Компания HikVision, занимающая ведущие позиции в мировом производстве систем видеонаблюдения, недавно обнародовала информацию о новом этапе своего развития, заключающемся в изменении бренда. В этом процессе был представлен новый бренд I-Flow, который стал результатом ребрендинга и усовершенствования известных моделей HikVision и HiWatch.
Как функционирует прибор ночного видения (ПНВ)
Приборы ночного видения предназначены для наблюдения за окружающей средой в условиях недостаточного освещения, таких как сумерки или ночь. Эти устройства особенно популярны среди охотников, так как позволяют вести скрытое наблюдение, что критически важно при охоте на крупную дичь. Рассмотрим, как устроены приборы ночного видения и какие принципы лежат в основе их работы.
Приборы ночного видения выпускаются в различных исполнениях, но при этом все они содержат следующие ключевые компоненты:
- объектив;
- приемник излучения (светового или теплового);
- устройство отображения;
- усилитель.
Приборы ночного видения с электростатической оптической системой (ЭОП)
В приборах ночного видения с электростатической оптической системой установлен приемник излучения и усилитель. В зависимости от эффективности преобразования различают три поколения таких устройств.
ПНВ ЭОП первого поколения и 1+
Работа приборов основана на принципе электростатической фокусировки. Степень усиления восходит благодаря электронно-статическому преобразователю. При этом фотоны слабого света попадают на фотокатод, что приводит к образованию ускоряющихся электронов. Их энергия увеличивается там, где возникает электрополе в камере ЭОП. Для отображения изображения используется экран с люминофорным покрытием, на который электроды, ускоренные внутри, воздействуют, вызывая свечение на определённых участках экрана и формируя тем самым изображение.
Приборы первого поколения способны усилить световую мощность до 500 раз, а уровень фоточувствительности фотокатода достигает 200 мкА/л. В условиях четверти Луны эти устройства могут обеспечивать видеонаблюдение на расстоянии до 1000 метров. Рабочий ресурс подобных приборов составляет примерно 1000 часов, после чего наблюдается снижение чувствительности преобразователя, а также яркости и контрастности изображения.
Основным преимуществом ПНВ первого поколения является их доступная стоимость. Однако они обладают некоторыми недостатками, такими как слабое усиление света и значительные искажения по краям изображения. Из-за того что корпус ЭОП выполнен из стекла, такие устройства довольно чувствительны к ударам и могут повреждаться при отдаче.
Устройства поколения 1+ используют фотокатоды с волоконно-оптической пластиной, что устраняет искажения по краю изображения. Эти модели представлены в ударопрочном металлокерамическом корпусе.
ПНВ данного поколения способны усиливать свет до 1000 раз, а фоточувствительность фотокатодов — до 350 мкА/л. При наблюдении при свете в четверть Луны возможно видение на расстоянии до 200 метров, а рабочий ресурс устройства составляет приблизительно 2000 часов.
Пользуясь такими приборами, необходимо помнить, что они не обеспечивают защиту от засветки, поэтому резкое возникновение яркого источника света в поле зрения может привести к выгоранию фотокатода и повреждению люминофорного покрытия.
ПНВ ЭОП второго поколения и 2+
При создании приборов ночного видения второго поколения используются бипланарные ЭОП, в которых отсутствует электростатическая линза. Изображение передаётся на экран напрямую с фотокатода, а свет усиливается с помощью микроканальной пластины. Это позволяет достичь усиления до 2500–3000 раз. Кроме того, приборы второго поколения не подвержены проблеме ярких вспышек света.
Однако при использовании таких устройств следует иметь в виду, что вокруг ярких источников света может возникать гало. В ПНВ второго поколения предусмотрена автоматическая регулировка яркости свечения экрана и электронная защита от зашумления фотокатода. Они обеспечивают высокое качество изображения на всей площади, без заметных искажений, что делает их подходящими для работы в условиях низкой освещенности.
Приборы второго поколения усиливают свет от 2500 до 3000 раз, чувствительность фотокатода достигает 4000 мкА/лм. В условиях четверти Луны возможно наблюдение на расстоянии до 500 метров. Рабочий ресурс устройства составляет примерно 2000 часов.
Устройства поколения 2+ обеспечивают аналогичное усиление света и чувствительность фотокатода, однако их рабочий ресурс составляет порядка 3000 часов.
Эволюция концепции
В период 1960-1970 годов приборы ночного видения первого поколения были заменены системами с электростатической фокусировкой на основе специальных линз. Несмотря на то, что эта система также оказалась ограниченной, она обеспечивала более высокое разрешение изображения и менее выделяла солдат благодаря отсутствию вспомогательной внешней ИК-подсветки. ПНВ с электростатическими линзами использовались американскими войсками успешно в ходе Вьетнамской войны.
Серьёзный прорыв в данной области произошел с изобретением микроканальных пластин, которые известны как МКП. Эти устройства представляют собой довольно узкие стеклянные пластины с множеством каналов диаметром около 10 мкм, стенки которых покрыты йодидом меди или цезия.
Каналы МКП действуют как усилитель сигналов: электроны, попадая внутрь, выбивают один или несколько вторичных электронов, которые также могут выбивать частицы со стенок канала. Таким образом, на люминофор попадает огромное количество электронов, формируя изображение.
Применение технологии микроканальных пластин позволило достигнуть выдающихся на тот момент результатов, при этом создавая также компактные устройства с коэффициентом усиления около 20000, что открыло двери для гражданского использования приборов ночного видения, включая кинооператоров, спасателей и охранные службы.
Тем не менее, это не является пределом в развитии технологий ночного видения. Необходимо отметить еще одну инновацию, которая значительно улучшила чувствительность этих устройств: применение арсенид-галлиевых фотокатодов. Это решение позволяет детализированное различие объектов при освещенности на уровне 10 микролюкс, что позволяет приборам работать даже в безлунную глубокую ночь, покрытую облачностью.
Общий принцип работы ПНВ
После того как мы углубились во многие аспекты истории ПНВ, стоит более детально рассмотреть их внутреннее устройство. В их основе лежит система, способная воспринимать излучение из невидимой части спектра (например, ультрафиолетового или инфракрасного) и преобразовывать его в видимое изображение; также может быть случай, когда улавливается очень слабый уровень видимого излучения, который усиливается до границы, в которой человеческий глаз способен его различить. Эта функциональная часть называется электронно-оптическим преобразователем.
Излучение от объекта, наблюдаемого через прибор ночного видения, сначала попадает на объектив, который проецирует его на фотокатод. В результате этого на поверхности фотокатода начинается эмиссия электронов, где интенсивность этого процесса зависит от яркости проецируемого изображения.
Электроны, выбрасываемые с поверхности фотокатода, попадают в усилитель. В современных моделях эту функцию выполняет микроканальная пластина (МКП), в каналах которой количество электронов, движущихся к люминофору, увеличивается в сотни тысяч раз. Затем эти электроны направляются на люминофорный экран, где формируют конечное изображение.
Хотя схема работы достаточно проста, может возникнуть вопрос: что делать в условиях, когда освещенность настолько низкая, что прибор не сможет уловить излучение и преобразовать его в чёткое изображение? В подобных ситуациях многие приборы ночного видения дополнительно оснащены инфракрасной подсветкой, которая предоставляет необходимое излучение и позволяет разглядеть детали в полной темноте.
Особенности камер ночного видеонаблюдения
Камеры ночного видеонаблюдения обладают несколькими уникальными характеристиками, позволяющими им функционировать в условиях недостаточной освещенности:
- Модели оснащены встроенными инфракрасными светодиодами, которые создают инфракрасное освещение, позволяя камере записывать видео даже при полном отсутствии света;
- Камеры обладают высокой чувствительностью к свету, благодаря чему могут получать яркие изображения даже при низком освещении. Это достигается за счёт крупных фоточувствительных элементов (CCD или CMOS) и оптимизации электроники;
- В большинстве моделей используются объективы с большой апертурой, что позволяет им собирать больше света и улучшать качество изображения в условиях темноты;
- Некоторые модели также имеют функции цифрового улучшения изображения, включая шумоподавление, повышение контрастности и яркости, а также устранение размытия;
- Многие камеры отличаются высоким разрешением, что способствует получению четких и детализированных изображений в любое время суток;
- Некоторые устройства оснащены функциями видеонаблюдения, которые автоматически обнаруживают движение, распознают лица или фиксируют другие события в записанном видео;
- Многие модели спроектированы для работы в сложных погодных условиях и имеют защиту от воды, влаги, пыли и песка.
Какова дальность видимости камер видеонаблюдения в ночное время
Дальность видимости камер ночного видеонаблюдения определяется мощностью инфракрасных светодиодов, характеристиками самой камеры и внешними условиями освещенности. В среднем, камеры могут обеспечить видимость на расстоянии от 15 до 30 метров в полной темноте. Профессиональные модели способны видеть на расстоянии до 60 метров и более.
На рынке представлены несколько типов камер ночного видеонаблюдения:
- Уличные камеры: предназначены для установки на открытых пространствах и обладают повышенной защитой от неблагоприятных погодных условий;
- Купольные камеры: имеют защитное стекло и оптический зазор, что повышает их устойчивость к различным видам повреждений;
- Поворотные камеры: предлагают возможность поворота и наклона, что позволяет охватывать более широкую область для наблюдения.
Как функционирует ЭОП
Если не углубляться в технические аспекты, ЭОП можно описать как вакуумный фотоэлектронный прибор, который аналогичен радиолампе, такой как кинескоп старого телевизора, однако представляет собой более компактное устройство. Он состоит из фотокатода, умножителя электронных потоков и анода, покрытого люминофором, который проецирует изображение наблюдаемого объекта.
Для его функционирования требуется источник высокого напряжения, который трансформирует низкое напряжение аккумулятора в необходимые для работы величины – от 4 до 5 тысяч вольт.
Из внутренней части аппарата, где располагаются фотокатод и люминофор, откачивается воздух, позволяя создать вакуум, который предотвращает взаимодействие молекул воздуха с потоками электронов. Далее представлена последовательность его работы:
- Слабый свет попадает в объектив.
- Оптика направляет световые лучи на фотокатод, где под действием света происходят выбросы электронов — чем ярче свет, тем больше электронов освобождается.
- Обеспеченное высоким напряжением электрическое поле ускоряет электроны, придавая им дополнительную энергию.
- Усилившийся поток електронов достигает люминофорного катода, который под их воздействием начинает светиться, и его яркость пропорциональна количеству и энергии этих электронов.
- В результате всего этого на экране формируется многократно усиленное изображение объекта, который попал в фокус.
Цвет изображения чаще всего зелёный, что связано с технологией, используемой в производстве люминофора, его характеристиками и химическим составом. Кроме того, зеленый цвет комфортнее воспринимается глазом и менее утомляет. В более современных устройствах последнего поколения изображение может быть черно-белым и обладать высокой детализацией.
Поколения ЭОП
В зависимости от используемой технологии ЭОП специалисты классифицируют приборы ночного видения на различные поколения. Эта классификация условная и связана с прогрессом в технологиях. В то время как принцип действия остается постоянным, то есть усиление слабого света от маломощных источников, современные устройства делят на четыре поколения. Каждое из них, кроме нулевого, независимо развивается и совершенствуется. Модели с улучшенными характеристиками базового поколения обозначаются знаком плюс.
Нулевое поколение
Это самые первые ЭОП, которые основывались на принципе так называемого «стакана Холста». Они представляют собой два полых цилиндра, вставленных друг в друга. На одной из внутренних поверхностей нанесен фотокатод, а на другой — люминофор. Изображения передаются напрямую без какого-либо усиления. Такие устройства имеют низкую чувствительность, не функционируют без подсветки и в наши дни не используются.
Хотя производство ЭОП нулевого поколения больше не осуществляется, некоторые экземпляры можно еще найти. Существуют даже наборы для самостоятельной сборки приборов ночного видения, предназначенные для подростков.
Первое и первое плюс поколение (I и I+)
Это доступные по цене типы приборов ночного видения, рассчитанные на использование на расстоянии до 100 метров, в условиях слабого освещения или с инфракрасной подсветкой. Тем не менее, у них есть ряд недостатков:
- Низкая чувствительность, при этом изображение чёткое в центре, но размытое по краям;
- Стеклянная оболочка ЭОП чувствительна к ударам, может трескаться из-за отдачи, что ограничивает использование на гладкоствольном и крупнокалиберном оружии;
- Приборы первого поколения остро реагируют на резкие перепады освещения. Яркие источники света (такие как автомобильные фары или костры) могут вызвать перегрузку изображения.
В моделях первого поколения плюс большинство недостатков устранено. Использование волоконно-оптических пластин (ВОП) почти полностью исключает размытость по краям. Современные устройства способны давать изображение с одинаковым разрешением в центре и на периферии, не подвержены точечным засветкам, а дистанция работы увеличилась до 150 метров. Корпуса таких моделей изготавливаются из металлокерамики, что позволяет им справляться с отдачей.
Второе и второе плюс поколение (II и II+)
Приборы второго поколения используют микроканальную пластину (МКП) для ускорения потока электронов, что значительно улучшает изображение. Усиление света происходит в два этапа: сначала в разгонной камере, а затем в МКП.
С развитием технологий расстояние для распознавания объектов увеличилось до 400-600 метров, при этом на дистанции 200-300 метров возможно ведение прицельного огня. ЭОП второго поколения имеют большую длину и чаще устанавливаются в прицелы ночного видения, чем в бинокли.
ЭОП поколения II+ не использует разгонную камеру, что сделало их компактнее и улучшило четкость изображения. Хотя такое устройство имеет меньший коэффициент усиления, его фотокатод обеспечивает лучшее наблюдение на открытом пространстве. ИК-подсветка этого поколения функционирует на длинах волн, не заметных для животных, и требуется лишь в полной темноте, а в помещениях с малым уровнем освещения прибор работает в пассивном режиме.
Третье и третье плюс поколение (III и III+)
Конструкция ЭОП третьего поколения схожа со второй, однако главная особенность заключается в применении фотокатода, изготовленного из арсенида галлия. Это позволяет создавать чёткое и хорошо проработанное изображение на расстоянии до 500 метров в условиях очень низкой освещенности — например, безлунной ночью, при свете звезд, при облачных погодных условиях.
Приборы третьего поколения требуют минимальных или вовсе не требуют дополнительного освещения. Это особенно ценится военными, поскольку ИК-подсветка может выдавать их местоположение. Однако охотникам эти устройства могут не всегда подходить, так как на входе отсутствует защитная оптоволоконная пластина, что создает риск бокового засвета.
Асферическая линза
Спецификация линз, используемых в объективах камер, имеет большое значение для видеонаблюдения. В стандартных объективах применяются сферические линзы, обладающие определенными недостатками. Например, конструкции, основанные на сферических линзах, занимают много пространства в корпусе камеры, ведь это не одна линза, а комплекс из нескольких — который необходим для минимизации негативных эффектов, вызванных сферической аберрацией, дифракцией, дисперсией и тому подобным.
Существует также другой тип линз — асферические. Эти линзы, в отличие от привычных сферических, могут быть различных форм — квадратной, параболической, кубической, и в зависимости от формы объектива могут обеспечить разные функциональные возможности. Это позволяет объективу обрабатывать свет из разных точек на поверхности и более точно фокусировать его, что существенно улучшает качество изображения. Асферические линзы могут эффективно использоваться в различных сценариях, в том числе при низкой освещенности. В результате использование одной асферической линзы вместо нескольких сферических позволяет уменьшить размер объектива. Более того, это решение способствует устранению проблем аберрации и повышает коэффициент светопроницаемости. Таким образом, общее качество изображения при ночной съёмке является более высоким.
Антибликовое покрытие
Свет может терять свою интенсивность, когда проходит через различные среды, частично отражаясь на границе. Специальное покрытие поверхности линз призвано снизить коэффициент отражения видимого света до менее трёх процентов. Это также усиливает антибликовый эффект в ближайшем инфракрасном диапазоне (> 700 нм). Так называемая технология многослойного антибликового покрытия позволяет максимизировать светопроницаемость линз и снизить уровень отражения света (в том числе видимого и ближнего инфракрасного) до менее 0,5%. Например, в камерах компании Hikvision, использующих технологию ColorVu, применяется широкодиапазонное антибликовое покрытие Broad-Band Anti-Reflection, что значительно улучшает характеристики линз и исключает возникновение так называемых призрачных изображений, возникающих от отражения света (например, от фар автомобилей или уличных фонарей).
