Усилители света: как электронно-оптические преобразователи позволяют видеть в кромешной темноте.
Роман Фишман
Электронное ночное зрение: как видеть в темноте

Когда закрыли дверь и выключили лампы, стало весело и немного жутко. В глухой подвал не проникал ни один луч света. «Вы просто включите, там справа, и смотрите». Мы прильнули к объективам: в полной темноте было прекрасно видно, как наш провожатый тоже смотрит в монокуляр, а далеко у противоположной стенки сидят и стоят другие люди, замершие в темноте. Так, наверное, чувствовал себя Хищник, прилетевший поохотиться и наблюдавший за беззащитными землянами, оставаясь для них невидимым — и почти неуязвимым.

«Главный принцип прибора ночного видения — это усиление и преобразование невидимого излучения в видимое глазом изображение. Если мы зайдем в действительно темный подвал, где нет совсем никаких источников света, мы не увидим ничего. Но если там найдется хотя бы немного отраженных фотонов, мы этот сигнал поймаем и усилим», — объясняет наш гид Сергей Кесаев, директор новосибирской компании «Катод». Одной из немногих в мире, умеющих делать приборы, видящие в самой беспросветной тьме.

Ночное зрение

В сетчатке наших глаз имеется примерно по 125 млн светочувствительных клеток. Они улавливают фотоны, энергия которых лежит в определенных пределах, и длина волны составляет от 380 до 770 нм, от красного до фиолетового. Глаза многих животных способны регистрировать фотоны соседних диапазонов; пчелы различают ультрафиолетовое, а змеи — инфракрасное излучение. Киношный Хищник тоже видел в ИК-диапазоне: судя по фильму, инопланетный охотник мог пользоваться тепловизором, работающим на длинах волн от 8 до 15 мкм. Но такое «хищное» зрение не синоним ночного. Даже днем теплое тело человека будет прекрасно различимо в тепловизор на фоне холодных стен. Но сам фон, температура которого примерно однородна, предстанет неразборчивой серой массой.

По счастью, с настоящей беспросветной темнотой мы практически не сталкиваемся. Отблеск фар из окна, мерцание звезд или хотя бы отcветы ночных облаков — адаптируясь к низкому освещению, наши глаза умеют различать даже единичные фотоны. Эта способность действительно впечатляет: если в стандартном офисе освещенность составляет 300−500 лк, то нижний рабочий предел зрения лежит примерно в области 0,1 лк. Приблизительно такую освещенность дает половина Луны, позволяя невооруженным глазом распознать фигуру человека на открытой местности с расстояния до 200−300 м. Жаль, что, когда фотонов по‑настоящему мало, этого не хватает: стоит облакам затянуть ночное небо, как мы становимся почти слепы. Но немного света остается даже в самом сердце тьмы — надо лишь научиться его улавливать и усиливать.

Самые чувствительные этапы сборки ЭОП на «Катоде» производятся на уникальной автоматизированной линии, внутри которой поддерживается сверхвысокий вакуум.

Поколение 0

Усиления практически нет

Первую концепцию электронно-оптического преобразователя (ЭОП) предложили в 1928 году Холст, Де Бур и их коллеги по компании Philips. Конструкция, вошедшая в историю под названием стакана Холста, действительно похожа на два вложенных друг в друга стакана, между которыми создан вакуум. На дно внешнего нанесен серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод, который под действием падающего ИК-излучения выбрасывает электроны. На дно внутреннего стакана наносится слой люминофора. Между ними создается разность потенциалов в несколько киловольт, и электроны, вылетающие из фотокатода, ускоряются и бомбардируют экран, заставляя его люминесцировать.

Простая идея оказалась непростой в исполнении; только в 1934 году стакан Холста заработал, и человек впервые обрел способность видеть в темноте. Уже через несколько лет компания EMI наладила производство таких приборов для нужд британской армии, работы над собственными аналогами начались в Германии и США. В Советском Союзе ими занимались «вакуумщики» Всесоюзного электротехнического института Петр Тимофеев и Вячеслав Архангельский, а также будущие академики Сергей Вавилов и Александр Лебедев из ленинградского Государственного оптического института. В 1939 году командованию Красной армии были продемонстрированы первые прототипы приборов ночного видения (ПНВ).

В сердце прибора ночного видения — электронно-оптический преобразователь

Ко времени Второй мировой стакан Холста заметно усовершенствовался, и между «донышками» появились фокусирующие электроды, которые повышали резкость изображения. Все это особенно пригодилось вермахту в последние годы войны, когда союзники завоевали полное превосходство в воздухе, практически парализовав дневное движение немецких войск и вынудив танковые колонны пробираться на позиции по ночам. Однако такие ЭОП могли лишь нащупать свет в темноте, но не усилить его. Чтобы что-нибудь различить, им требовалась помощь осветительных авиабомб или мощных инфракрасных прожекторов — тяжелых, прожорливых и демаскирующих. Это лишало ПНВ главной фишки, возможности скрытного действия, поэтому за исключением нескольких удачных применений — в частности, немецкими войсками в боях у озера Балатон или американцами на Окинаве — массового распространения они еще не получили.

Поколения 1 и 1+

Усиление: 100−1000 раз. Рабочая освещенность: 0,01 лк (четверть лунного диска)

После войны ЭОП быстро совершенствовались. Низкочувствительные фотокатоды на основе Ag-O-Cs (S-1), предложенные еще в 1929 году, сменили более эффективные мультищелочные (S-20). Вместо плоского стекла на «донышке» вакуумной трубки стали размещать волоконно-оптическую шайбу. Вогнутая с одной стороны, она уменьшала искажения и повышала разрешающую способность по краям картинки. Добавление разгонной камеры позволило ускорять электроны перед попаданием на экран и добиться более высокого усиления.

Успешно удалось реализовать и задумку, которую апробировали еще в вермахте, — соединить несколько ЭОП в один каскад, один за другим. На тончайшую слюдяную пленку с одной стороны наносили фотокатод, а с другой — экран, так что изображение прямо и почти без потерь переносилось между ними. Трехкаскадные ЭОП поколения 1+ давали уже приличное усиление и достаточно четкую картинку. Американские военные применяли такие ПНВ во время Вьетнамской войны, их производство в СССР было налажено на новосибирском заводе «Экран». Разработкой новых поколений занялись инженеры и ученые открывшегося при заводе опытно-конструкторского бюро.

Поколения 2 и 2+

Усиление: 25 000−50 000 раз. Рабочая освещенность: 0,001 лк (звездное небо)

ЭОП первого поколения были тяжелы и громоздки, да и усиление давали ограниченное. Лишь в 1970-х американские разработчики нашли способ поднять его в сотни раз, используя микроканальную пластину из свинцово-силикатного стекла, «продырявленного» матрицей из миллионов каналов диаметром в несколько микрон. Расположенная между фотокатодом и экраном, она способна «выдать» сотни и даже тысячи электронов на каждый, попавший на вход пластины, резко повышая чувствительность прибора.

«Каналы расположены под небольшим углом к оси прибора, так что разогнанный электрон, влетев внутрь, почти сразу врезается в стенку и выбивает из нее несколько новых, — объясняет Сергей Кесаев. — Электрическое поле увлекает их дальше — и эти электроны в свою очередь выбивают следующие. После многократного умножения вместо одной частицы мы получаем на выходе «облако» из сотен, тысяч электронов».

Микроканальная пластина — мощный усилитель потока электронов

Впоследствии микроканальную пластину расположили прямо за фотокатодом, так что электроны преодолевали всего пару сотен микрометров, практически не расфокусируясь, и сразу влетали в ее каналы, а из них попадали прямо на экран. Это позволило отказаться от фокусирующих систем и на порядок уменьшить габариты ЭОП. На основе ЭОП поколения 2+ и были созданы компактные, высокоэффективные и удобные ПНВ, которые популярны до сих пор. Применяя более совершенные компоненты мультищелочного фотокатода, французская компания Photonis производит ЭОП этого поколения, которые успешно конкурируют с более современными и дорогими вариантами. Еще в 1990-е собственная технология производства ЭОП поколения 2+ была разработана и в новосибирском ОКБ, которое в те годы выделилось в самостоятельное предприятие. Конструкторское бюро превратилось в научно-производственную компанию «Катод» и начало собственное серийное производство.

Поколения 3 и 3+

Усиление: 45 000−100 000 раз. Рабочая освещенность: 0,0001 лк (звездное небо в облаках)

О следующем поколении заговорили в 1982 году, когда были представлены ЭОП с принципиально новым полупроводниковым фотокатодом на основе арсенида галлия (GaAs).

«Чувствительность у них сразу была в два-три раза выше, чем у мультищелочных», — добавляет Сергей Кесаев. Вдобавок такие фотокатоды обладают повышенной чувствительностью в ИК-волнах вплоть до 930 нм, а пришедший следом за ними арсенид галлия-индия (InGaAs) расширил спектральный диапазон до 1100 нм. Главной бедой таких материалов оказалась их быстрая деградация, так что первые образцы могли проработать не больше сотни часов.

ЭОП поколения 3 относятся к ключевым военным технологиям, их распространение контролируется и в США, и в России — единственных странах, способных производить такие приборы.

Дело в том, что при работе ЭОП электрическое поле ускоряет электроны с фотокатода по направлению к микроканальной пластине, а вот положительно заряженные ионы устремляются в обратном направлении, на фотокатод. Они бомбардируют активирующее покрытие фотокатода, быстро разрушая его. «Для защиты была разработана сложнейшая технология, — объясняет Сергей Кесаев. — На входную поверхность микроканальной пластины буквально натягивают сверхтонкую ионно-барьерную пленку толщиной 3−5 нм — всего несколько атомных слоев оксида алюминия. Электроны сквозь нее проходят относительно свободно, а вот более крупные положительные ионы задерживаются, как сетью».

Такие технологии доступны лишь считаным компаниям в мире — американским Exelis и L-3, российским «Геофизике-НВ» и АО «Катод». А в марте 2016 года новосибирское предприятие открыло новый цех со сверхчистыми помещениями, где могут производиться приборы поколения 3+, у которых толщина ионно-барьерной пленки снижена до 2−3 нм, так что она задерживает еще меньше электронов, повышая чувствительность ЭОП.

Будущие поколения

«Фотокатод из арсенида галлия дает примерно троекратное повышение чувствительности. Однако ионно-барьерная пленка задерживает 20−30% вылетающих из него электронов, что заметно снижает один из основных параметров ЭОП — отношение сигнал/шум, — продолжает Сергей Кесаев. — Поэтому не раз предпринимались попытки окончательно избавиться от нее, создав «беспленочные» ЭОП. Современный уровень развития науки и техники, связанный с применением более совершенных материалов и технологий, с автоматизацией производства, позволяет решить данную задачу, так что мы уже недалеки от этого шага». Впрочем, каким будет следующее поколение ЭОП, пока точно не ясно. Разные специалисты — и маркетологи, продвигающие ПНВ на рынке — по‑разному смотрят на этот вопрос. Некоторые относят к поколению 4 тонкопленочные или вовсе беспленочные инструменты, другие говорят, что даже это достижение будет лишь развитием поколения 3 и не приведет к существенному изменению конструкции. Третьи называют «полноценным» поколением 4 ЭОП, соединенные с цифровыми ПЗС- или КМОП-матрицами. Впрочем, такие уже производятся на заводе «Катод».

Статья «В сердце тьмы» опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2016).
Понравилась статья?
Подпишись на новости и будь в курсе самых интересных и полезных новостей.
Спасибо.
Мы отправили на ваш email письмо с подтверждением.