
• [2] Photonis Industry&Science: Image Intensifier Brochure
• [3] www.photonis.com, 21.12.2014
• [4] www.morovision.com, 21.12.2014
• [5] Operator’s Manual, Night Vision Goggles, November 1, 1996
• [6] G.Rudowski: Termowizja i jej zastosowanie, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa, 1978
• [7] Flir Systems: ThermaCamP65 User’s Manual, Publ.No.1557954, Revision a155, English(EN), February 7, 2006
• [8] W.Minkina, P.Rutkowski, W.Wild: Podstawy pomiarów termowizyjnych. Cz.I – Istota termowizji i historia jej rozwoju, Pomiary Automatyka Kontrola, Wydawnictwo PAK, 1/2000
• [9] W.Minkina: Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 2004
• [10] http://pl.wikipedia.org/wiki/Fotokatoda 26.12.2014
• [11] http://pl.wikipedia.org/wiki/Luminescencja 26.12.2014

Wstęp do noktowizji

Noktowizory mają znacznie dłuższą historię w porównaniu do termowizji. Pierwsze noktowizory zostały wynalezione przed zakończeniem drugiej wojny światowej natomiast pierwsze kamery termowizyjne miały swój debiut dopiero na początku roku 1970.

Niestety społeczność naukowa w bardzo małym stopniu interesowała się tą technologią ze względu na to, iż przetwornik obrazu znajdujący zastosowanie w noktowizji został opracowany przez fabryki dużych producentów a nie przez jednostki naukowe – a jak wiadomo – producenci mają naturalną niechęć do darmowej publikacji w przeciwieństwie do instytucji naukowych. Kolejnym ważnym czynnikiem był przesąd, iż w najbliższej przyszłości noktowizja upadnie z powodu konkurencji ze strony bardziej nowoczesnych urządzeń jak kamery termowizyjne, kamery ICCD czy kamery SWIR przez co technologia noktowizji była raczej traktowana jako stara i niemodna w ostatnich kilku dekadach co poskutkowało małą ilością specjalistycznej literatury odnośnie tego systemu. Pojawił się również chaos w dostępnej literaturze, nieścisłości czy konflikty nad wyższością różnych przetworników obrazów stosowanych w noktowizorach, można powiedzieć, że nawet specjaliści w tej technologii mogą mieć prawdziwe problemy z obiektywną oceną nowoczesnych urządzeń noktowizyjnych na podstawie dostępnej literatury[1].

Podstawy dotyczące urządzeń noktowizyjnych

Aby rozpocząć przygodę z noktowizją i użytkowaniem noktowizora należy zapoznać się z podstawowymi zjawiskami jakie występują w tym systemie, ogólną budową urządzenia jak i również podstawowymi parametrami aby dostrzec i zrozumieć różnice występujące w różnych instrumentach różnej generacji.

Budowa urządzenia noktowizyjnego

Noktowizor (ang. NVD – Night Vision Device) jest urządzeniem umożliwiającym obserwację przestrzeni przy znikomym, szczątkowym oświetleniu jak światło księżyca czy gwiazd na nieboskłonie. Technologia noktowizji polega na „wzmocnieniu” tego światła szczątkowego aby uzyskać zadowalający obraz widzialny. Logiczne jest więc, że jeżeli znajdziemy się przykładowo w ciemnym zamkniętym pomieszczeniu bez okien – noktowizor będzie bezużyteczny gdyż bez jakiegokolwiek światła szczątkowego, nawet minimalnego – system nie będzie miał czego wzmocnić i w rezultacie otrzymamy czarny obraz. Urządzenie jest konstrukcją złożoną z trzech głównych bloków (Rys.1): obiektywu, przetwornika obrazu oraz okularu. Oczywiście nie jest to cały system, znajdziemy również takie elementy jak kolimator elektronikę sterującą czy zasilającą[1]. (skrócona wersja dla artykułu: Wstęp do NOKTOWIZJI)

Wyróżniamy różne obiektywy w różnych urządzeniach, gogle noktowizyjne posiadają zazwyczaj uniwersalne obiektywy o możliwie szerokim kącie widzenia. Do takich gogli można dołączyć przystawkę przybliżającą zwiększając dzięki temu możliwości użytkowe. Celowniki noktowizyjne posiadają z kolei duże, jasne obiektywy aby obraz który posiada już określone przybliżenie był możliwie jasny z dobrą rozdzielczością. Przetwornik obrazu (ang. IIT – Image Intensifier Tube) to próżniowa tuba która wzmacnia niski poziom światła do poziomu obserwowalnego. IIT jest podzielony na kilka generacji w zależności od metody wzmocnienia napływającego światła (materiał fotokatody, struktura tuby) może być również klasyfikowany w zależności od innych parametrów takich jak wydajność, typ ekranu fosforyzującego, wielkość fotokatody[1].

Typy urządzeń noktowizyjnych

• Monokular – jednokanałowe (Rys.2) (ang. Night Vision Monocular) – monokulary są praktycznie jednokanałowymi goglami noktowizyjnymi o mniejszych wymiarach i masie. Są bardzo wszechstronne ze względu na to, iż można je sprzęgnąć z montażem na głowę lub hełmem, wykorzystać jako monokular do obserwacji lub również (w wielu przypadkach) połączyć z lunetą celowniczą tworząc swojego rodzaju celownik noktowizyjny[1].
• Gogle – mieszane, dwukanałowe (Rys.2) (ang. Night Vision Goggle) – Gogle są urządzeniami obuocznymi jedno lub dwu-kanałowymi z jednym lub dwoma przetwornikami obrazu. Posiadają szeroki kąt widzenia zbliżony do ludzkiego wzroku (ok. 40°) Mogą występować w formie lornetki o ustalonym przybliżeniu. Jeżeli urządzenie jest zbudowane z dwóch oddzielnych optycznych kanałów (ang. two-channel binoculars) uzyskuje się widzenie stereoskopowe (trójwymiarowe – 3D) ze względu na to, iż obiekt obserwuję się pod delikatnie różnymi kątami co generuje wrażenie głębi. Użyte dwa przetworniki obrazu, po jednym na każdy kanał optyczny skutkuje wyższą ceną[1].
• Celownik noktowizyjny – jednokanałowe (Rys.2) (ang. Night Vision Sight/Scope) – Jest to luneta o dużym obiektywie z ustalonym przybliżeniem i nałożoną siatką celowniczą z mechanizmem kalibracji. Posiada wąski kąt widzenia (4-13°) i powiększenie zazwyczaj w granicy 3-10x[1].

Zasada działania systemu noktowizji

Jak zostało wspomniane noktowizja służy wzmocnieniu światła szczątkowego, należy więc zacząć od zgromadzenia tego światła z otoczenia – do tego celu służy obiektyw którego zadaniem jest skupienie rozproszonego światła szczątkowego i skierowanie go w stronę przetwornika, a dokładniej w fotokatodę przetwornika obrazu pobudzając w ten sposób elektrony na zasadzie zjawiska fotoelektrycznego zewnętrznego (Rys.3) które polega na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu na skutek naświetlania promieniowaniem elektromagnetycznym o odpowiedniej częstotliwości. Fotokatoda jest półprzewodnikową płytką zbudowaną z cienkiej warstwy materiału nieprzeźroczystego lub półprzeźroczystego emitującą elektrony pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego (UV-NIR)[10].

Fotokatoda jest pierwszym elementem przetwornika obrazu (Rys.1) który to z kolei jest pewnym rodzajem lampy elektronowej, próżniowej i stanowi niejako serce noktowizora w którym zawiera się cały proces technologii noktowizji.

Pojedyncze elektrony emitowane z fotokatody przyspieszane są w tubie wzmacniającej na skutek wysokiego pola elektrostatycznego (przetworniki zasilane są napięciem stałym rzędu kilku kilowoltów) nadając elektronom znaczną energię a następnie kierowane są w stronę mikro-kanałowej płytki (ang. MCP – microchannel plate). W celu uzyskania obrazu najwyższej jakości zastosowano wspomnianą płytkę która jest szklanym przewodzącym dyskiem o grubości <0,5mm zbudowanym z milionów cylindrów (kanalików) w których pojedynczy elektron jest powielany na skutek uderzeń o ścianki dając na wyjściu ‘lawinę’ elektronów (Rys.4) Płytki takie stosowane są również w astronomii czy chromatografii gazowej[1][3].

Cała „chmura” elektronów kierowana jest w stronę ekranu pokrytego luminoforem (ekran fosforyzujący) czyli związkiem chemicznym wykazującym luminescencję (zimne świecenie spowodowane odmienną przyczyną niż rozgrzanie ciała do wysokiej temperatury)[11]. Uderzenie przyspieszonej chmury elektronów w luminofor generuje czy też „wybija” z powrotem fotony na zasadzie elektroluminescencji. Wygenerowane z prądu światło jest przetwarzane przez układ soczewek okularu dając finalny obraz monochromatyczny najczęściej koloru zielonego[1]. Droga fotonów i elektronów została zilustrowana na Rys.5 gdzie widoczne są „zebrane” z otoczenia fotony które następnie są przekształcane na elektrony i powielane w płytce mikro-kanałowej dając widzialny obraz.

Podstawowe parametry stosowane w noktowizji (wstęp do noktowizji)

SNR

Stosunek sygnału do szumu (ang. SNR – Signal-to-noise ratio) – jest kluczowym parametrem by przewidzieć wydajność przetwornika w warunkach słabego oświetlenia. W najniższych warunkach oświetleniowych jakość obrazu jest mocno uzależniona od poziomu światła (Rys.6) Kiedy jest bardzo ciemno (mocno zachmurzone nocne niebo) nawet z najlepszymi przetwornikami nie dostrzeżemy satysfakcjonującego obrazu, jedynie wyraźny szum. SNR jest funkcją natężenia światła w celu porównania tub. Światowym standardem jest pomiar SNR w danym stałym poziomie światła wartości 108µlx. W takich warunkach wyznacza się poziom SNR czyli uszkodzony sygnał z powodu szumu(śnieżenia) wywołanego przez przetwornik obrazu. Im niższe zakłócenie, tym wyższy współczynnik SNR i lepszy obraz[1][3] [4].

Wzmocnienie

Wzmocnienie (ang. – Gain, Brightness Gain, Luminance Gain) jest to ilość jaką przetwornik wzmacnia światło wejściowe. Jest obliczane jako stosunek światła wyjściowego do światła wejściowego. Wyrażone w cd/lx • m2 (kandela na luks), lm/lm (lumen na lumen) We wszystkich noktowizorach wzmocnienie jest zredukowane przez system soczewek, jakość optyki i filtrów[1][3][4]. Na Rysunku 7 zobrazowano ten parametr (niskie i wysokie wzmocnienie).

Rozdzielczość

Rozdzielczość (ang. Resoultion) jest jednym z głównych parametrów przetwornika wyrażony w liczbie par linii przypadających na jeden milimetr i jest związany z jakością płytki MCP. Dla obecnych przetworników obrazu parametr ten wynosi 64-72 lp/mm (ang. line pairs/millimeter). Parametr mierzony na środku oraz na obrzeżu ekranu[3][4]. Rysunek 8 odzwierciedla dwa typy urządzeń o różnych rozdzielczościach.

Czułość

Czułość (ang. Sensitivity) jest parametrem przetwornika mierzonym w mikroamperach na lumen (µA/lm) i definiuje ile elektronów jest wygenerowanych na ilość światła padającego na fotokatodę. Pomiar wykonuje się w określonej temperaturze barwowej (2854K) Zazwyczaj, im wyższa wartość tym przetwornik jest bardziej czuły na światło[1]

Generacje przetworników w noktowizji

Pierwsze urządzenie noktowizyjne zostało wynalezione podczas drugiej wojny światowej. Od tego czasu technologia dotycząca przetworników obrazu wykazała znaczny postęp. W chwili obecnej wyróżniamy cztery generacje przetworników: Generacja 0,1,2,3 oraz subgeneracje (1+,2+,3+), numeracja generacji określa zmiany w projektowaniu tub które stopniowo zwiększały wydajność[1]. Postęp przedstawiony został na Rysunku 9 w formie osi czasu

Generacja 0

Generacja 0 jest pierwszą generacją przetworników posiadającą bardzo niskie parametry użytkowe. Do jakiejkolwiek obserwacji wymagane jest dodatkowe doświetlenie w postacie światła podczerwonego generowanego przez promiennik podczerwony (ang. Infrared Illuminator). Noktowizory tego typu nazywane są “aktywnymi” (ang. Active Night Vision Device), posiadają pojedynczą tubę, która wzmacnia obraz poprzez przyspieszenie wysokim napięciem elektronów emitowanych z fotokatody i bombardujących ekran fosforyzujący.

Fotokatoda S-1 powleczona tlenkiem cezu i cząsteczkami srebra (ang. silver-oxygencaesium) posiada czułość ok 60µA/lm w zakresie fal ultrafioletowych (UV) oraz bliskiej podczerwienie (NIR) Główne wady tej generacji to:

• – zniekształcenie geometryczne (dystorsja)
• – szybkie zużycie przetwornika obrazu
• – konieczność użycia aktywnego źródła oświetlenia podczerwienią
• – brak zabezpieczeń przed mocnym źródłem światła
• – czas użytkowania oraz duże i ciężkie źródło zasilania[1][4].

Rysunek 10 przedstawia przekrój typowego przetwornika generacji 0 z zaznaczonymi istotnymi elementami jak typ fotokatody czy ekranu fosforyzującego.

Generacja 1

Zastosowano nowy materiał fotokatody z cezu i antymonu (ang. caesium-antimony S-11 Photocathode) Fotokatoda charakteryzuje się wysoką wydajnością kwantową (do 20% QE) jednak tylko w zakresie widzialnym. Czułość wzrosła do wartości 80µA/lm. Przełom nastąpił w 1956r wraz z odkryciem nowej fotokatody S-20 “Multi-Alkali” z sodu-potasu-antymonu-cezu która obejmowała czułość w obu zakresach fal elektromagnetycznych – bliskiej podczerwieni i zakresie widzialnym (Rys.11)[1][4].

Czułość wzrosła do wartości 200µA/lm a wzmocnienie od 400 do 800lm/lm. Generacja 1 charakteryzuje się dobrą rozdzielczością obrazu (25-30lp/mm), dobrym kontrastem, stosunkowo niskim szumem oraz czystym obrazem z kilkoma skazami[1].

Z technicznego punktu widzenia budowa jest stosunkowo prosta: skupienie jest uzyskane poprzez obiektyw elektronowy (Rys.12). W tubie przetwornika pole elektrostatyczne kieruje fotoelektrony i skupia obrócony obraz na ekranie fosforyzującym. W późniejszym czasie zostały użyte światłowodowe płytki (ang. fibre-optic bundles) co stworzyło sub-generację +1, uzyskano lepszą rozdzielczość, jakość oraz widoczny dystans w trybie pasywnym i aktywnym[1].

Aby uzyskać w pełni pasywne urządzenie w 1950roku przeprowadzono eksperymenty z użyciem dwóch lub trzech kaskadowo połączonych przetworników obrazu (Rys.13). Dzięki temu zabiegowi udało się uzyskać wzmocnienie światła na poziomie 30 000lm/lm co skutkowało funkcjonalnością urządzenia nawet przy oświetleniu pochodzącym z gwiazd. Niestety parametr SNR był niski ze względu na to, iż szum generowany z wcześniejszego przetwornika był wzmacniany w następnym przez co obraz wyjściowy posiadał duże uszkodzenie obrazu śnieżeniem. Charakterystyczną cechą jest widoczny obraz przez parę chwil po fizycznym wyłączeniu urządzenia (ang – afterglow) jak również piskliwy dźwięk. Zauważalne są skazy i przebarwienia jednak w większości jest to normalne i nie wynika z wadliwego przetwornika.

Generacja 2

Nastąpił znaczny przeskok względem generacji 1 wynikający z kilku elementów. Pierwszym z nich to zastosowanie mikro-kanałowej płytki MCP do powielenia elektronów emitowanych z fotokatody. Płytka ta jest bardzo cienkim, szklanym, przewodzącym dyskiem który pokryty jest milionami równoległych i metalizowanych cylindrów[1][3].

Elektron wpadający do ów otworów uderza o ścianki płytki (Rys.14)(Rys.4) tworząc kolejny elektron, proces powtarza się, aż do opuszczenia dysku. Otwory posiadają średnicę od 4 do 17µm, osie kanału umieszczone są pod delikatnym kątem (~8°) do powierzchni płytki, pozwalają na powielenie elektronów 103 lub 105 razy w zależności od długości, ilości i średnicy kanałów. Rozkład przestrzenny jest ograniczony wymiarami płytki, rozstaw 15µm od środków był typową wartością dla pierwszych wersji. W chwili obecnej wymiary te mogą być 2 razy mniejsze[1][3]. Rysunek 15 przedstawia heksagonalną strukturę płytki mikro-kanałowej i porównanie rozmiarów kanałów do ludzkiego włosa.

Użycie nowej fotokatody S-25 która jest zbudowana z grubszych warstw tego samego materiału co S-20 polepszyło czułość na widmo w zakresie światła widzialnego[1]. Zmniejszono jednostkę zasilającą oraz wprowadzono dodatkowe moduły jak automatyczna kontrola jasności (ang. ABC – Automatic Brightness Control) która polega na automatycznej regulacji wartości napięcia płytki mikro-kanałowej w warunkach szybkich zmian jasności otoczenia, czy ochrona przed jasnymi źródłami światła (ang. BSP – Bright Source Protection – High light cut-off) która redukuję wartość napięcia fotokatody w momencie gdy urządzenie jest wystawione na działanie bardzo jasnych źródeł światła jak reflektor samochodu[5]. Rysunek 16 przedstawia przekrój typowego przetwornika drugiej generacja z zaznaczonymi typowymi elementami jak typ fotokatody, ekran fosforzyujący oraz płytka MCP.

Generacja 2+ to europejski odpowiedni generacji 3. Zabiegi wykonane w generacji 2+ to zwiększenie czułości fotokatody ok. dwukrotnie, zmodyfikowanie mikro-kanałowej płytki, redukcja szumów, rozszerzony zakres czułości widma do 950nm, zastosowanie takich systemów jak bramowanie (ang. Autogated). Pierwsze przetworniki Generacji 2+ zostały wynalezione przez firmę „Photonis” (Francja) w 1989r. Nazywane są również: SuperGen, HyperGen, XD4, XR5 i stanowią nowoczesne technicznie przetworniki dorównujące parametrami generację 3, wytwarzane przez producentów spoza USA[1][3] z możliwością zastosowania wszystkich popularnych innowacji (Rys.17) jak różne typy ekranów fosforyzujących, fotokatod czy różne rodzaje elektroniki sterującej.

Generacja 3

Generacja trzecia jest bardzo podobna od strony technicznej do generacji drugiej. Główną różnicą jest zastosowanie innego materiału fotokatody (arsenku galu lub fosforowego arsenku galu GaAs/GaAsP) co polepszyło czułość i wrażliwość na zakres widma bliskiej podczerwieni ok. 3-krotnie. Pierwsze wersję generacji trzeciej posiadały jednak znaczącą wadę jaką jest działanie jonów dodatnich wytwarzanych przez płytkę MCP na wrażliwą fotokatodę. Aby ochronić fotokatodę zastosowano warstwę tlenku aluminium (ang. aluminium oxide ion barier) umieszczoną pomiędzy fotokatodą a płytką MCP. Działanie to skutecznie zwiększyło żywotność elementu jednak wiązało się z kolejną wadą – bariera ochronna zmniejszała przepustowość elektronów o około połowę (Rys.18) a więc tylko połowa elektronów która przebiła się przez warstwę była przyspieszana i wzmacniana[1]. Wstęp do NOKTOWIZJI

Dodatkową wadą jest również większy efekt HALO niż w przypadku poprzedniej generacji. W 1998r wynaleziono i zastosowano przez firmę Litton U.S. Company przetwornik z fotokatodą pokrytą arsenkiem galu jednak bez bariery ochronnej (ang. Filmless tube)(Rys.19). Wojsko Stanów Zjednoczonych uznało nowy przetwornik jako Generację 4. Jednakże, jak się później okazało przetwornik nie spełniał odpowiednich standardów (wrażliwy na mechaniczne uderzenia, nie spełnił typowych testów niezawodności na nagłe i duże błyski światła, krótka żywotność). W 2002 cofnięto decyzję o nadaniu nazwy i od tamtej pory przetwornik nazywany jest Generacją 3 „Filmless” klasyfikowany jako ulepszona generacja 3, nie ma oficjalnie Generacji 4[1]. Dalsze badania nad problemem degradacji fotokatody owocowały kilkoma ulepszeniami z czego ważniejszą jest wprowadzeniu zasilania impulsowego, tzw. bramowania (ang. ATG – AutoGating) fotokatody.

Bramowanie (ATG Autogating)

Technika pojawiła się na rynku ok 2006r i polega na tym, iż system sterujący, elektronicznie redukuje cykle pracy napięcia fotokatody przez bardzo szybkie włączanie i wyłączanie zasilania (Rys.20). Chroni to przetwornik przed uszkodzeniem w przypadku skierowania na jasne źródło światła (urządzenia z tą funkcją można używać w jaśniejszym otoczeniu bez obawy o uszkodzenie) a operatora przed oślepnięciem, zapobiega utracie obrazu gdy przetwornik jest przeciążony bardzo jasnym światłem (Rys.21)[3][4].

Typ przetwornika „Filmless” klasyfikowany jest jako ulepszona wersja standardowej Generacji 3, jednak można wyróżnić również inny jej rodzaj – najpopularniejszą obecnie generację „ThinFilm” nazywaną również Generacją 3+. Technologia ta wynaleziona przez ITT Night Vision jako konkurencja dla „Filmless”. Odkryto, iż zmniejszenie warstwy ochronnej zamiast pozbycia się jej zachowuje wysoką niezawodność (fotokatoda jest chroniona) i najwyższe parametry (przepustowość elektronów jest na wysokim poziomie). Bariera ochronna użyta w tego typu przetwornikach jest grubości 1-3nm, zmniejszono również napięcie zasilania fotokatody i zastosowano system ATG. Przepustowość elektronów jest mniejsza o ok. 25% od gen.3 Filmless jednak jest to bardzo dobry wynik porównując typową Generację 3[1]. Rysunek 22 przedstawia przekrój typowego przetwornika trzeciej generacja z zaznaczonymi typowymi elementami jak typ fotokatody GaAs, ekran fosforyzujący P-20 czy użycie płytki MCP. Wstęp do NOKTOWIZJI

Wykaz użytych obrazów

[1] K.Chrzanowski: Review of night vision technology, Opto-Electronics Review, 21, no.2, 2013, s.157

[2] K.Chrzanowski: Review of night vision technology, Opto-Electronics Review, 21, no.2, 2013, s.153

[3][8] K.Chrzanowski: Review of night vision technology, Opto-Electronics Review, 21, no.2, 2013, s.156

[4] http://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_fotoelektryczny 20.12.2014

[5][12] K.Chrzanowski: Review of night vision technology, Opto-Electronics Review, 21, no.2, 2013, s.158

[6][13] http://www.photonis.com/en/content/102-nightvision-how-it-works 02.01.2015

[7] http://www.photonis.com/en/content/106-nightvision-gain 02.01.2015

[9] http://www.photonis.com/en/content/105-nightvision-signal-to-noise-ratio 02.01.2015

[10] http://www.photonis.com/en/content/103-nightvision-development 03.01.2015 [11][15] http://www.nivitech.com/nightvision-gns.htm 03.01.2015

[14] http://www.nivitech.com/nightvision-tub.htm 03.01.2015

[16] http://www.lahouxoptics.nl/index2.html? show=iit_main&sel=police&suffix=UK 05.01.2015

[17] http://www.photonis.com/en/content/104-nightvision-xr5-gen3 05.01.2015

[18] K.Chrzanowski: Review of night vision technology, Opto-Electronics Review, 21, no.2, 2013, s.161

[20] http://www.photonis.com/en/content/101-nightvision-auto-gating 05.01.2015

[22] http://www.physics.ohiostate.edu/~perry/p596_au99/Samples/shortmed/johnmedium/index.html 05.01.2015

Inne Optyka: https://rusznikarzkrakow.pl/category/optyka-optoelektronika/