Растущие, несмотря на интенсивные усилия охотников, популяции чёрной дичи и связанные с этим убытки вызвали настоящий бум в области ночной и тепловизионной техники, несмотря на то, что соответствующие прицелы в Германии запрещены. Мы обсудим их устройство и критерии качества.
Потребность в ночных и тепловизионных приборах в охотничьих кругах становится всё больше и больше, хотя часто можно слышать и совершенно противоположное мнение. Что же представляют собой эти приборы с технической точки зрения и как не заблудиться в джунглях торговых предложений?
Приборы ночного видения
Эти приборы при помощи умных технологий усиливают слабый остаточный свет, который имеется даже ночью. Чем становится темнее, тем мы, люди, видим хуже. Это прописная истина. И насколько темнее, настолько и хуже. Даже в умеренных сумерках острота зрения человеческого глаза существенно ограничена. У сов она значительно лучше, для них окружающий мир остаётся, можно сказать, таким же светлым, как и днём. И даже звёздный свет для них достаточен, чтобы обнаружить грызунов и успешно на них охотиться.
Физической величиной, характеризующей световые условия, является освещённость, измеряемая в «люксах» и которую можно упрощённо характеризовать как световой поток на единицу площади. В технических данных приборов ночного видения оперируют единицей «люмен» (лм). Это единица измерения так называемого светового потока. Формула для него имеет вид: Люмен = Люкс х м2.
Насколько световые условия, то есть освещённость, влияет на распознаваемость, показывает простой пример: при ярком дневном свете и ясном воздухе человек с нормальным зрением может увидеть фигуру другого взрослого человека на удалении более одного километра. В облачную ночь в новолуние человеку невозможно увидеть даже её очертания на расстоянии 5 м. В яркую лунную ночь обзор увеличивается примерно до половины футбольного поля, при этом различимы только контуры, а не детали. С физиологической точки зрения это означает, что слабых лучей света недостаточно, чтобы в глазной сетчатке произошло возбуждение сравнительно чёткого и различимого зрительного образа, передаваемого в мозг и обеспечивающего формирование отчётливого изображения.
Чтобы человек-наблюдатель видел ночью как днём, требуется, чтобы те немногие, имеющиеся в темноте излучаемые или отражаемые объектом световые импульсы, перед тем, как достичь человеческого глаза были настолько усилены, чтобы глаз был в состоянии отправить в мозг пригодный для обработки зрительный образ, позволяющий распознать и идентифицировать наблюдаемый объект.
За 80 лет физиками как раз были разработаны технологии для усиления слабых лучей света в ночных условиях. Данные технологии нашли воплощение в созданных приборах ночного видения. В принципе эти приборы усиливают имеющийся в темноте минимальный остаточный свет. Отсюда возникло понятие усилитель остаточного света.
Электронно-оптический преобразователь
Главным компонентом является электронно-оптический преобразователь. Это устройство, в англоязычной терминологии называемое Image Intensifier Tubes (IIT), предназначено делать видимыми для человеческого глаза сцены с очень низкой яркостью, путём усиления имеющегося остаточного света при сохранении информационной сути изображения. Исходящий от объекта свет при помощи объектива — это составная часть преобразователя — проецируется на так называемый фотокатод. Падающие световые кванты в месте попадания на фотокатод вызывают появление электронов. Эти электроны за счёт приложенного высокого напряжения ускоряются по направлению к световому экрану. Там они в месте столкновения за счёт люминисценции образуют световое пятно, яркость которого пропорциональна начальному ускорению. Таким образом на выходе можно наблюдать монохромное, усиленное изображение снимаемой сцены.
Надо сказать, что не все электронно-оптические преобразователи подобны друг другу. Различия с технической точки зрения существуют в материале, из которого изготовлен фотокатод и его световой чувствительности; в способе фокусировки потока электронов для получения контрастного, с малыми искажениями изображения; усилении потока электронов, разрешении, цифровом шуме изображения и среднем сроке службы. По техническим особенностям преобразователя специалисты различают разные поколения преобразователей.
Поколение 0
Преобразователи первого поколения известны примерно с 1940 года и нашли применение уже в ходе Второй мировой войны. Приборы поколения 0 работают в ближнем инфракрасном диапазоне и обладают очень низкими характеристиками, для них требуются мощные инфракрасные прожекторы.
Поколение 1
В конце 1950-х годов были созданы преобразователи так называемого 1-го поколения. Целью их разработки было избавиться от громоздких и энергоёмких ИК-прожекторов, однако усиление света, чувствительность и качество изображения вследствие сильных граничных искажений оставались неудовлетворительными. Что, впрочем, в преобразователях 1-го поколения сохранилось и по сей день.
Преобразователи 1-го поколения работают в спектральном диапазоне между 350 и 900 нм. Иными словами: они создают поток электронов при облучении светом между ультрафиолетовым диапазоном, диапазоном видимого света и ближним инфракрасным диапазоном.
Отдельно среди преобразователей следует упомянуть поколение 1+. Эти преобразователи отличаются лишь несколько более чувствительным фотокатодом, который вырабатывает поток электронов с силой тока до 240 мкA/лм.
Поколение 2
Преобразователи поколения 2 реагируют на свет в волновом диапазоне между 350 и 900 нм — то есть в невидимом человеческому глазу ультрафиолетовом свете, во всём видимом спектре и в невидимом инфракрасном свете. Чувствительность здесь примерно в два разе выше, чем у преобразователей поколения 1, они выдают поток соответствующий, примерно, от 240 до 500 мкA/лм. В отличие от преобразователей поколения 1, в преобразователях поколения 2 содержится так называемая микроканальная пластина (MCP = Micro Channel Plate ) между фотокатодом и экраном. Эта MCP многократно увеличивает поток электронов, вырабатываемый фотокатодом. За счёт такого каскадного усиления потока электронов в MCP (см. схему) данные преобразователи в итоге усиливают остаточный свет примерно в 20 тысяч раз.
MCP — подлинный технический шедевр, он состоит из миллионов связанных друг с другом полых волокон шестигранного поперечного сечения. На внутренних стенках микроканалов предусмотрен слой, проводящий электрический ток. Усиление происходит собственно в этих микроканалах: двигаясь через микротрубочки, выбитые из фотокатода электроны отскакивают, как билиардные шары, от одной стенки канала к другой. При каждом столкновении происходит выбивание из стенок ещё большего количества электронов (вторичных электронов), которые, в свою очередь, под воздействием высокого напряжения между стенками движутся через микроканал. Таким образом световой импульс обуславливает появление многократно усиленного потока электронов, который затем на люминесцентном экране преобразуется в соответствующую яркую точку изображения.
Преобразователи поколения 2 часто оснащены автоматической регулировкой усиления, а также предохранителем от засветки. Это защищает чувствительный преобразователь от быстрого сгорания. Кроме того, здесь преследуется цель регулировки яркости без ухудшения разрешения. Срок службы дорогих преобразователей поколения 2 превышает 10 тысяч часов.
Поколение 2+
Устройство преобразователей поколения 2+ в принципе аналогично преобразователям поколения 2, однако световая чувствительность увеличена с 500 до 600 мкA/лм, равно как и разрешение, с 45 до 60 LP/мм.
Поколение 2SuperGen
У этих преобразователей, с также характерным для поколения 2 устройством, чувствительность фотокатода повышена до 600–700 мкA/лм, разрешение изображения составляет от 55 до 70 LP/мм. Здесь повышение характеристики тоже достигнуто за счёт улучшения фотокатода, MCP и экрана.
Каждый производитель преобразователей постоянно занимается их оптимизацией. Соответствующим образом улучшенные преобразователи получают соответствующие дополнительные обозначения, как, например, «поколение 2CGT» или «поколение 2HPT». Точную информацию об особенностях характеристик можно получить лишь заглянув в технический паспорт прибора.
Поколение 3
Преобразователи поколения 3 под воздействием света дают ток более чем от 800 до 1800 мкA/лм. Как и в преобразователях поколения 2, здесь для усиления потока электронов производители используют MCP.
Остаточный свет в преобразователях поколения 3 увеличивается примерно в 50000 раз. Преобразователи обладают чувствительностью в спектральном диапазоне между 450 и 930 нм, то есть в области преобладающего ночью инфракрасного излучения. В зависимости от преобразователя разрешение составляет от 32 до 64 LP/мм. Срок службы равен примерно 15 тысяч часов.
Поколение 4
Поколения от 1 до 3, по крайней мере с технической точки зрения, имеют полуофициальное разделение. У поколения под обозначением 4 дело обстоит по-иному. Этот термин иногда используется в США. Конструктивно к ним относятся приборы с преобразователями, имеющие очень высокую чувствительность в глубоком инфракрасном диапазоне, то есть диапазоне c длиной волны значительно большей 900 нм. Данный вид приборов по сегодняшний день, за исключением США, недоступен на гражданском рынке.
Критерии качества
Термин «поколения» не стандартизирован и поэтому не может служить критерием качества прибора, он описывает в лучшем случае потенциал его технических возможностей. У приборов одного и того же поколения качество может существенно отличаться. Чтобы можно было говорить о качестве преобразователя, следует в первую очередь обратить внимание на данные о чувствительности фотокатода. В стандартных условиях измеряется, сколько электронов излучает данный фотокатод, то есть какой протекает ток.
Особенно выделяются высокие характеристики покрытия GaAs фотокатода, описывающие чувствительность в инфракрасной области. Измеряются они здесь на длине волны 830 нм в «миллиамперах на ватт» (мA/Вт). Ввиду высокой доли инфракрасного света в естественном остаточном свете это значение в значительной мере описывает использование ресурсов света. В этом измерительном диапазоне у преобразователей 2-го поколения очень малые значения практически неуловимы. С другой стороны, у преобразователей 3-го поколения чувствительность достигает значений до 200 мА/Вт.
Одна из интересных характеристик связана с разрешающей способностью усилителя изображения. Критерий качества, измеряемый в «парах линий на мм» (LP/мм), характеризует способность различать два расположенных рядом, но далеко удалённых объекта как действительно отдельные объекты (а не визуально сливающиеся друг с другом). При этом определяется стандартизованная таблица с максимальным числом чётко видимых пар линий на миллиметр площади изображения преобразователя.
В настоящее время приборы ночного видения армии США имеют разрешение, как правило, не менее 64 LP/мм. Впрочем, рекордные значения 78 LP/мм уже достигнуты, например, в преобразователях европейских производителей. Тем не менее, одного высокого разрешения всё же недостаточно, чтобы хорошо видеть: при преобразовании света в поток электронов всегда возникают так называемые фоновые шумы, которые наблюдаются на изображении в виде зерён. В ситуациях с очень слабым остаточным светом данный эффект может стать доминирующим и затенить собой еле видимые различия в яркости. Соотношение световой информации к фоновым шумам в технических данных характеризуется параметром Signal to Noise (S/N). Во 2-ом поколении это отношение начинается с 4,5, а у 3-го поколения — с более чем 20 при максимуме в 30.
По значениям S/N и разрешения можно определить так называемую величину Figure of Merit (FOM): FOM = S/N x Разрешение (LP/мм). Потенциальные покупатели должны обращать внимание на эту величину, сравнивая технические данные различных приборов.
Коэффициент усиления света не является критерием качества приборов ночного видения, хотя и приводится в технических характеристиках.
От приведённого значения дальности прибора ночного видения с соответствующим усилителем изображения не так уж много пользы, поскольку помимо линзовой системы, все условия эксплуатации (облачность, луна, температура, влажность воздуха, искусственная засветка) даже при небольших изменениях оказывают сильное влияние на максимальную дальность наблюдения.
Напротив, очень важным критерием качества является интегрированная автоматическая настройка яркости (ABC), а также автоматическая защита от засветки (BSP), которая затемняет яркие источники света на изображении.
Доминирующим производителем, занимающим монопольное положение в Средней и Западной Европе, является фирма Photonis. Её преобразователи отличаются высоким качеством: ударная прочность, длительный срок службы и качество изображения. Тем не менее: не следует принимать это как руководство к действию, например, Даниэль Янке, владелец известного немецкого поставщика приборов ночного видения Jahnke, подчёркивает: потенциальные владельцы должны перед покупкой сами опробовать и сравнить приборы в охотничьих угодьях. «Это принесёт больше пользы, чем изучение технических характеристик». Дело в том, что играют роль не только технические данные преобразователя, но и оптические компоненты прибора. Из устройства биноклей и оптических прицелов известно, что качество стекла, тщательность обработки и нанесения покрытия являются очень важными для оптических характеристик. Весь набор оптических компонентов, таких как линзы и преобразователь, таким образом, должен быть хорошим.
В настоящее время на немецком рынке представлены продукты из Германии (Jahnke), Белоруссии, Украины и Болгарии.
Тепловизионная техника
В отличие от приборов ночного видения, данная технология использует естественное невидимое глазу излучение тела (тепловое излучение) в диапазоне примерно от 3 мкм до 30 мкм, делая его видимым не требуя при этом подсветки. Тепловое излучение с длиной волны от 4,2 до 4,4 мкм и между 7,5 и 14 мкм слабо рассеивается в атмосфере и поэтому может успешно использоваться в тепловизорах для построения изображения. Специалисты называют данные волновые диапазоны, где работают эти приборы, «атмосферными окнами», а прибор делает видимым для человеческого глаза тепловое излучение, то есть «инфракрасный свет» в этом волновом диапазоне.
Тепловизоры
Попросту говоря, тепловизионный прибор состоит прежде всего из специальных линз для сбора теплового ИК-излучения. Впрочем, материал линз представляет собой не стекло, а является совершенно иным материалом. Он должен быть прозрачным не для видимого света, а для теплового излучения. С данных линз излучение попадает на так называемые сенсоры, которые строят очень чувствительную картину распределения температуры наблюдаемого сценария. Интенсивность исходящего от объекта теплового излучения зависит от температуры. Для построения картины распределения температуры, так называемой термограммы, сенсору необходимо лишь доли секунды. Термограмма преобразуется в электрические импульсы, которые в итоге формируют изображение на дисплее.
Технология тепловидения позволяет вести наблюдение в тёмную ночь, сквозь туман, дождь, пыль или дым. И не только: можно легко обнаружить даже замаскированные источники тепла — их тепловое излучение тепловизор улавливает на расстоянии от нескольких сотен метров до более чем 1 км. Преимущество использования данной техники в том, что не требуется никакой инфракрасной подсветки.
В отличие от приборов ночного видения, чей принцип основан на усилении имеющегося остаточного света, тепловизионные приборы могут работать в абсолютной темноте и давать изображение только на основе исходящего от объекта теплового излучения. Дичь очень чётко выделяется на фоне окружающей среды.
Кроме того, тепловизоры могут использоваться при ярком дневном свете, без ограничения функциональных возможностей. В противоположность им приборы ночного видения крайне чувствительны, если их применять при наличии ярких источников света — усиливающие свет преобразователи могут легко сгореть.
Характеристики тепловизионного прибора зависят от качества сенсора/болометра совместно с качеством представления изображения на дисплее, а также от способности улавливать малейшие различия температуры и преобразовывать их в визуальную информацию. Таким образом, качество определяется свойствами болометра, используемого программного обеспечения, равно как и представлением информации на дисплее.
Действительно хорошие тепловизионные приборы стоят значительно выше 2000, а может даже более 4000 евро. Потолка цен при этом не существует. Очень добротный прибор, Bussard-35 от Liemke, стоит почти 9000 евро.
Чтобы можно было охарактеризовать и классифицировать тепловизионную оптику существует несколько важнейших характеристик. К ним относятся число ячеек детектора (пиксели), размеры ячейки детектора (шаг), чувствительность детектора (мK), частота обновления изображения (Гц), диаметр объектива (число f), оптическое просветление линз, а также используемое производителем программное обеспечение для оптимизации изображения.
Поставщик Liemke раскрывает один из определяющих цену факторов: линзы тепловизионной техники изготовляются не из стекла, поскольку стекло в коротковолновом инфракрасном спектре пропускает инфракрасное излучение только частично, а длинноволновом — не пропускает совсем. По этой причине объективы изготавливают из искусственно выращенных кристаллов. В неохлаждаемой оптике это большей частью германий, сульфид цинка, селенид цинка или халькогенид. Поэтому оптика оказывает ощутимое влияние на цену инфракрасной камеры. «Видеть сквозь», как через обычную оптическую линзу, данный материал, впрочем, не позволяет.
Оптимальное соответствие отдельных оптических компонентов позволяет добиться наилучших характеристик оптической системы. Одно лишь сравнение технических данных не позволяет сделать однозначного вывода о качестве оптики.
Кто решился на покупку тепловизионного прибора, тот при изучении технических данных столкнётся с рядом терминов, о которых он поначалу имеет слабое представление. Liemke приводит здесь ряд пояснений:
Микроболометр — это термический сенсор для регистрации электромагнитного излучения, он используется для улавливания инфракрасного света в диапазоне средне и высоковолновых частот. Сенсор изображения тепловизионной камеры выполнен в виде двухмерной матрицы Focal Plane Array (состоящей из расположенных в ряд сенсорных ячеек).
Spectral Response/Range. Спектральный диапазон указывает, какую длину волны должен иметь свет, чтобы сенсор мог воспринимать свет. Чем шире диапазон, тем яснее и чётче показывается изображение.
Пиксель характеризует число сенсорных ячеек. Сенсор с разрешением 640×480 пикселей имеет 640 точек изображения по горизонтали и 480 точек изображения по вертикали. Это соответствует сенсору с 307 200 точками изображения, то есть 0,3 мегапикселя.
Шаг. Современная техника в области неохлаждаемой тепловизионной оптики характеризуется сенсорами VOx с размером сенсорной ячейки (шагом), равным 12 мкм. У сенсоров с разрешением 320×240 пикселей это значение большей частью составляет 25 мкм или 17 мкм. При разрешении 640×480 пикселей современным уровнем является значение 12 мкм. Чем меньше значение шага, тем резче и контрастнее изображение. Преимущества здесь очевидны: компактные размеры, меньшие линзы с тем же самым полем зрения по сравнению с сенсорами, имеющий больший шаг, меньшее энергопотребление и, прежде всего, резкое и детализированное изображение за счёт применения новейшего программного обеспечения для оптимизации изображения. Простейшее правило: чем меньше шаг, тем резче изображение.
Частота. Данная характеристика связана с частотой обновления изображения, её единицей измерения служит Герц (Гц). Чем выше эта величина, тем изображение становится менее смазанным, если наблюдение ведется в движении.
FOV. Эта аббревиатура означает Field of View, что означает не что иное, как поле зрения. Как правило, приводится ширина и высота изображения, наблюдаемого на дистанции 100 м или же значение углового поля (угол, отсчитываемый от линзы объектива). Чем меньше данная величина, тем больше ограничено вблизи поле зрения.
NETD. Данное сокращение означает Noise Equivalent Temperature Difference и является величиной, описывающей температурную чувствительность. Это важнейшая характеристика для оценки функциональной способности сенсора. Физической единицей измерения здесь служит единица температуры милликельвин (мК). Чем меньше её значение, тем контрастней является изображение.
Число f. Диафрагменное число представляет собой отношение фокусного расстояния (удаление линзы от сенсора) к диаметру эффективного входного зрачка. Чем меньше число f, тем больше диаметр линзы объектива, тем больше через него проходит свет и тем контрастнее становится изображение.
ASi обозначает, что в качестве материала сенсора используется аморфный кремний. Он обладает высокой поглощающей способностью к электромагнитному излучению в области видимого человеческому глазу диапазоне и в ближнем инфракрасном диапазоне. Он экономичен в производстве, однако имеет недостатки с точки зрения качества изображения по сравнению с сенсорами VOx.
VОx означает, что материалом сенсора служит оксид ванадия, представляющий собой химическое соединение с очень хорошей электрической проводимостью. По сравнению с сенсорами ASi это лучший технический вариант.
LCoS обозначает Liquid Crystal on Silicon и значит, что для вывода изображения служит дисплей на жидких кристаллах.
OLED/AMOLED расшифровывается как Organic Light Emitting Diode или Active Matrix Organic Light Emitting Diode, что означает светодиодный дисплей для вывода изображения. По сравнению с с дисплеем LCoS он даёт лучший контраст и более высокую скорость формирования изображения.
VGA означает Vidio Graphics Array и используется для обозначения одного из стандартов компьютерной графики. Типичное для VGA разрешение составляет 640×480 пикселей.
Калибровка NUC обозначает сокращённо Non Uniformity Correction и характеризует калибровку чувствительности отдельных точек изображения, заключающуюся в придании на изображении точкам с одинаковой температурой одинаковой яркости. Калибровка осуществляется автоматически при помощи затвора объектива и в большинстве приборов сопровождается щёлкающими звуками. В некоторых приборах калибровка может или должна производиться вручную. Вместо затвора объектив может закрываться также вручную.
Полярность. В большинстве оптических приборов имеется возможность представить источника тепла в белом, чёрном, красном цвете или в цветах радуги.
Непрофессионалы часто считают, что тепловизионные приборы принципиально превосходят приборы ночного видения. Это не так, Jahnke, в частности изъяла из своей программы тепловизоры. По её мнению, они не слишком хороши для определения расстояния и для определения дичи. Кто использует их в качестве прицелов, тот стреляет как бы по «светлым пятнам». Этим и объясняется, почему перед покупкой требуется сравнительное опробование, каждый должен принимать решение о приобретении индивидуально.
Перспективы
Если попробовать заглянуть в будущее и представить, что прицелы и прицельные насадки ночного видения в Германии уже не будут запрещены законодательно, приборы ночного видения и тепловизоры могут стать отличными помощниками: тепловизионный прибор для наблюдения, а прицел или насадка ночного видения в качестве средства прицеливания.
Интересующимся ночной охотой многое следует опробовать и сравнить — перед покупкой! При этом подготовить приличную сумму: менее чем 10 000 евро за два хороших прибора вряд ли будет достаточно, поскольку, как уже упоминалось, сам по себе высококлассный тепловизионный прибор, такой как Bussard-35 стоит порядка 9000 евро, а JSA Nightlux TV MAU V3 — около 7000 евро. Кто интересуется приборами ценой лишь 10 или 20 % от стоимости этих приборов, тот должен их тщательно изучить и протестировать, чтобы затем избежать разочарования.
Влияние на охоту
При рассмотрении принципов работы и критериев качества таких приборов, ничего не было сказано, когда и при каких условиях имеет смысл использовать данные приборы. Это охота на чёрную дичь и контроль популяций. Сможет ли охота и отстрел в течение 365 ночей в году решить все проблемы, покажет лишь будущее.
Вальтер Шульц (Walter Schulz) Перевод Ильи Шайдурова
