Темрява протягом тисячоліть була одним із природних обмежень людини.
Уночі зменшувалася видимість, ускладнювалася навігація, спостереження та робота з технікою. Для військових це було особливо важливо: той, хто міг ефективно діяти в темряві, отримував величезну перевагу.
Сьогодні прилад нічного бачення здається майже звичайною частиною військового спорядження. Монокуляри, бінокуляри та окуляри нічного бачення встановлюють на шоломи, використовують зі зброєю, на транспорті та різних спостережних системах.
Але шлях до сучасного ПНБ був дуже довгим.
Від перших громіздких інфрачервоних систем до компактних Gen 3, білого фосфору, цифрових сенсорів та панорамних окулярів пройшло менше ста років.
Історія нічного бачення - це фактично історія постійної боротьби з одним питанням:
як зробити так, щоб людина могла бачити тоді, коли її очі вже майже нічого не бачать?
Що таке прилад нічного бачення?
Прилад нічного бачення, або ПНБ, - це оптична система, яка дозволяє отримувати зображення в умовах дуже слабкого освітлення.
Але тут є важливий нюанс.
Класичний ПНБ не «бачить у повній темряві» в буквальному сенсі.
Його основне завдання - підсилити дуже слабке доступне світло. Це може бути світло Місяця, зірок або навіть слабке розсіяне міське освітлення.
Класичний електронно-оптичний перетворювач перетворює фотони на електрони, підсилює їхню кількість, а потім знову перетворює отриманий сигнал на видиме зображення.
Саме тому через традиційний ПНБ можна бачити в умовах, де людському оку вже майже нічого не видно. IEEE Technology Navigator
Це принципово відрізняється від роботи тепловізора.
Тепловізор не потребує видимого світла - він реєструє інфрачервоне випромінювання, яке випромінюють об'єкти залежно від їхньої температури.
Тому ПНБ і тепловізор - це не одне й те саме, хоча обидві технології дозволяють отримувати зображення вночі.
Хто придумав нічне бачення?
На це питання немає однієї правильної відповіді.
І це одна з найцікавіших особливостей історії ПНБ.
Сучасна технологія виникла не завдяки одному винахіднику, а в результаті розвитку кількох напрямків електроніки, оптики та інфрачервоних технологій.
Ще у 1929 році угорський інженер і фізик Кальман Тіханьї створив інфрачутливу електронну телевізійну систему для британських військових потреб. Це був один із ранніх важливих кроків до електронного бачення в умовах, недоступних звичайному людському оку. smithsonianmag.com
У 1930-х роках продовжувався розвиток електронно-оптичних перетворювачів та інфрачутливих систем.
А вже напередодні Другої світової війни технологія почала переходити від лабораторних експериментів до військового застосування.
Саме війна стала величезним прискорювачем розвитку нічного бачення.
Перше покоління: нічне бачення Другої світової війни
Перші практичні військові системи нічного бачення з'явилися наприкінці 1930-х і під час Другої світової війни.
Найвідомішими стали німецькі системи, які встановлювалися, зокрема, на танки Panther.
Однією з таких систем був Sperber FG 1250.
Вона використовувала інфрачервоний прожектор, який освітлював місцевість невидимим для людського ока інфрачервоним світлом. Спеціальний електронно-оптичний перетворювач дозволяв отримувати зображення цього освітленого простору.
Проблема була очевидною: обладнання було великим.
Потрібні були не тільки прилад спостереження, але й потужне джерело інфрачервоного освітлення.
Тому перші системи нічного бачення були зовсім не схожі на сучасний монокуляр, який можна прикріпити до шолома.
Це були великі, складні та важкі комплекси.
США також розробляли власні системи. Під час Другої світової війни американські військові використовували інфрачервоні приціли M1 та M3 Sniperscope. Вони також працювали за принципом активного інфрачервоного освітлення. HISTORY TV Denmark
Чому перше нічне бачення було не таким, як сучасне?
Сучасний ПНБ часто асоціюється з характерним зеленим зображенням.
Але ранні системи працювали інакше.
Їм потрібно було активно освітлювати об'єкт інфрачервоним світлом.
Для свого часу це було величезним технологічним проривом.
Але одночасно це створювало серйозний недолік.
Інфрачервоний прожектор, хоча й невидимий для людського ока, міг бути виявлений противником, який мав відповідне обладнання.
Тобто система дозволяла бачити вночі, але водночас могла видавати позицію того, хто нею користувався.
Наступний великий етап розвитку ПНБ був спрямований саме на вирішення цієї проблеми.
Від активного до пасивного нічного бачення
Наступний прорив стався тоді, коли інженери навчилися ефективно підсилювати вже наявне світло.
Місячне світло, світло зірок та інші слабкі джерела освітлення могли бути достатніми для формування зображення.
Більше не потрібно було постійно підсвічувати ціль інфрачервоним прожектором.
Так з'явилася концепція пасивного нічного бачення.
Саме вона стала фундаментом сучасних електронно-оптичних приладів.
У 1960-х роках з'явилися перші практичні системи, які використовували залишкове природне освітлення замість активного ІЧ-прожектора. Такі системи отримали популярну назву starlight scopes - «зоряні» приціли. smithsonianmag.com
Gen 1 - перше покоління пасивного ПНБ
Так з'явилося те, що сьогодні ретроспективно називають Generation 1.
Перші пасивні системи були значно компактнішими за своїх попередників, але все ще мали суттєві обмеження.
Вони:
- потребували хоча б мінімального рівня освітлення;
- мали відносно невисоку чутливість;
- могли давати спотворення по краях зображення;
- були досить великими;
- поступалися сучасним системам за якістю картинки.
Але принципово важливим було інше.
ПНБ перестав бути просто камерою з інфрачервоним прожектором.
Він почав використовувати саме те світло, яке вже існувало навколо.
Це зробило технологію значно практичнішою.
Gen 2 - мікроканальна пластина
Наступний великий стрибок стався у 1970-х роках.
Ключовою технологією стала мікроканальна пластина - Microchannel Plate, або MCP.
Це надзвичайно важливий компонент електронно-оптичного перетворювача.
Спрощено процес можна описати так:
- світло потрапляє на фотокатод;
- фотокатод перетворює фотони на електрони;
- електрони потрапляють у мікроканальну пластину;
- MCP багаторазово збільшує кількість електронів;
- електрони потрапляють на екран із люмінофором;
- виникає значно яскравіше видиме зображення.
Мікроканальна пластина дозволила отримати значно більший коефіцієнт підсилення без необхідності використовувати кілька послідовних трубок.
У результаті ПНБ стали компактнішими, легшими та значно ефективнішими в умовах слабкого освітлення. nightvision.com.au
Це був один із ключових моментів у переході від раннього нічного бачення до сучасної концепції.
Gen 3 - арсенід галію
Наступним великим кроком стала третя генерація.
Однією з головних технологічних змін стало використання фотокатодів на основі арсеніду галію - GaAs.
Цей матеріал дозволив значно підвищити чутливість системи до слабкого світла.
Разом з розвитком MCP та інших компонентів це дозволило отримати набагато кращу роботу в умовах дуже низької освітленості.
Сучасні Gen 3 системи можуть мати фотокатоди GaAs і використовуються у високопродуктивних військових монокулярах та окулярах нічного бачення. Наприклад, специфікація сучасного PVS-14 Gen 3 прямо вказує GaAs як тип фотокатода. atncorp.com
Важливо також розуміти, що напис «Gen 3» сам по собі не описує абсолютно всі характеристики конкретного приладу.
Якість зображення залежить від конкретної трубки, її характеристик, оптики, рівня шумів, роздільної здатності, співвідношення сигнал/шум та інших параметрів.
Тому два прилади з написом Gen 3 можуть помітно відрізнятися.
Що таке auto-gating?
У сучасних системах нічного бачення можна зустріти термін auto-gated.
Це технологія автоматичного регулювання роботи електронно-оптичного перетворювача залежно від рівня освітлення.
Її особливо важливою робить ситуація, коли користувач швидко переходить між дуже темною ділянкою та яскравим джерелом світла.
Auto-gating допомагає контролювати роботу трубки та швидко адаптуватися до змін освітлення.
Тому сучасний ПНБ - це вже не просто «підсилювач світла», а складна електронно-оптична система.
Чому ПНБ зелені?
Характерний зелений колір нічного бачення став настільки відомим, що фактично перетворився на культурний символ.
Але зелений колір - це не колір самого нічного світу.
Він виникає через люмінофорний екран електронно-оптичного перетворювача.
Традиційні системи використовували зелені люмінофори, зокрема P-43.
Причина не тільки в традиції.
Людське око дуже добре розрізняє відтінки зеленого, тому такий формат зображення добре підходить для роботи в темряві. nvdevices.com
Але з часом з'явилася інша концепція.
Білий фосфор - чому сучасний ПНБ може бути чорно-білим?
Сьогодні можна зустріти прилади з White Phosphor, або білим фосфором.
Замість традиційного зеленого люмінофора використовується інший тип екрану, який формує зображення в чорно-білій гамі.
Це не означає, що всередині знаходиться принципово інший тип ПНБ.
Змінюється передусім спосіб відображення отриманого сигналу.
Білий фосфор може давати зображення, яке багато користувачів сприймають як більш природне та контрастне. Особливо це може бути помітно під час тривалого спостереження. nvdevices.com
Тому сьогодні можна зустріти як традиційний green phosphor, так і white phosphor.
Чи можна побачити в повній темряві?
Ось тут є один із найпоширеніших міфів про ПНБ.
Класичний прилад нічного бачення потребує хоча б певної кількості фотонів.
Якщо навколо абсолютно немає світла, підсилювати просто нічого.
У таких умовах може використовуватися інфрачервоний підсвічувач.
Для людського ока його світло невидиме, але сенсор або електронно-оптична трубка ПНБ його сприймає.
Тому ПНБ може працювати навіть у дуже темному середовищі - але це вже буде використання активного інфрачервоного освітлення.
ПНБ і тепловізор - у чому різниця?
Ці технології часто плутають, хоча працюють вони принципово по-різному.
ПНБ підсилює слабке світло.
Тепловізор реєструє теплове випромінювання.
Це створює дуже різний характер зображення.
Через ПНБ людина може бачити сцену приблизно так, як вона виглядала б при денному світлі - тільки значно темніше та з характерним зеленим або білим відтінком.
Тепловізор показує насамперед різницю температур.
Саме тому тепловізор може дуже добре виявляти теплі об'єкти навіть тоді, коли видимого світла практично немає.
Водночас ПНБ часто краще передає дрібні деталі та структуру сцени, особливо за хороших умов освітлення.
Саме тому ці технології не стільки конкурують, скільки доповнюють одна одну.
Цифрове нічне бачення
Паралельно з розвитком електронно-оптичних трубок розвивався інший напрямок - цифрове нічне бачення.
Тут замість традиційного вакуумного електронно-оптичного перетворювача використовується високочутливий цифровий сенсор.
Фактично принцип стає ближчим до цифрової камери:
світло → сенсор → цифровий сигнал → обробка → дисплей.
Сучасні високочутливі CMOS-сенсори можуть працювати при дуже низькому рівні освітлення, а цифрова обробка відкриває можливості, яких немає у класичного аналогового ПНБ. IEEE Technology Navigator
Наприклад:
- запис відео;
- передача зображення;
- цифрове збільшення;
- накладання додаткової інформації;
- інтеграція з іншими сенсорами;
- програмна обробка зображення.
Але цифрові системи не просто «кращі за аналогові».
У дуже слабкому освітленні високоякісні Gen 3 системи все ще мають серйозні переваги.
Тому аналогове та цифрове нічне бачення продовжують розвиватися паралельно.
Чотири трубки замість двох: панорамне нічне бачення
Еволюція ПНБ відбувається не тільки всередині самої трубки.
Інженери працюють і над тим, як людина бачить навколишній простір.
Звичайні бінокулярні системи використовують дві трубки - по одній на кожне око.
Але існують і панорамні системи з чотирма трубками.
Відомий приклад - GPNVG-18.
Дві центральні трубки формують основне зображення, а дві додаткові розширюють поле зору в боки.
Таким чином оператор отримує значно ширше поле зору, ніж у традиційних бінокулярних систем.
Це особливо цікаво для ситуацій, де важливо не тільки добре бачити перед собою, але й швидко контролювати простір навколо.
Як ПНБ змінив війну
Мабуть, найважливішою частиною історії нічного бачення є не сама технологія.
А те, як вона змінила спосіб ведення бойових дій.
Коли військові отримали можливість ефективно бачити вночі, темрява перестала бути настільки сильним природним обмеженням.
Нічні операції стали більш організованими.
З'явилися нові можливості для:
- спостереження;
- розвідки;
- навігації;
- роботи піхоти;
- використання техніки;
- авіації;
- спеціальних операцій.
Особливо добре переваги сучасного нічного бачення проявилися під час війни в Перській затоці 1991 року. Американські війська широко використовували нічні системи, отримуючи значну перевагу в умовах темряви. smithsonianmag.com
Фактично відбулася зміна самої ролі ночі на полі бою.
ПНБ у сучасній війні
У сучасній війні нічне бачення вже не є екзотичною технологією.
Воно стало частиною цілого комплексу систем, які дозволяють військовим діяти незалежно від часу доби.
Особливого значення це набуло у війні в Україні.
Нічне спостереження, переміщення підрозділів, робота екіпажів, розвідка та інші завдання дедалі більше залежать від здатності отримувати інформацію про навколишнє середовище в умовах обмеженої видимості.
При цьому ПНБ вже не існує окремо від інших сенсорів.
Поруч працюють тепловізори, цифрові камери, лазерні далекоміри, навігаційні системи та інші електронні засоби.
І це, можливо, найважливіша тенденція сучасного розвитку.
Від приладу нічного бачення до системи нічного бачення
Якщо подивитися на всю історію технології, можна побачити цікаву закономірність.
Спочатку завдання було дуже простим:
дати людині можливість бачити в темряві.
Потім потрібно було зробити систему:
- меншою;
- легшою;
- чутливішою;
- надійнішою;
- менш помітною для противника.
Потім з'явилося питання якості зображення.
Потім - ширини поля зору.
А сьогодні виникає зовсім інше питання:
що ще система може показати людині, крім звичайного зображення?
Яким буде майбутнє нічного бачення?
Найцікавіший напрямок розвитку - об'єднання різних технологій.
ПНБ може працювати разом із тепловізором.
Цифровий сенсор може аналізувати отримане зображення.
Система може додавати навігаційну інформацію.
На дисплеї можна потенційно поєднувати дані від кількох сенсорів.
Тобто майбутнє може належати не окремому «приладу нічного бачення», а інтегрованій системі бачення.
Умовно кажучи, наступним етапом еволюції може стати не просто здатність бачити в темряві, а здатність отримувати значно більше інформації про навколишнє середовище, ніж дозволяє людське око.
Від громіздкого приладу до високотехнологічної системи
Історія нічного бачення добре показує, як військові технології можуть змінюватися за кілька поколінь.
Перші системи часів Другої світової війни були величезними, важкими та вимагали потужного інфрачервоного освітлення.
Потім з'явилися пасивні системи, які навчилися використовувати світло зірок і Місяця.
Gen 2 приніс мікроканальні пластини.
Gen 3 - значно чутливіші фотокатоди та арсенід галію.
Потім з'явилися білий фосфор, auto-gating, цифрові сенсори та панорамні системи.
І сьогодні прилад нічного бачення вже давно перестав бути просто способом «бачити вночі».
Це складна система спостереження, яка поступово стає частиною значно більшої цифрової екосистеми військового спорядження.
За менш ніж сто років технологія пройшла шлях від величезного інфрачервоного прожектора на військовій техніці до компактного приладу, який можна встановити на шолом.
І цілком можливо, що наступний етап цієї еволюції буде вже не про те, як бачити в темряві, а про те, скільки додаткової інформації людина зможе отримувати через власну систему бачення.
Історія ручної гранати: від перших глиняних глечиків до 3D-друкованих скидів із БПЛА
Еволюція FPV на фронті: від цивільного хобі до технологічної революції
Що подарувати командиру або офіцеру - ідеї подарунків для військового
Що подарувати військовому: 15 ідей подарунків, які справді оцінять
Що таке MOLLE і як ця система змінила військове спорядження
