Presentation is loading. Please wait.

Presentation is loading. Please wait.

1 5 OPTOELEKTRONICKÉ PRÍSTROJE PRE POZOROVANIE V NOCI 5.1 Vznik a vývoj prístrojov pre nočné pozorovanie Prvý výkonný nočný osvetľovací systém bol daný.

Similar presentations


Presentation on theme: "1 5 OPTOELEKTRONICKÉ PRÍSTROJE PRE POZOROVANIE V NOCI 5.1 Vznik a vývoj prístrojov pre nočné pozorovanie Prvý výkonný nočný osvetľovací systém bol daný."— Presentation transcript:

1 1 5 OPTOELEKTRONICKÉ PRÍSTROJE PRE POZOROVANIE V NOCI 5.1 Vznik a vývoj prístrojov pre nočné pozorovanie Prvý výkonný nočný osvetľovací systém bol daný do prevádzky už v roku 1698 ako maják v Eddyson Rocku v Spojených Štátoch. Bol to ale klasický osvetľovací systém, kde každý videl zdroj a pôvod svetla aj osvetlený objekt. Okrídlená veta „vidieť a byť videný" tak dosiahla svojho naplnenia. Vidieť a byť videný je veľmi výhodné najmä pre civilné účely, ale veľmi nevýhodné pre účely policajné a armádne. Bola to práve armáda, ktorá začala vyvíjať systémy nočného videnia a svoju vedúcu úlohu si zachovala v tomto smere dodnes.

2 2 Prielom v jej snažení nastal okolo roku 1936, keď bol v USA zavedený do prevádzky prvý aktívny infračervený osvetľovací systém, využívajúci striebornú fotokatódu. Tento systém bol z dnešného pohľadu veľký a primitívny, ale v dobe svojho vzniku predstavoval mimoriadnu vojenskú výhodu. Aktívny infračervený systém bol založený na osvetľovaní cieľa infračerveným svetlom, ktoré ľudské oko nevidí. Bol používaný v niektorých krajinách až do 80 rokov. Hlavnou nevýhodou tohto systému bola skutočnosť, že vyžadoval mohutný zdroj infračerveného svetla.

3 3 Dosah systému a jeho výkonnosť závisel len na použitom svetelnom zdroji. Vojenské použitie potom ovplyvňovala skutočnosť, že pokiaľ začali obe strany používať tento systém (a v tej dobe iné k dispozícii neboli), obe strany prezrádzali svoju polohu, vedeli o sebe, výhoda „vidieť v noci a nebyť videný" zanikla. Zdroj infračerveného svetla bol vyradený a často í s jeho obsluhou. Táto generácia prístrojov pre nočné pozorovanie sa nazýva generácia nula (GEN 0), v súčasnosti sa táto generácia už nepoužíva. Generácia 0 sa už ani nevyrába. Prístroje sú veľké, nepohodlné, ťažké a nepraktické.

4 4 Preto ďalším, logickým krokom vo vývoji systémov nočného videnia sa stali zosilňovače zostatkového svetla, ktoré k svojej činnosti už nepotrebovali externý zdroj infračerveného svetla. Pretože systém nepotrebuje zdroj externého svetla, nazýva sa tento systém poloaktívnym systémom nočného videnia. Základný princíp spočíva vtom, že medzi objektív a okulár je vložený Elektro Optický Menič (EOM), pozostávajúci z fotokatódy, násobiča elektrónov a obrazovky z fosforu. Toto základné usporiadanie zostalo zachované prakticky až dodnes, ale menila sa technologická stránka - inovácia EOM. Podľa kvality EOM a jeho prevedenia sa vžilo aj označenie pre jednotlivé EOM a ich zaradenie podľa generácií, a to G1, G2 a G3 (prípadne aj medzistupne G1 + a G2+). Pre úplnosť a presnosť je treba uviesť, že EOM generácia I. nevyužíva ešte zosilňovač svetla vo forme kanálikov, ale kaskádové zoradenie fotokatód a fosforových obrazoviek.

5 5 5.2 Charakteristika a rozdelenie prístrojov pre nočné videnie Prístroje pre pozorovanie v noci, či všeobecnejšie povedané za zníženej viditeľnosti, sa delia na prístroje zosilňujúce zvyškové osvetlenie a na prístroje snímajúce tepelné žiarenie. Prístroje pre pozorovanie v noci na princípe zosilnenia zvyškového osvetlenia nazývame noktovízormi, či nočnými ďalekohľadmi, infraďalekohľadmi, niekedy aj prostriedkami „ I 2 “ (Image Intensifier - obrazový zosilňovač). Pôvodne boli vyvinuté pre vojenský nočný prieskum a používali rôzne spôsoby pre znásobenie zvyškového osvetlenia. V súčasnosti našli veľké využitie u polície, súkromných bezpečnostných služieb, požiarnikov, záchranárov a priemyslového monitorovania pri nízkom osvetlení. Zosilňovače zvyškového osvetlenia predstavujú jednu z dvoch techník umožňujúcich nočné videnie.

6 6 Prvú skupinu prístrojov na nočné pozorovanie predstavujú elektronicko-optické zariadenia, ktoré sa skladajú z objektívu, okuláru a z elektronickej časti, ktorá zosilňuje svetlo a nachádza sa medzi objektívom a okulárom. Obyčajne stačí svetlo mesiaca alebo svetlo hviezd. Prístroje poslednej generácie sú schopné si poradiť aj s veľmi nízkou úrovňou okolitého svetla, stačí im len svetlo hviezd, ktoré sú zakryté mrakmi. V praxi to znamená, že pokiaľ sme schopní rozlíšiť, kde je obloha a kde je les, potom pomocou prístroja pre nočné videnie budeme vidieť skoro ako vo dne. Ak je úplná tma, ako je napríklad v podzemnej garáži bez osvetlenia, aj tam je možné pozorovanie a to pomocou osvetlenia, malého svetlometu, ktorý je väčšinou pevne pripojený na pozorovací prístroj a vyžaruje infračervené svetlo, ktoré je ľudským okom neviditeľné.

7 7 Pozn. : Často dochádza k nesprávnemu pomenovaniu všetkých prístrojov pre nočné videnie ako „infrák“, čo nie je správne, pretože poznáme aj prístroje pre nočné videnie určené na pozorovanie v noci využívajúce infračervené vyžarovanie pozorovaného objektu. Pre názornosť a význam použitia prístrojov pre pozorovanie v noci si uvedieme orientačný dosah pozorovania voľným okom s jednotlivými typmi prístrojov pre nočné videnie za rozličných svetelných podmienok.

8 8 Tabuľka č. 1. Dosah jednotlivých generácií prístrojov pre nočné pozorovanie za rozličných svetelných podmienok.

9 9 Druhú skupinu prístrojov pre nočné pozorovanie tvoria prístroje pracujúce na princípe termálneho (infračerveného) zobrazovania. Na rozdiel od zosilňovačov osvetlenia zobrazujú teda inú časť, iné vlnové dĺžky elektromagnetického žiarenia - tepelné žiarenie. To je pozorovanými objektmi skôr vyžarované, než je od nich odrážané. Obr. 5.1 Na obraze z termovízie vidí pozorovateľ tepelné žiarenie (presnejšie časť jeho spektra) vyžarované pozorovanými objektmi

10 10 Na rozdiel od zosilňovačov svetla pracujú na inom princípe. Majú však oproti nim rad výhod. Neovplyvňuje ich do takej miery sneh, hmla ani dym. Ich nevýhodou je vyššia hmotnosť a nutnosť chladenia (tekutým dusíkom, stlačeným vzduchom). Umožňujú bez akýchkoľvek vonkajších demaskujúcich príznakov pozorovať cieľovú oblasť, často sa používajú namontované na optických zameriavačoch strelných zbraní. Táto skupina optoelektronických prostriedkov pre nočné pozorovanie bola vyvinutá podstatne neskôr. Je založená na princípe snímania tepelného žiarenia (termovízia). Pozorovacie prístroje o hmotnosti cca 300 gramov umožňujú ľahké nosenie a poskytujú dostatočný výkon. Skontrolovať strážené úseky v noci a bez použitia svetlometov je ďaleko bezpečnejšie a menej rizikové. Použitie prístrojov pre nočné videnie znižuje riziká kontaktu s cudzou osobou a z toho vyplývajúci stret. Jednou z výhod je aj možnosť pripojenia prístroja pre nočné videnie na fotoaparát alebo videokameru.

11 11 Pojem „noktovízie“ (prostriedok pre videnie v noci) by správne mal zahrňovať obe tieto techniky. V praxi sa ale pojem noktovízia používa väčšinou len pre prístroje zosilňujúce zvyškové osvetlenie, preto názvoslovie budeme používať i v tejto kapitole. Je to dané nielen historicky, ale i tým, že termovízia nevytvára, tak ako zosilňovače zvyškového osvetlenia, klasický obraz pozorovanej scény vo viditeľnej, či jej veľmi blízkej oblasti svetelného žiarenia. Ide už o celkom iný druh vnímania okolia, než na aký je ľudské oko zvyknuté. Použitie termovízie má naviac svoje opodstatnenie i vo dne.

12 Noktovízory Charakteristické parametre noktovízorov Rozdiel v jednotlivých generáciách prístrojov pre nočné pozorovanie je najmä v nasledujúcich parametroch: minimálna doba životnosti EOM, maximálne zosilnenie EOM, maximálna spektrálna citlivosť, pracovný dosah.

13 13 Maximálne zosilnenie EOM U prístrojov pre nočné videnie rozoznávame dva druhy zosilnenia. Jednak zosilnenie samotného EOM, ktoré udáva ako kvalitný je samotný EOM, t.j. koľkokrát zosilní vstupné svetlo (typické hodnoty G II krát, G III až krát). Druhým číslom je zosilnenie samotného prístroja (typické hodnoty G II 3000 krát, G III 3500 krát). Toto číslo je menšie a ukazuje, ako sú kvalitné jednotlivé komponenty, (hlavne optická časť), z ktorých je celý prístroj zostavený. Pokiaľ máme možnosť, voľme prístroj s čo najväčším zosilnením.

14 14 Pomer signál/šum pri minimálnej úrovni osvetlenia Čím je väčší tento pomer, tým je prístroj lepší. Čím je pomer väčší, tým je výstupný obraz kvalitnejší, tým je obraz lepší pri nízkej úrovni osvetlenia a tým je lepšie prenesený silný signál zo vstupu na výstup (typické hodnoty G II 4,5:1; G III 16:1). Rozlišovacia schopnosť (počet čiar na mm) Záporom väčšieho zväčšenia je zúženie zorného poľa, musíme pri pozorovaní potom viac „pohybovať prístrojom" zo strany na stranu, aby sme videli celý pozorovaný úsek. (typické hodnoty G II čiar/mm, G III čiar/mm).

15 15 Citlivosť katódy Udáva sa v mikroampéroch na lumen (µA/lm). Tento parameter udáva, ako kvalitne bude prevedený prúd fotónov na prúd elektrónov a je kmitočtovo závislý. Čím je hodnota vyššia, tým lepšie. (Typické hodnoty G II 450 uA/lm, G III 1200 uA/lm). Najväčším výrobcom EOM generácií GEN I, GEN I+ je Rusko. Generáciu GEN II a GEN II+ vyrábajú Rusko i USA. Prístroje GEN II+ a GEN III používajú len EOM z USA a väčšinou je to kvalitná vojenská výroba. Podrobnejšie základné parametre prístrojov pre nočné pozorovanie sú uvedené v nasledujúcej tabuľke.

16 16 Tabuľka č.2.

17 Noktovízory I. generácie (GEN I.) Generácie noktovízorov GEN I až GEN III majú už rozmery, veľkosť a hmotnosť v podstate rovnakú. To čím sa líšia tieto prístroje sú vlastnosti EOM. Obrázok nočného videnia GEN I je za dostatočného zvyšného osvetlenia vynikajúci a je tiež dostatočne kontrastný. Ak ale opustíme mesto a pozorujeme okolie v dostatočne tmavom prostredí (napríklad v noci v lese pod stromami), výkon prístrojov GEN I prudko poklesne. Zosilnenie je všeobecne slabé. Ďalším charakteristickým rysom je veľké skreslenie obrazu. Prístroje GEN I pre dostatočnú činnosť v noci potrebujú prisvietenie. Väčšina prístrojov GEN I má preto vstavaný infračervený žiarič.

18 18 Po jeho zapnutí dochádza k zvýšeniu úrovne jasu (spôsobí značné zlepšenie pozorovaného obrazu). Čím je infračervený žiarič výkonnejší - tým je výsledok lepší. Infračervené žiariče sa obvykle dodávajú s výkonom 10 mW, 20mW a 35 mW. Najviac ručných prístrojov typu GEN I má vstavaný žiarič s výkonom 10 mW. Moderné prístroje GEN I sú „príjemne malé“ do ruky a sú najlacnejšie zo všetkých prístrojov nočného videnia. Výkonovo sa vyrovnajú, alebo dokonca predbehnú tzv. „nočné“ ďalekohľady o priemere vstupnej šošovky mm.

19 19 Príkladom prístroja GEN I je prístroj DEDAL HANDY. Je to malý prístroj, ktorý sa dá schovať do dlane jednej ruky. Má vstavaný infračervený žiarič o výkone 10 mW a má dosah do vzdialenosti približne 100 metrov, ale je použiteľný približne do vzdialenosti 50 m, podľa vonkajšieho osvetlenia. Napájaný je dvoma článkami AAA. Tento stroj je ideálny do podmienok, kde je dostatok zvyšného osvetlenia, kde má aj obraz vynikajúci. Je vhodný do mesta, menej vhodný je do prírody (menší dosah).

20 20 Zosilňovač I. generácie si môžeme zjednodušene predstaviť ako valec na vstupe i na výstupe zakončený sklom a vyčerpaný na vysoké vákuum. Na vnútornú plochu skla na vstupnej strane je naparená tenká kovová vrstva, ktorá tvorí fotokatódu. Na výstupnej strane, tiež na vnútornú plochu, je nanesená iná tenká vrstva tvoriaca anódu a fluorescenčné tienidlo zároveň. Medzi katódu a anódu je privedené vysoké napätie, ktoré vytvára polovodičový napäťový menič napájaný z batérií. Elektróny sú síce v trubici priťahované silným spádom elektrického potenciálu k anóde, ale prekonanie výstupnej práce elektrónov z fotokatódy to však nezaistí.

21 21 Vlastná činnosť zosilňovača I. generácie je založená na tom, že svetelné kvantá prechádzajúce zo zdroja zvyškového osvetlenia scény (napr. hviezdy) sa odrážajú od predmetov scény, dopadajú na objektív a sú ním nasmerované na fotokatódu. Pri dopade tieto svetelné fotóny vyrážajú z fotokatódy elektróny. Presnejšie povedané, energia fotónov sa využije na výstupnej práci elektrónu a prípadný prebytok na počiatočnú kinetickú energiu elektrónu. Emisia elektrónov nie je teda závislá len na intenzite dopadajúceho svetla, ale aj na jeho vlnovej dĺžke. Vlnová dĺžka X (m) totiž určuje energiu fotónov E f :

22 22 hPlanckova konštantah = 6, Js crýchlosť svetla vo vákuu c = ms -1 Aby došlo k emisii elektrónov, musí byť energia dopadajúceho fotónu väčšia alebo rovná výstupnej práci elektrónu E v. Preto sa výrobcovia snažia u novších generácií noktovízorov vyvinúť fotokatódy s čo najmenšou vstupnou prácou elektrónov a tak rozšíriť citlivosť noktovízorov smerom do dlhších vínových dĺžok, pri ktorých majú fotóny nižšiu energiu.

23 23 Elektróny, ktoré opustili fotokatódu sú potom silným spádom elektrického potenciálu priťahované k anóde. Vďaka vákuu nestrácajú smer a rýchlosť a pri dopade na anódu (fluorescenčné tienidlo) je ich kinetická energia už mnohonásobne vyššia ako energia dopadnutých svetelných fotónov (vlastný proces zosilnenia). Na fluorescenčnom tienidle sa táto kinetická energia mení na energiu svetielkovania fluorescenčnej látky v mieste dopadu. Ďalšie nevyhnutné detaily, ako pomocné fokusačné elektródy a pod., nie sú už pre základnú predstavu o činnosti najnevyhnutnejšími.

24 24 Ako je vidieť z princípu, výsledný obraz je monochromatický, ale nie čiernobiely. Je žltozelenej farby, pretože používaný fluorescenčný materiál anódy máva vrchol emisie pri vlnovej dĺžke 560 nm, čo je aj blízko vrcholu spektrálnej citlivosti ľudského oka. Pokiaľ je obraz snímaný kamerou, nastavujú sa u nej farby väčšinou tak, že výsledný obraz je čiernobiely. Pre väčšie zosilnenie sa napríklad u zameriavacích nočných ďalekohľadov môžeme stretnúť s dvomi či tromi násobičmi (zosilňovačmi) zoradenými za sebou. Svetelné prostriedky prvej generácie pracujú dobre pri mesačnom svite. Svetelné zosilnenia a rozlíšenia sú všeobecne horšie. Celý obraz býva skreslený a neobsahuje veľa detailov. Citlivosť je síce dobrá v oblasti viditeľného spektra, ale dosť zlá v blízkej infračervenej oblasti. Pre prácu v tejto oblasti už potrebujú silnejší zdroj osvetlenia, obyčajne prídavný infračervený žiarič.

25 25 Ten je potrebný pri nedostatočnom osvetlení pozorovanej scény, napríklad v uzavretých priestoroch alebo i pri zatiahnutej oblohe. Pri umelom osvetlení scény infračerveným žiaričom sa potom často hovorí o aktívnej noktovízii. Ľudskému oku neviditeľné infračervené žiarenie je ale samozrejme neprehliadnuteľné inými noktovízormi. Prostriedky I. generácie možno odporučiť pre výstražnú detekciu (napr. pre ochranu objektov, sledovanie pohybu po pozemku), ale už dosť obmedzene pre sledovanie, prieskumné pozorovanie a pod.

26 26 GENERÁCIA 1+ (GEN 1+) predstavuje technologické vylepšenie, z čoho plynie, že niektoré parametre prístroja sú lepšie. Charakteristickým rysom prístrojov GEN I a GEN 1+ je skutočnosť, že po vypnutí napájania pracujú po obmedzenú dobu ďalej, majú určitú zotrvačnosť. Toto je tiež jediná charakteristika prístrojov GEN I a GEN l+, podľa ktorej môžete určiť o akú generáciu sa jedná. Tieto prístroje, vďaka zotrvačnosti EOM, nemajú automatickú reguláciu jasu. Znamená to, že prudké denné svetlo alebo v noci prudké bodové svetlo (napr. svetlo automobilu) môže nenávratne poškodiť EOM.

27 Noktovízory II. generácie (GEN II.) Medzi generáciou II. a generáciou I. je veľký vývojový skok. Všetky parametre prístroja GEN II sú mimoriadne vylepšené. Obraz je kontrastný, jasný, bez podstatného optického skreslenia. Zosilnenie EOM je oveľa vyššie a preto je i dosah väčší. Vďaka veľkému zosilneniu prístrojov GEN II niektorí ich výrobcovia nedodávajú štandardne k prístroju infračervený žiarič. Stred citlivosti sa posunul ďalej smerom k infračervenému pásmu, na zhruba nm.

28 28 Zosilňovač prostriedkov II. generácie sa skladá z fotokatódy, mikrokanálikovej doštičky a anódového fluorescenčného tienidla. Fotokatóda je z materiálov citlivejších ako vo viditeľnej, tak hlavne v blízkej infračervenej oblasti spektra než u prístrojov I. generácie. Zásadnou zmenou je však mikrokanáliková doštička, ktorá obsahuje vysoký počet priečnych (zorientovaných v smere od katódy k anóde), krátkych, úzkych a veľmi tenkostenných kanálikov. Špeciálny vnútorný povrch kanálikov sa vyznačuje vysokým stupňom sekundárnej emisie elektrónov a materiál kanálikov má aj vhodnú veľkosť merného elektrického odporu. Na koncoch kanálikov sú elektródy. Vyššie elektrické napätie medzi katódou a anódou je tak rovnomerne rozdelené po celej dĺžke každého kanálika.

29 29 Vlastná činnosť zosilňovača II. alebo III. generácie: Elektrón, vyrazený z fotokatódy dopadnutým fotónom, je vťahovaný a urýchľovaný spádom elektrického potenciálu do kanálikov. Tu dopadá na jeho stenu a vďaka svojej kinetickej energii a predovšetkým vysokému stupňu sekundárnej emisie povrchu vyráža z tohoto povrchu značný počet elektrónov. Tieto elektróny sú potom stále pokračujúcim spádom elektrického potenciálu urýchľované v pozdĺžnom smere kanálika, ale vzhľadom k tomu, že pri opustení povrchu majú aj priečnu zložku pohybu, skôr ako by mohli doraziť ku koncu kanáliku, narazia na jeho steny a celý proces sa opakuje. Počet elektrónov, ktoré potom vyletia z konca kanáliku a dopadnú na fosforové tienidlo je potom zhruba 105 krát väčší ako počet elektrónov, ktoré do kanáliku vleteli, tomu potom zodpovedá aj výsledné zosilnenie obrazu. Fluorescenčný obraz vytvorený na tienidle potom pozorujeme pomocou okuláru rovnako ako u prostriedkov I. generácie.

30 30 Svetelné zosilnenie u prostriedkov II. generácie je dobré a rozlíšenie omnoho lepšie ako u I. generácie. Skreslenie je obyčajne celkom malé a detaily obrazu sú ostré. Citlivosť je vo viditeľnej oblasti dobrá, ale s prechodom do blízkej infračervenej oblasti sa zhoršuje. V súčasnosti sú zrejme najrozšírenejšie. Dajú sa odporučiť ako pre výstražnú detekciu (hliadkovanie), tak aj pre sledovanie a prieskumné pozorovanie. GENERÁCIA GEN II+ je rozšírená a vylepšená verzia GEN II. Stred citlivosti sa posunul ešte ďalej k infračervenému pásmu (infračervené pásmo leží v rozsahu 700 nm nm, viditeľné svetlo je v pásme nm). V súčasnosti sú prístroje GEN II+ najlepšou voľbou z hľadiska pomeru cena/výkon. Prístrojom GEN II a GEN II+ nerobí žiadny problém rozoznať osobu dokonca aj v noci, v lese, pod stromami na vzdialenosť m.

31 31 Generácia GEN II má oproti GEN I tú veľkú výhodu, že vie „vyrovnávať" jas pozorovanej scény. Znamená to, že vďaka automatickej regulácii jasu je vidieť rovnako osvetlenú časť, povedzme, mestského parku (osvetlená mesiacom alebo hviezdami), tak i časť parku v tieni. EOM je už podstatne rýchlejší a rýchlejšie reaguje na meniace sa svetelné podmienky. Automatická regulácia jasu už dokáže dostatočne rýchlo stlmiť jas pri prudkej zmene svetelných podmienok.

32 32 Predstaviteľom prístrojov GEN II je špičkový prístroj DEDAL 200. Tento prístroj patrí do kategórie profesionálnych prístrojov, má výborné parametre, vynikajúci obraz a kontrast. Je to prístroj vyrábaný pre vojenské účely. Prístroj je ťažší (okolo 700 gramov), je to spôsobené kvalitným vysoko svetelným objektívom o zväčšení 2,3 krát, alebo 3,6 krát, podľa použitého druhu objektívu. Prístroj je tiež vybavený najvýkonnejším infračerveným vyžarovačom o výkone 35 mW s dosahom viac ako 350 metrov. V spojení s EOM generácie GEN II+ to zaručuje, že dokáže pracovať v tých najzložitejších svetelných podmienkach. Umožňuje rozoznávať osobu až do vzdialenosti cca 1 km.

33 Noktovízory III. generácie (GEN III.) Zloženie noktovízorov III. generácie aj princíp ich činnosti je rovnaký ako u noktorvízorov II. generácie. Generácia III predstavuje ďalšie technologické vylepšenie. (www.ittnightvision.com, Oproti GEN II je generácia III pokrokovejšia, ale už nie v takom rozsahu ako GEN II oproti GEN I. Generácia III sa vyznačuje vylepšenou fotokatódou (ktorá určuje, koľko fotónov sa premení na elektróny a akej optickej dĺžky) a použitím nových materiálov a technológií. To umožnilo posunúť stred citlivosti fotokatódy ďalej do infračervenej oblasti svetelného spektra. GEN III umožňuje vidieť aj pri extrémne nízkej úrovni osvetlenia. Obraz pozorovaný prístrojom GEN III sa už podobá kvalitnej čiernobielej televízii (obraz je ale zelený, tak ako u všetkých prístrojov nočného videnia). Obraz má vysoký kontrast, veľké zosilnenie a je bez optických distorzií. Posun stredu citlivosti ďalej do infračervenej oblasti opäť zvýšil kvalitu obrazu.

34 34 Zosilňovače III. generácie mávajú dokonalejšie kanálikové doštičky. Hlavný rozdiel oproti prostriedkom II. generácie však spočíva v dokonalejších materiáloch (GaAs) pre fotokatódy, majúcich menšiu výstupnú prácu elektrónov. Vďaka tomu sú zosilňovače III. generácie dosť citlivé aj v oblasti dlhších vlnových dĺžok a efektívne tak využívajú širšej oblasti svetelného spektra. Preto napríklad aj pri rovnakej hodnote maximálneho zosilnenia uspokojivo pracujú často i vtedy, keď zosilňovače II. generácie už nepostačujú. Často výrobcovia dodávajú prístroje v rovnakom obale (puzdre) rôznych generácií (rôzne kvality EOM) a teda rôzne ceny. Voľným okom tento rozdiel nemožno rozoznať, preto je nevyhnutné pri výbere prístroja na túto skutočnosť dávať pozor.

35 35 Svetelné zosilnenie prostriedkov III. generácie je vynikajúce - pracujú dobre i v najtmavších nociach. Rozlíšenie je tiež vynikajúce a skreslenie je viditeľné len v spojení s precíznym vybavením. Aby sme využili tieto kvality, je potrebné použiť kamkordéry aspoň Hi-8, S-VHS(-C) alebo najlepšie s digitálnym formátom záznamu miniDV. Citlivosť je vo viditeľnej oblasti spektra výborná a i v blízkej infračervenej oblasti dobre vyhovuje. Svetelná úroveň v luxoch Obr. 5.2 Závislosť videnia (snímania) na intenzite zvyškového osvetlenia

36 36 Vlnová dĺžka v nanometroch Obr. 5.3 Snímanie oblasti vlnových dĺžok

37 37 Prečo je snaha u prístrojov pre nočné videnie posunúť pozorovanú oblasť ďalej do oblasti infračervenej ?  Je to z toho dôvodu, že kvôli spektrálnemu rozsahu viditeľného svetla ( nm) je ľudské oko najcitlivejšie práve na túto oblasť. S úbytkom okolitého osvetlenia stráca ľudské oko schopnosť vnímať obraz dopadajúcich fotónov na očnú sietnicu čiže lúče nie sú schopné vybudiť nervový signál. Ak sme ale v teréne v noci, okolité svetlo sa skladá práve zo svetla v infračervenej oblasti. Toto svetlo má svoj zdroj vo svetle hviezd a v odrazenom svetle mesiaca. Na toto infračervené svetlo, ktorého je v noci najviac však ľudské oko už nereaguje, nevidí ho, preto sa snažia prístroje pre nočné videnie využívať práve toto svetlo.

38 Použitie noktovízorov Veľké a výkonné prístroje pre pozorovanie v noci na princípe zosilnenia zvyškového osvetlenia sa používajú napríklad u leteckých, námorných či pozemných mobilných prostriedkov bezpečnostných síl, ďalej pre stráženie objektov, v systémoch uzavretých televíznych okruhov. Najrozšírenejšie u bezpečnostných služieb sú však malé ručné noktovízory a to poväčšine s 2 okulármi a jedným alebo 2 vstupnými objektívmi. Pri uchytení na hlavu alebo helmu umožňujú užívateľovi mať voľné ruky pre obsluhu rôznej techniky a zbraní (so zbraňami jeden okulár). Používajú ich predovšetkým špeciálne jednotky rýchleho zásahu, ale i pyrotechnici, posádky vrtuľníkov a pod.

39 39 Obr. 5.4 Noktovízor s možnosťou upevnenia na hlavu

40 40 Problémom výkonných (s veľkým zväčšením) ďalekohľadov všeobecne (nielen nočných) je, že mnohonásobne zväčšujú všetko, teda i najmenšie pohyby telesa ďalekohľadu spojené s jeho držaním. To namáha oči, vyvoláva únavu i zmenšuje schopnosť rozoznávať menšie detaily. Z idúceho hliadkového automobilu, vibrujúceho vrtuľníka či z hojdajúceho sa člna by celú vec ešte zhoršilo. Preto niekoľko málo firiem ponúka aj ďalekohľady pre denné a nočné podmienky so stabilizáciou obrazu. Vo dne tieto prístroje pracujú ako klasické ručné ďalekohľady so stabilizáciou. Keď sa zotmie, tak sa jednoducho vyberú oba okuláre pre denné podmienky a nahradia sa okulármi s neveľkými násobičmi (po 100 g). Tieto ďalekohľady pracujú samozrejme i v obrátenej polohe (hore nohami) či za dažďa. Celková hmotnosť sa pritom pohybuje okolo 2 kg.

41 41 Dosť známe sú prevedenia v tvare nočného zameriavacieho ďalekohľadu na zbraň. V spojení s laserovými diaľkomermi sú dôležitou súčasťou odstreľovacích pušiek pri nočných akciách špeciálnych zásahových jednotiek. Poslednou skupinou sú špeciálne moduly - zosilňovače vhodné pre kamkordéry, kamery pre statický záznam obrazu (hlavne digitálny) či videokamery uzavretých televíznych okruhov. Často však zosilňovací modul pre niektoré typy videokamier firmy Canon (formátu Hi8 i DV- kazety Mini-DV) sa dodáva bez objektívu (či sady objektívov), rozmerného pripevňovacieho držiaku a bez vlastného zdroja. Tieto kamery majú totiž vymeniteľný objektív používajúci univerzálny bajonetový kontakt. Zosilňovací modul s bajonetovými kontaktmi na oboch stranách sa pri nočných podmienkach potom len vkladá medzi kameru a zvolený typ objektívu (vrátane zrkadlového teleobjektívu dovoľujúceho urobenie detailných záberov i z veľkého odstupu) a je napájaný akumulátorom kamery.

42 42 Pozn. : S prístrojmi pre nočné videnie sa nesmie pozorovať cez deň. Prístroje sú určené pre podmienky, kedy je okolité osvetlenie nízke, povedzme od splnu mesiaca. Keď je ale úroveň okolitého svetla vyššia, môže dôjsť k vážnemu poškodeniu EOM. Krátke vystavenie vyššej úrovni svetla môže spôsobiť výskyt dočasných čiernych škvŕn v zornom poli, ktoré však po niekoľkých dňoch odznejú. Vysoká úroveň svetla môže prístroje GEN I a GEN 1+ trvalo poškodiť, a u prístrojov GEN II, GEN II+ a GEN III môže spôsobiť zníženie zosilňovacích parametrov a skrátenie životnosti prístrojov vďaka „únave“ EOM.

43 Termovizory Druhú skupinu pozorovacích prostriedkov nočného videnia tvoria prostriedky zobrazujúce tepelné žiarenie, označované ako termovízia alebo tiež systémy FLIR (Forward Looking InfraRed). Tieto prostriedky sa začali používať omnoho neskôr, ako prostriedky zosilňujúce zvyškové osvetlenie. Termovizny systém je zariadenie poskytujúce dvojrozmerný, monochromatický alebo nepravofarebný, stacionárny alebo pohyblivý, termálny obraz objektu v rozsahu -30 až °C (v závislosti od konkrétnej technológie). Teplotná rozlišovacia schopnosť týchto zariadení dosahuje hodnoty až 0,05 °C

44 44 Termovízia zobrazuje tepelné žiarenie emitované objektmi pozorovanej scény, skôr ako od nich odrazené. Látky všetkých skupenstiev totiž vydávajú elektromagnetické, tzv. teplotné žiarenie, ktoré má pôvod v termických pohyboch ich častíc. Toto žiarenie je spojité a zahrňuje teoreticky celý spektrálny obor, na krajoch spektra je však vyžarovaná energia prakticky nulová. So zvyšovaním teploty stúpa celkové množstvo vyžiarenej energie a maximum žiarenia sa presúva do oblasti kratších vlnových dĺžok. Aj ľudské telo o teplote 37 °C vyžaruje elektromagnetickú energiu v relatívne širokom páse spektra. Termovízne prostriedky však snímajú tepelné žiarenie v oblasti bližšej ľudským predstavám o tepelnom sálaní. Snímajú ho predovšetkým v dvoch pásmach, kde je i priepustnosť atmosféry priaznivá - zhruba 2 až 5 µm a 8 až 14 µm.

45 45 Obr. 5.5 Za n í zkeho osvetlenia vid í č lovek len nezrete ľ n é tiene a sveteln é zdroje Obr. 5.6 Na termov í zii s ú najjasnej š ie objekty s vy šš ou teplotou

46 Termovízory I. generácie Infračervené tepelné žiarenie sa správa veľmi podobne ako viditeľné svetlo a môže byť opticky fokusované a zbierané. Šošovky objektívu sa však vyrábajú hlavne z germánia, pretože šošovky z klasickej sklenenej taveniny by tepelné žiarenie silno pohlcovali. Pre vlastné snímanie sa používajú rôzne vrstvené polovodičové materiály, ktorých elektrické vlastnosti sa pri ohriatí výrazne menia a umožňujú tak uskutočniť transformáciu kvanta tepelného žiarenia na elektrickú energiu, podobne ako CCD prvok vo viditeľnej oblasti. Snímajúci prvok termovízie sa však naviac chladí kvapalným dusíkom (- 195,8°C). Hlavný problém ale po dlhé roky spočíval vo vývoji vhodných materiálových štruktúr dostatočne citlivých v oblasti tepelného žiarenia.

47 47 U I. generácie termovízie sa snímací prvok skladá z len menšieho počtu elementov (zhruba 60-90) usporiadaných v rade (niekedy okolo štyroch radov vedľa seba). Obraz z objektívu je potom na tento rad snímacích elementov prostredníctvom rotujúceho zrkadla či optického hranolu premietaný postupne v jednotlivých prúžkoch. Premietanie obrazu do hľadáčika či na obrazovku termovízie musí byť samozrejme príslušne synchronizované. U niektorých termovízii s ešte menším počtom elementov sa skenovanie vykonáva dokonca v dvoch rovinách. Tieto opticko- mechanické skenovacie mechanizmy však podstatne zväčšujú rozmery, hmotnosť i výrobnú cenu termovízií.

48 48 Naviac chladiče na bázi Stirlingovho lineárneho motora používané v starších uzavretých okruhoch pre chladenie snímacích elementov sú rozmernejšie a majú väčšiu spotrebu. Preto sa u prenosných termovíznych systémov používali(-vajú) tlakové fľaše so stlačeným vzduchom, ktorý chladí pri svojom rozpínaní na základe Joulovho- Thomsonovho javu. Aj keď v súčasnosti vyrábané termovízie s opticko-mechanickým skenovaním dosahujú počtu obrazových bodov blízkeho štandardnej televízii, sú rozmerné, hmotné, majú väčšie energetické nároky a predovšetkým vyššie výrobné náklady. Používajú sa len na mobilných prostriedkoch alebo maximálne ako prenosné.

49 49 Obr. 5.7 Schéma rozkladu žiarenia pri termovízii so skenovacím mechanizmom

50 Termovízory II. Generácie Vyvinutie nových materiálových štruktúr umožnilo používanie plošnej sústavy detekčných elementov bez opticko - mechanického skenovania. Toto moderné konštrukčné usporiadanie sa teda viac podobá klasickým CCD kamerám. Veľkou miniaturizáciou a zdokonalením prešli i Stirlingove chladiče, ktorých spotreba je nižšia ako 3 Watty pri prevádzke a nižšia ako 5 Wattov pri štarte, ktorý býva kratší ako 4 minúty. Toto vyústilo v skutočne „ručné“ termovízne kamery, ktoré majú pri prijateľnom počte obrazových bodov (zhruba 250 x 250 pixelov) skutočne veľkosť do dlane („handy-cam“). Používajú (netýka sa ale všetkých typov) štandardné akumulátory pre kamkordéry, s ktorými pracujú dve aj viac hodín. Dodávajú sa často so sadou vymeniteľných objektívov, ich hmotnosť vrátane objektívu, hľadáčika a akumulátora sa pritom dostáva pod 1,5 kg. Treba ale pripomenúť, že majú síce videokonektory, ale sú to len termovízne kamery s hľadáčikom - samy obraz nezaznamenávajú.

51 Termovízory III. Generácie Snímajúci detektor termovízorov III. generácie („nechladených“) nepotrebuje chladenie na nízku teplotu (jednoduchý termoelektrický chladič ho udržuje len na izbovej teplote). (www.flir.com, Medzi objektívom a detekčnou maticou sa totiž nachádza modulátor (jednosmerný menič). Ide o disk z nepriehľadného materiálu (niekedy priehľadného, ale rozostrujúceho germánia) s výrezom v tvare Archimedovej špirály. Tento disk rotuje synchronizovane so snímaním obrazu detektorom. Každý detekčný element sústavy tak sníma v jeden okamih teplotné vyžarovanie pozorovanej scény (spolu s nežiaducim signálom od nechladených častí prístroja) a v ďalší okamih sníma len teplotné vyžarovanie modulátora - kotúča. Tento signál sa pri spracovaní odpočíta od snímanej (cez výrez modulátoru) teploty scény. Z týchto dôvodov nechladené termovízie prinášajú zjednodušenie konštrukcie, nie zvýšenie teplotného rozlíšenia.

52 52 Obr. 5.8 Termokamera so záznamovým zariadením

53 53 Technológia termovízorov III. generácie umožňuje znižovanie rozmerov, hmotnosti, spotreby energie, štartovacej doby a postupne i výrobných nákladov. Preto sa nechladené termovízie III. generácie rýchle rozširujú u bezpečnostných jednotiek. Obr. 5.9 Mechanizmus činnosti termovíznych zariadení

54 Použitie termovízorov Najstaršie využitie termovízie v bezpečnostných zložkách (napr. Polícia, vojsko,..) predstavujú termovízory na vrtuľníkoch. Tie sú umiestnené, obyčajne so spriahnutou TV kamerou, v stabilizovaných puzdrách otočných v dvoch rovinách. Tu sa využívajú predovšetkým pre pátranie po osobách v rozsiahlom teréne, pri vyhľadávaní ohnísk požiarov a pod. Termovízory pre stráženie objektov sú najideálnejšie v stacionárnom prevedení s motorickým kĺbovým držiakom s diaľkovým ovládaním smeru i zoomu (zorného uhla) a s videodetekciou pohybu. Ich obvyklý detekčný dosah je zhruba 1500 metrov.

55 55 S novými technológiami sa ďalej otvárajú celkom nové možnosti v bezpečnostnej technike. Malé ručné termokamery umožňujú i radovým bezpečnostným pracovníkom zisťovať prítomnosť osôb, napr. v mestskom parku, vyhľadávanie nimi na poslednú chvíľu odhodených predmetov, zisťovanie, ktoré auto stojace na parkovisku pred chvíľou jazdilo atd'., a to i za úplnej tmy či hmly. Významné použitie je u hraničnej polície. Pre hliadkový automobil je ale vhodnejšia strešná termovízia s motorickou hlavou, diaľkovým ovládaním z vozidla a s obrazom tiež na monitore či prepnutým na HUD vo vnútri vozidla. HUD - Head-Up Display je zariadenie, ktoré premieta obraz na polopriehľadný displej nachádzajúci sa vzornom poli človeka. Najstaršie použitie je u pilotov bojových lietadiel. U vozidiel je obraz premietaný na menšiu obdĺžnikovú plochu na čelnom skle vozidla, vzornom poli vodiča, napríklad v blízkosti vnútorného spätného zrkadla.

56 56 V tomto prípade môže bezpečnostný pracovník - vodič pri jazde v noci a zvlášť za hmly nastaviť termovíznu kameru vopred a používať termovízny obraz ako doplnkovú informáciu pre jazdu. (Vynikajúce videnie osôb, zvierat, áut s teplým motorom a pod. To všetko bez oslňovania protiidúcimi vozidlami. Celkom dobre je tiež vidieť línie vozovky, stromy atď. Zle sú vidieť diery na vozovke a pod.) Obraz môže byť samozrejme zaznamenávaný štandardným záznamovým zariadením v batožinovom priestore hliadkového vozidla. Ďalším termovíznym prístrojom je termovízny zameriavací prístroj na pušku, ktorý je už políciou bežne používaný.

57 57 Obraz s termovíziou pre bezpečnostné účely býva monochromatický - čiernobiely. To znamená, že bodom povrchu telies s vyššou teplotou sa priraďuje vyšší jas zodpovedajúceho bodu na obrazovke. Občas sa môžeme tiež stretnúť i s termovíznym obrazom nie v čiernobielom, ale vo farebnom prevedení. Ten však býva vyrobený z drahších (a tiež o niečo rozmernejších) prístrojov pre vedecké a technické účely a je určený pre meranie teploty povrchu telies.

58 58 Obr Farebné zábery termovíznej kamery pre technické použitie

59 Porovnanie noktovízorov a termovízorov Ako noktovízia, tak termovízia majú pri vzájomnom porovnávaní svoje prednosti a nedostatky. Pretože noktovízory zosilňujú mnohokrát zvyškové svetlo, majú často problémy so scénou, na ktorej sa mení úroveň osvetlenia alebo na ktorej sa objaví bodový zdroj svetla. Tieto prostriedky sú tiež závislé na dosiahnutí vizuálneho kontrastu. To znamená, že objekty podobnej farby budú spolu splývať a budú nerozlíšiteľné dokonca i keď je odrazené svetlo veľmi znásobené. Toto je naviac nebezpečné v tom, že pozorovateľ objekt (napríklad osobu), ktorého farba splýva s pozadím, nielenže nevidí, ale môže naviac nadobudnúť presvedčenie, vzhľadom k inak kvalitnému obrazu, že tam ani žiadny takýto objekt (osoba) byť nemôže.

60 60 Obr Obr á zok z noktovizie (v ľ avo) je zhor š ovan ý bodov ý mi svetlami. Na obr á zku z termov í zie (vpravo) nie s ú zdroje studen é ho svetla vidite ľ n é

61 61 Celkový dojem je lepší u noktovizie, pretože na jej obraz je ľudské vnímanie zvyknuté (klasický čiernobiely obraz tvorený prevážne odrazeným svetlom). Pre plné využitie možností termovízie je potrebný dlhší zácvik obsluhy. Noktovízory však predovšetkým poskytujú lepšiu priestorovú predstavu. Tiene nám totiž umožňujú rozpoznať tvar tváre a pod. Ale aj u termovízie určitý kontrast je. Teplotné rozlíšenie okolo 0,1 °C dobre postačuje aj na rozpoznanie stromov, kríkov, trávy, chladnejších budov či plotu. Naviac pracujú rovnako dobre i v totálnej tme, podstatne menej negatívne ich ovplyvňuje hmla a dym.

62 62 Termovíziou môžeme tiež rozpoznať osoby za slabou vrstvou lístia, za kríkmi, za tenkou fóliou či látkou. Tepelná informácia môže byť tiež využitá pre vedenie predmetov odhodených inou osobou (sú teplejšie) a k získaniu informácií o zaparkovaných vozidlách (ktoré majú ešte teplý motor) a pod. Všeobecne sú termovízory o niečo drahšie ako noktovízory. Z vyššie uvedeného porovnania je zrejmé, že ako termovízne prostriedky, tak prostriedky zosilňujúce zvyškové osvetlenie majú svoje opodstatnenie. Nástup termovízie vôbec neznamená koniec vývoja a používania noktovízie.

63 63 Použitá literatúra : - Tallo, A. a kolektiv : Technické systémy a prostriedky polície, Bratislava 2001 (čiastočne prevzatý text) - Alarm magazín 2/2003, 3/ internet Ďakujem za pozornosť


Download ppt "1 5 OPTOELEKTRONICKÉ PRÍSTROJE PRE POZOROVANIE V NOCI 5.1 Vznik a vývoj prístrojov pre nočné pozorovanie Prvý výkonný nočný osvetľovací systém bol daný."

Similar presentations


Ads by Google