Оптико-электронные приборы ночного видения

Ю.К.  Грузевич

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ

ПРИБОРЫ

НОЧНОГО  ВИДЕНИЯ

МОСКВА

ФИЗМАТЛИТ

2014

®

УДК 621.384.4
ББК 32.844
Г 90

Посвящается 20-летнему юбилею
ОАО
«Научно-производственное
объединение «Геофизика-НВ»

Гр у з е в и ч Ю. К. Оптико-электронные приборы ночного видения. —
М.: ФИЗМАТЛИТ, 2014. — 276 с. — ISBN 978-5-9221-1550-6.

В монографии рассмотрены основные тенденции развития техники ночного
видения и физические основы ее работы. Дан анализ современного состояния и тенденций развития электронно-оптических преобразователей (ЭОП)
для оптико-электронных приборов ночного видения. Рассматриваются принцип
действия ЭОП, основные поколения, их возможности, элементы конструкций,
параметры и характеристики и перспективы развития ЭОП. Описана энергетическая структура, оптические и электрофизические свойства различных
фотокатодов. Особое внимание уделено фотокатодам на основе материалов
с отрицательным электронным сродством, имеющим различную структуру.
Представлены методы расчета дальности действия для оптико-электронных
приборов ночного видения на основе ЭОП.
Книга предназначена научным и инженерно-техническим работникам,
аспирантам и студентам старших курсов, специализирующимся в области
техники ночного видения.

ISBN 978-5-9221-1550-6

c⃝ ФИЗМАТЛИТ, 2014

c⃝ Ю. К. Грузевич, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .
6

Г л а в а 1. Физические основы работы оптико-электронных приборов ночного видения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .
26
1.1. Глаз и его возможности . .. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
1.1.1. Строение глаза (26). 1.1.2. Пороговые свойства зрительного анализатора (34). 1.1.3. Острота зрения (37). 1.1.4. Инерционность зрения (40).
1.2. Поиск и наблюдение объектов в ночных условиях . .. . . . . . . . . . .
43
1.3. Естественная ночная освещенность. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
1.4. Излучение реальных объектов и природных фонов в ночных условиях . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. .
57
1.4.1. Почвы и дорожные покрытия (57). 1.4.2. Окрашенные поверхности (58). 1.4.3. Водная поверхность (58). 1.4.4. Снежный
покров (58). 1.4.5. Растительность (61).
1.5. Влияние атмосферы Земли на работу ОЭП НВ . .. . . . . . . . . . . . .
64

Г л а в а 2. Электронно-оптические
преобразователи
для
оптикоэлектронных приборов ночного видения . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
2.1. Принцип действия ЭОП . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
2.2. Фотоэлектронная эмиссия . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .
73
2.3. Основные элементы конструкций ЭОП . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
2.3.1. Фотокатоды:
параметры,
характеристики
и
типы
(79).
2.3.2. Фокусирующие системы ЭОП (113). 2.3.3. Микроканальные
пластины (123). 2.3.4. Катодолюминесцентные экраны ЭОП (133).
2.3.5. Выходной
волоконно-оптический
элемент
ЭОП
(143).
2.3.6. Встроенный источник питания ЭОП (145).
2.4. Поколения ЭОП. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
155
2.4.1. ЭОП 0 поколения: структура, отличительные особенности,
основные параметры и характеристики (155). 2.4.2. ЭОП I поколения: структура, отличительные особенности, основные параметры
и
характеристики
(160). 2.4.3. ЭОП II поколения:
структура,
отличительные особенности, основные параметры и характеристики (169). 2.4.4. ЭОП III поколения: структура, отличительные особенности, основные параметры и характеристики (178).

Оглавление

2.4.5. ЭОП последующих поколений: структура, отличительные
особенности и ожидаемые основные параметры и характеристики (197).
2.5. Основные параметры и характеристики ЭОП . .. . . . . . . . . . . . . .
198
2.5.1. Отношение сигнал/шум ЭОП (202). 2.5.2. Чувствительность
фотокатода
ЭОП
(204).
2.5.3. Коэффициент
преобразования
ЭОП (205). 2.5.4. Яркость темнового фона ЭОП (207). 2.5.5. Предел разрешения ЭОП (208). 2.5.6. Модуль передаточной функции
ЭОП (210). 2.5.7. Ореол ЭОП (212). 2.5.8. Ресурс и надежность
ЭОП (213). 2.5.9. Другие параметры ЭОП (215).
2.6. Зависимость основных параметров ЭОП от их конструктивных параметров . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
218
2.6.1. Отношение сигнал/шум (218). 2.6.2. Пространственное разрешение и МПФ (220).

Г л а в а 3. Методика расчета дальности действия ОЭП НВ на основе ЭОП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .
228
3.1. Структура
методики
расчета
дальности
действия
ОЭП
НВ
и НУ ТВС на основе ЭОП. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
231
3.2. Методика расчета дальности действия ОЭП НВ при работе по наземным объектам. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
233
3.3. Особенности
методики
расчета
дальности
действия
ОЭП
НВ
при работе по воздушным объектам . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .
238
3.4. Методика расчета дальности действия ОЭП НВ на основе структур
«ЭОП–ПЗС» . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
238
3.5. Алгоритм проведения расчетов дальности действия ОЭП НВ на основе ЭОП . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
241
3.6. Контрольные примеры проведения оперативных инженерных расчетов . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .
241
3.7. Анализ и выявление значащих факторов . .. . . . . . . . . . . . . . . . .
265
3.8. Предпосылки к созданию систем автоматического проектирования
с использованием предложенного методического аппарата. .. . . . . .
267
3.9. Основные выводы и заключение . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
268

Список литературы . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
271

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АРЯ — автоматическая регулировка яркости
АЧТ — абсолютно черное тело
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика
ВИП — встроенный источник питания
ВКУ — видеоконтрольное устройство
ВОП — волоконно-оптическая пластина
ВОЭ — волоконно-оптический элемент
ВСУ — видеосмотровое устройство
ВУН — высоковольтный умножитель напряжения
ЕНО — естественная ночная освещенность
ИБП — ионно-барьерная пленка
ИК — инфракрасный
КВЭ — коэффициент вторичной электронной эмиссии
КМОП — комплементарный металлооксидный полупроводник
ЛКТР — линейный коэффициент теплового расширения
МДВ — метеорологическая дальность видимости
МКП — микроканальная пластина
МПФ — модуль передаточной функции
НСЦИ — нашлемная система целеуказания и индикации
НУ ТВС — низкоуровневая телевизионная система
ОНВ — очки ночного видения
ОСШ — отношение сигнал/шум
ОЭП НВ — оптико-электронный прибор ночного видения
ОЭС — отрицательное электронное сродство
ПЗС — прибор с зарядовой связью
ПНВ — прибор ночного видения
САПР — система автоматического проектирования
СЗФ — схема защиты фотокатода
УФ — ультрафиолетовый
ФПМ — функция передачи модуляции
ФЦО — фоноцелевая обстановка
ЧКХ — частотно-контрастная характеристика
ЭГФ — эпитаксиальное выращивание из газовой фазы
ЭЖФ — эпитаксиальное выращивание из жидкой фазы
ЭОП — электронно-оптический преобразователь

ВВЕДЕНИЕ

Краткая историческая справка. Резкое ограничение видимости
при наблюдении невооруженным глазом в сумерки и ночью обусловлено низким уровнем естественной ночной освещенности (ЕНО), создаваемой излучением ночного неба, звезд и других естественных источников, а также несоответствием спектральной чувствительности глаза
спектральному диапазону ЕНО. На протяжении всей истории своего
развития человек стремился стать совершеннее и видеть в темноте, как
кошка. Но осуществление этой мечты стало одной из наиболее трудных
задач, так как потребовало совершить научный прорыв в создании
техники ночного видения. Предпосылкой для создания приборов ночного видения стало открытие в XIX в. инфракрасного (ИК) излучения.
Однако первое устройство, способное «видеть» в ИК области спектра
и получившее название «стакан Холста» (рис. В.1), было создано Холстом и де Буром лишь в 1934 г. Этот момент принято считать началом
эры ночного видения.

Рис. В.1. Первый ЭОП — «стакан Холста»

Создание оптико-электронных приборов ночного видения (ОЭП НВ)
на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП) сообщило
глазу удивительные свойства. Одним из них является полная скрытность наблюдения (отсутствие оптической или лазерной подсветки),
так как оптический контакт глаза через ОЭП НВ с наблюдаемыми
объектами не оказывает физического воздействия на рассматриваемый
объект, какой бы чувствительностью глаз ни обладал. Большое раз

Введение
7

нообразие ОЭП НВ (ночные прицелы, бинокли, перископы, монокуляры, очки ночного видения и др.) обеспечивает, помимо скрытности
наблюдения ночью, еще и высокое угловое разрешение, позволяющее
вести наблюдение малоразмерных объектов на дальностях, значительно
превышающих дальность наблюдения невооруженным глазом, а также
обеспечивает высокоточное наведение оружия для попадания боеприпаса в цель и корректировку результатов стрельбы.
Однако принятые на вооружение практически всех без исключения
родов войск оптические приборы на основе первых преобразователей,
которые получили название ЭОП 0 поколения (рис. В.2), обеспечили
выполнение боевой задачи ночью только при освещенности, которая создавалась применением различного рода осветительных средств: осветительных авиабомб, осветительных снарядов и мин, осветительных
и сигнальных парашютирующих патронов и др. Поэтому применение
ОЭП НВ на основе ЭОП 0 поколения не обеспечило скрытности боевых
операций ни одной из воюющих сторон и тем самым лишило их военного преимущества ночью. Другое дело, когда одна сторона располагает
способом скрытного проведения боевых операций, а другая — нет.
Тогда все преимущества на первой стороне. Так и произошло в конце
Второй мировой войны сначала в районе озера Балатон, где немецкие
войска впервые применили ночные прицелы, а затем на японском
острове Окинава, где американские войска также применили ночные
прицелы типа «Снайперскоп», обеспечивающие скрытность и внезапность проведения операций против японских войск, не располагавших
такими средствами, что и привело к быстрой сдаче острова.

Рис. В.2. Внешний вид ЭОП 0 поколения

В послевоенные годы развитие техники ночного видения определялось созданием и совершенствованием электронно-оптических преобразователей, являющихся ключевым элементом ОЭП НВ. При этом
основное внимание уделялось разработке для ЭОП фотокатодов, волоконно-оптических элементов для входных и выходных окон, металло

Введение

керамических корпусов и катодолюминесцентных экранов, а также
элементной базы для встроенных высоковольтных источников питания (ВИП).
В результате работ, проводившихся в послевоенные годы и проводимых поныне, были достигнуты значительные успехи в совершенствовании активных ОЭП НВ за счет создания для подсветки объектов
наблюдения более мощных источников оптического излучения (прожекторов, лазерных и светодиодных источников и др.), отвечающих
спектральной чувствительности однокамерных ЭОП ранних поколений, созданных на основе кислородно-серебряно-цезиевых фотокатодов, но с более совершенными ВИП, волоконно-оптическими входными
и выходными окнами, установленными в металлокерамических корпусах. Такие ЭОП получили название ЭОП I поколения (рис. В.3).

Рис. В.3. Внешний вид ЭОП I поколения

В послевоенные годы были созданы новые активные ночные прицелы и наблюдательные приборы с характеристиками, значительно
превосходящими характеристики активных приборов ночного видения
военного времени. Учитывая большие габариты активных ОЭП НВ,
особенное внимание было обращено на оснащение данными прицелами
бронетанковой техники, что позволило в сравнительно короткие сроки
создать активные ночные прицелы для наводчика танка, а также командирские и водительские наблюдательные приборы. Позднее появились наблюдательные активные ОЭП НВ для оснащения авиационной
и военно-морской техники и вооружения.
С дальнейшим развитием электровакуумной и полупроводниковой
технологии были разработаны совершенно новые пассивные ОЭП НВ
на основе многокамерных ЭОП 0 поколения (рис. В.4) и многомодульных ЭОП I поколения (рис. В.5), открывших целую эпоху в создании
скрытных средств ночного наблюдения и прицеливания.
В 1970-х гг. были созданы совершенные пассивные ОЭП НВ на основе ЭОП с микроканальными пластинами (МКП), совершивших переворот в технике ночного видения. Поэтому не случайно 1970-е гг.

Введение
9

Рис. В.4. Внешний вид шестикамерного ЭОП 0 поколения

Рис. В.5. Внешний вид многомодульного ЭОП I поколения (а) и модуля (б),
из которого он состоит

получили название «золотой век» ночного видения, а созданным преобразователям специалисты по ночному видению дали название ЭОП
II поколения (рис. В.6).
По-прежнему основные требования к параметрам и характеристикам ЭОП и приборам на их основе определялись силовыми ведомствами как в нашей стране, так и за рубежом. Коммерческие применения
ЭОП появились только в последнее время. Специальные применения
ЭОП в приборах и системах ночного видения имели два интенсивных
направления развития.
Первое направление развития началось с середины 1970-х гг. и было связано с внедрением ЭОП II поколения. Основным элементом ЭОП
II поколения является МКП, применение которой позволило не только
снизить массу и габариты ЭОП, но и значительно ограничить эффект
блюминга, который возникает в приборах и системах ночного видения

Введение

Рис. В.6. Внешний вид ЭОП II поколения

на основе ЭОП I поколения при освещении фотокатода интенсивными
источниками оптического излучения. В ЭОП II поколения, так же как
и в ЭОП 0 и I поколений, использовались мультищелочные фотокатоды
и волоконно-оптические входные и выходные окна. Серийное освоение
ЭОП II поколения стимулировало появление десятков тысяч различных
ОЭП НВ для оснащения вооружения и военной техники. Примерно
2/3 приборов ночного видения (прицелы ночного видения, монокуляры,
приборы вождения автобронетанковой техники и другие наблюдательные системы ночного видения) были созданы на основе инверторных
ЭОП II поколения.
Оставшаяся часть, порядка 1/3 приборов, была создана на основе
ЭОП II+ поколения (с электростатической планарной фокусировкой)
(рис. В.7).

Рис. В.7. Внешний вид ЭОП II+ поколения

Введение
11

Сначала эти разработки не были столь очевидными, так как планарная конструкция, которая позволяла только значительно уменьшить
массогабаритные параметры ЭОП и существующие конструкции очков, не обеспечивала требуемого качества сформированного изображения. Только после завершения разработки высокоразрешающих МКП
и малогабаритных волоконно-оптических поворотников — «твистеров»
программа создания и серийного освоения ЭОП II+ поколения завершилась успехом. Структура бипланарного ЭОП II+ поколения приведена на рис. В.8. На основе ЭОП II+ поколения были созданы очки
ночного видения (ОНВ) с однократным увеличением для вождения
транспортных средств, прицелы ночного видения, монокуляры и другие
малогабаритные наблюдательные приборы ночного видения.

Рис. В.8. Структура бипланарного ЭОП II+ поколения

Нельзя не отметить серьезной технической проблемы, с которой
столкнулись при использовании в ранних ЭОП II поколения ключевого
элемента — микроканальной пластины (МКП), которая использовалась
в структуре преобразователя для первичного электронного усиления.
Ранние МКП обладали целым рядом существенных недостатков, которые в конце 1970-х гг. пытались преодолеть. Это, в первую очередь, долговечность, разрешение и геометрический шум. При этом
альтернативным подходом был возврат к аналогам ЭОП I поколения,
состоящим только из фотокатода и экрана. Некоторые зарубежные
фирмы инициировали разработку ЭОП II+ поколения без МКП. Эти
усилия привели к созданию преобразователей с низким коэффициентом
преобразования (100–150 раз), что привело к быстрому прекращению
данных разработок.
С начала 80-х гг. прошлого века в нашей стране и за рубежом
началась разработка следующего — третьего поколения преобразователей (рис. В.9), более успешная, чем программа создания ЭОП II
и II+ поколений. Этим объясняется повышенный интерес к данному

Введение

научному и технологическому направлению как оптико-электронных
предприятий, занимающихся разработкой и серийным освоением элементной базы ночного видения, так и предприятий, заинтересованных в оснащении своей продукции современными ночными оптикоэлектронными приборными комплексами, существенно повышающими
эффективность их применения и обеспечивающими конкурентоспособность различных видов вооружений и военной техники на внутренних
и внешних рынках.

Рис. В.9. Внешний вид ЭОП III поколения

Рис. В.10. Внешний вид ЭОП III+ поколения

В начале 1990-х гг. из всех предприятий, специализирующихся
на разработке и серийном производстве современных ЭОП, только
две американские фирмы: «ITT Night Vision» и «Litton Electro-Optical
Systems» (в настоящее время «L-3 Communication»), освоили серийный
выпуск ЭОП III поколения. К этому времени продолжались работы
по созданию отечественного ЭОП III поколения. С 1986 г. в НИИ элек