Transcript prezentácia č. 7

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.
1
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.
2
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.
3
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.
4
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 „ I2 “ (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
5
videnie.
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.
6
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.
7
Tabuľka č. 1.
Dosah jednotlivých generácií prístrojov pre nočné pozorovanie za rozličných
svetelných podmienok.
8
Druhú skupinu prístrojov pre nočné pozorovanie tvoria prístroje pracujúce na
princípe
termálneho
zosilňovačov
osvetlenia
(infračerveného)
zobrazujú
teda
zobrazovania.
inú
časť,
Na
iné
rozdiel
vlnové
od
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
9
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.
10
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.
11
5.3 Noktovízory
5.3.1 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.
12
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 50 000 - 70 000 krát, G
III až 170 000 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.
13
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 25-38 čiar/mm, G III 30-64
čiar/mm).
14
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.
15
Tabuľka č.2.
16
5.3.2
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.
17
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 56-60 mm.
18
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).
19
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.
20
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 Ef :
21
h
Planckova konštanta
h = 6,626 . 1034 Js
c
rýchlosť svetla vo vákuu
c = 3 . 108 ms-1
Aby došlo k emisii elektrónov, musí byť energia dopadajúceho fotónu
väčšia alebo rovná výstupnej práci elektrónu Ev. 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.
22
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.
23
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.
24
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.
25
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.
26
5.3.3 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 600-650 nm.
27
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.
28
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.
29
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 - 1000 nm, viditeľné svetlo je v pásme 400 - 700 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 100 -150 m.
30
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.
31
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.
32
5.3.4 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, www.littoneos.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.
33
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.
34
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
35
Vlnová dĺžka v nanometroch
Obr. 5.3 Snímanie oblasti vlnových dĺžok
36
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 (400 - 700 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.
37
5.3.5 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.
38
Obr. 5.4 Noktovízor s možnosťou upevnenia na hlavu
39
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.
40
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.
41
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.
42
5.4 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
monochromatický alebo nepravofarebný,
poskytujúce
dvojrozmerný,
stacionárny alebo pohyblivý,
termálny obraz objektu v rozsahu -30 až 2 000 °C (v závislosti od konkrétnej
technológie). Teplotná rozlišovacia schopnosť týchto zariadení dosahuje
hodnoty až 0,05 °C
43
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.
44
Obr. 5.5 Za nízkeho osvetlenia vidí človek len nezreteľné tiene a svetelné zdroje
Obr. 5.6 Na termovízii sú najjasnejšie objekty s vyššou teplotou
45
5.4.1 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.
46
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.
47
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 JoulovhoThomsonovho 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.
48
Obr. 5.7 Schéma rozkladu žiarenia pri termovízii so skenovacím mechanizmom
49
5.4.2 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.
50
5.4.3 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, www.ti.com/thermal) 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.
51
Obr. 5.8 Termokamera so záznamovým zariadením
52
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
53
5.4.4
Použitie termovízorov
Najstaršie využitie termovízie v bezpečnostných zložkách (napr. Polícia,
vojsko,..) predstavujú termovízory na vrtuľníkoch.
obyčajne
so
spriahnutou
Tie
sú
umiestnené,
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.
54
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.
55
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.
56
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.
57
Obr. 5.10 Farebné zábery termovíznej kamery pre technické použitie
58
5.5 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.
59
Obr. 5.11 Obrázok z noktovizie (vľavo) je zhoršovaný bodovými svetlami.
Na obrázku z termovízie (vpravo) nie sú zdroje studeného svetla viditeľné
60
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.
61
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.
62
Ďakujem za pozornosť
Použitá literatúra :
-Tallo, A. a kolektiv : Technické systémy a prostriedky polície,
Bratislava 2001 (čiastočne prevzatý text)
-Alarm magazín 2/2003, 3/2003
-internet
63