Noktowizory i wzmacniacze optyczne klasyfikowane są na podstawie generacji zastosowanych w nich przetworników optoelektronicznych. Generacje POE określają konstrukcyjne różnice pomiędzy kolejnymi produkowanymi przetwornikami. W nomenklaturze krajów zachodnich nie istnieje podział na klasyczne noktowizory i wzmacniacze optyczne. Noktowizory określane są tam mianem: wzmacniaczy optycznych generacji zero.

Każdy przetwornik optoelektroniczny posiada kilka bardzo ważnych parametrów, które określają jego walory:

- Rozdzielczość przetwornika wyrażona jest w liniach na milimetr i określa ostrość obrazu widzianego przez noktowizor. Rozdzielczość badana jest na podstawie testu amerykańskich sił powietrznych z 1951 roku (test USAF 1951). Z punktu widzenia zastosowań wojskowych jest to najistotniejszy parametr noktowizora.

- Przetworniki OE posiadają wzmocnienie własne światła szczątkowego. Wzmocnienie systemowe określone jest w lumenach na lumen.

- Również istotnym parametrem przetwornika OE jest czas życia. Przetworniki OE nie są bowiem wieczne i pewne elementy w nich ulegają stopniowo wyczerpaniu.

- Parametrem, który niewątpliwie najlepiej charakteryzuje działanie przetwornika jest stosunek sygnału do szumu (ang.: Signal to Noise Ratio - SNR).

- Zniekształcenia obrazu.

Generacja 0

Opracowana w roku 1926 przez John'a Logie'ego Baird'a. Generacja zero wymagała zastosowania promiennika podczerwieni do oświetlenia obserwowanego celu. Bez podświetlenia podczerwienią wzmacniacz generacji zero nic nie widział. Zasięg "widzenia" zależny był jedynie od mocy reflektora IR.

W przetworniku tym, zogniskowany przez obiektyw, foton pada na fotokatodę S-1 i wybija elektron. Elektron zostaje przyśpieszony różnicą potencjałów (20 kV), następnie zostaje zogniskowany przez soczewkę elektrostatyczną i skierowany na ekran elektroluminescencyjny fosforowy. Tak oto bliska podczerwień zostaje przetworzona na światło widzialne.

Parametry przetwornika gen 0:

Fotokatoda: S-1 o czułości 60 uA/lm;

Materiał fotokatody: Srebro, Cez

Napięcie zasilające POE: 20 kV;

Wzmocnienie własne: 0 ;

Sygnał/Szum (SNR): brak danych

Rozdzielczość: około 20 lp/mm

Czas życia: około 1000 godzin;

Generacja 1

Generacja opracowana na początku lat 60, całkowicie wyparła z użycia klasyczne noktowizory. Przetworniki OE gen. 1 stały się pierwszymi, całkowicie pasywnymi wzmacniaczami optycznymi. Pojedynczy przetwornik gen. 1 umożliwiał już zadowalającą, pasywną obserwację podczas pełni księżyca. Przetwornik gen. 1 różni się od gen. 0 jedynie lepszą fotokatodą S-20 o wyższej czułości. Amerykańskie lampy dodatkowo posiadały jeszcze ekrany obrazowo dowodowe wejścia i wyjścia, stosowane w celu poprawy rozdzielczości.

Obecnie stosowane, dobre przetworniki gen. 1 posiadają wzmocnienie max ok. 5000X. W celu podniesienia wzmocnienia układu przetworniki łączono w kaskady, maksymalnie trójstopniowe (cztero stopniowa kaskada, wprowadzała zbyt dużo zniekształceń obrazu). Kaskadowe wzmacniacze wojskowe osiągały wzmocnienia rzędu nawet 40000-50000x. Wadą systemu kaskadowego jest zwiększenie szumu przetwornika. Przykładem takich wzmacniaczy, są rosyjskie konstrukcje: PPN3, NSP3, 1PN58, NSPU.

Zdjęcia przetworników

Parametry przetwornika gen 1:

Fotokatoda: S-20 o czułości do 180 uA/lm;

Materiał fotokatody: Sód, Potas, Cez, Antymon;

Napięcie zasilające POE: 20kV

Wzmocnienie własne: do max. 5000 razy (średnio 1000 razy);

Sygnał/Szum: około 8/1

Rozdzielczość: dochodząca do 28 lp/mm

Czas życia: 1500 godzin;

Generacja 2

Generacja 2 została opracowana w połowie lat 70. Najważniejszą (wręcz rewolucyjną) modyfikacją wprowadzoną w przetwornikach gen 2, było wykorzystanie w nich płytek mikro kanałowych (Micro channel plate - MCP). Wykonana z dielektryka płytka MCP pod mikroskopem wygląda jak plaster miodu. Płytka mikro kanałowa, jak sama nazwa wskazuje, posiada mikro kanały przechodzące przez płytkę "na wylot". Kanały o średnicy około 10 um (odległość między osiami kanałów wynosi średnio 15 um) "wierci się" wykorzystując metodę fotolitograficzną. Płytki MCP wykonuje się w kształcie koła o średnicy 18 i 25 mm. Płytki MCP posiadają od 2 mln do max. 6,34 mln kanałów.

No dobrze, ale po co to, można zapytać?

Płytka mikro kanałowa odpowiada w przetworniku OE za zwielokrotnienie elektronów. Więcej elektronów w przetworniku OE - większe wzmocnienie systemowe. Dzięki zastosowaniu płytki MCP wzmocnienie w przetworniku generacji 2 może sięgać aż 50000x. Tak duże wzmocnienie zapewnia poprawną pracę w bezksiężycową noc.

Dodatkowo w przetworniku gen. 2 wprowadzono fotokatodę S-25 o czułości sięgające około 280 uA/lm (obecnie więcej). Jak widać na rysunkach powyżej i poniżej, przetworniki gen 2 wykonuje się na dwa sposoby.

Pierwszy z nich zakłada wykorzystanie soczewki elektrostatycznej, wykorzystywanej w przetwornikach gen 0 i 1. W takim przetworniku płytka mikro kanałowa umieszczona jest zaraz przy ekranie fosforowym.

Drugi rodzaj wykonania zakłada bardzo bliskie osadzenie (tuż koło siebie) fotokatody, płytki MCP i ekranu. Wzmacniacz o takiej konstrukcji nosi nazwę wzmacniacza z podwójnym ogniskowaniem. Taka konstrukcja przetwornika wymaga zastosowania światłowodowych (obrazowodowych) inwerterów (ang. fibre optic twisters). Niewielkie wymiary gabarytowe przetwornika (zwłaszcza fakt osadzenia MCP w odległości kilkudziesięciu mikronów od fotokatody) umożliwia zmniejszenie napięcia zasilającego do wartości jedynie 100 V. Dodatkową zaletą wzmacniacza z podwójnym ogniskowaniem jest wysoka trwałość mechaniczna konstrukcji. Niestety, konstrukcja przetwornika z podwójnym ogniskowaniem ma pewną znaczącą wadę: jest nią duża podatność na uszkodzenie płytki MCP, większa niż w układzie z ogniskowanie elektrostatycznym. Częściowo ten problem jest rozwiązywany przez pokrywanie płytki MCP od strony wejściowej cienką warstwą tlenku aluminium lub stosowanie kanałów o niewielkiej krzywiźnie. Pokrywanie wejściowej strony MCP warstwą tlenku aluminium (w zachodniej nomenklaturze określa się taką warstwę ochronną jako: ion film, powszechnie stosowane w układach gen 3, ma również pewien mankament - zmniejsza rozdzielczość przetwornika optoelektronicznego. Ten problem udało się usunąć w przyrządach gen 4.

Zdjęcia przetworników

A teraz warto by omówić jak działa płytka MCP.

W przetworniku 2 generacji uwolniony z fotokatody elektron wnika do jednego z milionów kanałów płytki MCP. Do płytki doprowadzone jest napięcie do 1kV, co powoduje, że w dielektryku powstaje ładunek związany. Istnieje wielkie prawdopodobieństwo, że elektron przechodząc przez kanał uderzy w jego ścianę boczną o słabo przewodzącej charakterystyce. Jeżeli tak się stanie, elektron wybije dodatkowe elektrony wtórne - tzw. elektrony Augera (czytaj orze - jest to zjawisko generacji nośników energii w wyniku rekombinacji niepromienistej). Elektrony wtórne będą przez dalszą długość kanału wybijać kolejne elektrony, a te kolejne i tak dalej. Przyrost elektronów następować będzie w ciągu geometrycznym. Jak można się domyślać, wzmocnienie płyty mikro kanałowej zależy od potencjału przyłożonego do elektrod płyty oraz od stosunku długości kanałów do ich średnicy.

Parametry przetwornika gen 2:

Fotokatoda: S-25 (początkowo o czułości 280 uA/lm);

Materiał fotokatody: brak danych;

Napięcie zasilające POE: 6 kV

Wzmocnienie własne: 50000 razy;

Sygnał/Szum: około 14/1

Rozdzielczość: dochodząca do 40 lp/mm

Czas życia: 2500 (obecnie 4000) godzin;

Generacja 3

Zdjęcia przetworników

Uważa się, że generacja 3 została opracowana we wczesnych latach 90 (moim zdaniem nie jest to prawdą, ponieważ już w wewnętrznym piśmie Ludowego Wojska Polskiego - Wojskowy Przegląd Zagraniczny - datowanym na Wrzesień 84 roku wystąpiła wzmianka o noktowizorach posiadających cechy 3 gen. W artykule mówiono o wprowadzaniu tych urządzeń na wyposażenie wojsk NATO "od kilku lat" co może sugerować, że 3 gen jest jeszcze starsza). Najważniejszą modyfikacją w stosunku do gen 2 jest wprowadzenie nowoczesnej fotokatody zbudowanej z fundamentalnego dla współczesnej optoelektroniki związku arsenku galu (GaAs). Fotokatoda GaAs charakteryzuje się ogromną czułością - aż do 1800 uA/lm (wersja OMNIBUS V). Fotokatoda z arsenku galu pracuje w zakresie od 450 nm do 950 nm. Warto zaznaczyć tutaj, że promieniowanie nieba w nocy jest szczególnie bogate w podczerwień w zakresie 900-950 nm. Przetwornik 3 generacji korzysta więc z naturalnego emitera podczerwieni, do rozświetlenia mroków nocy. Wszystkie przetworniki 3 gen dodatkowo posiadają specjalną warstwę tlenku aluminium (ion film), który chroni płytkę MCP przed nadmiernym zużyciem. Jak widać na rysunku powyżej, poza tą modyfikacją przetwornik gen 3 jest niemal identyczny z przetwornikiem gen 2.

Parametry przetwornika gen 3:

Fotokatoda: GaAs o czułości do 1800 uA/lm;

Materiał fotokatody: Arsenek Galu;

Napięcie zasilające POE: 6kV

Wzmocnienie własne: do 60000 razy;

Sygnał/Szum: 21/1 (wersja OMNIBUS V)

Rozdzielczość: dochodząca do 55 lp/mm (w wersji OMNIBUS V do 64 lp/mm)

Czas życia: 10000 godzin;

Generacja 4

Generacja 4 została opracowana w roku 2001 w firmie Litton Electro Optical Systems (głównym dostawcy optoelektroniki dla armii amerykańskiej). Powyższe dwa zdjęcia przedstawiają (odpowiednio od lewej) obraz noktowizora generacji 3 oraz obraz noktowizora generacji 4 podczas bardzo ciemnej, bezksiężycowej nocy przy zachmurzonym niebie. Generacja 4 to w rzeczywistości bardzo sprytna przeróbka generacji 3. W generacji 4 usunięto film jonowy (tlenek aluminium) przeznaczony do ochrony przetwornika przed nadmiernym zużyciem. Spowodowało to znaczące zwiększenie wzmocnienia systemowego i rozdzielczości. Jak widać na powyższych zdjęciach, przetwornik generacji 4 umożliwia zadowalającą pracę nawet przy skrajnie niskim poziomie oświetlenia (zachmurzone niebo i dżungla). Jednak usunięcie film jonowego powoduje zmniejszenie czasu życia przetwornika. Obecne normy wojskowe wymagają aby przetwornik działał minimum 10000 godzin. W celu przedłużenie czasu działania przetworników bez filmów jonowych wprowadzono technikę zasilania impulsowego (energy gating - "bramowanie" energii). Technika "bramowania" energii zakłada zasilanie przetwornika sygnałem okresowym, prostokątnym, o bardzo krótkim okresie (rzędu nanosekund). Taka technika zasilania powoduje przedłużenie czasu życia przetwornika i, co ciekawe, dynamiczne zwiększenie rozdzielczości optycznej przyrządu oraz uodpornienie przetwornika na oślepienie światłem (gen 4 świetnie sprawdza się w operacjach w terenie zurbanizowanym. Wzmacniaczem optycznym 4 generacji można bardzo komfortowo obserwować np.: światła samochodu, latarnię, jasno oświetloną ulicę itp.

Generacja 2 HD (high definition)

Jest to modyfikacja przetworników generacji 2 zakładająca wytwarzanie niedrogich przetworników OE o wysokich rozdzielczościach, w które mogliby być wyposażani zwykli żołnierze. Standardowo rozdzielczość przetworników gen 2 HD sięga 64 lp/mm.

---