3.5.5 Бинокль "День-Ночь" бдн-3

ОАО «Загорский оптико-механический завод»

Рис.3.11 Бинокль "День-Ночь" БДН-3

Прибор предназначен для наблюдений в условиях дня и ночи²⁶. Простота управления и надежность бинокля сочетаются с прекрасными оптическими характеристиками.

В приборе применены высококачественные ЭОП 2+ поколения, обеспечивающие качественное наблюдение в условиях естественной ночной освещенности. Разрешение оптической системы в комплексе с ЭОПом 2+ поколения обеспечивает обнаружение ростовой фигуры человека на дистанции 300-400 м, распознавание на дистанции 200-250 м.

Приборы работоспособны при температуре окружающей среды от -40°С до +40°С. Значительное удаление выходного зрачка обеспечивает комфортное наблюдение в т.ч. и в очках.

Таблица 3.7

Технические характеристики БДН-3

Параметр	День	Ночь
Увеличение, крат	14	5
Диаметр объектива, мм	50
Угол поля зрения, град.	4,0	10
Поколение ЭОП	-	2++
Освещенность, лк	-	10 – 3—1.0
Диапазон фокусирования, м	10 ÷ ∞
Габариты мм	248х165х74
Масса, кг	1,65

3.6 Перспективные разработки приборов ночного видения

На основе бипланарных ЭОП разработан и частично освоен в серийном производстве комплекс приборов ночного видения нового поколения:

псевдобинокулярные очки ночного видения («Наглазник»);

псевдобинокулярный ночной бинокль («Лидер»);

авиационные очки ночного видения («Скосок»²⁷);

низкопрофильные ОНВ;

широкопольные ОНВ (поле зрения до 60°);

низкоуровневый телевизионный прибор разведки с активно-импульсным каналом, дальномером и передачей изображения на расстояние;

прицел с переменным увеличением.

Перспективы развития ПНВ связаны с созданием чувствительных элементов VI поколения, которые должны иметь следующие параметры:

спектральную чувствительность до 1,5 мкм

разрешающую способность 64 штр/мм

чувствительность фотокатода на длине волны l = 1,0 мкм S >100 мА/Вт

отношение сигнал-шум более 63 единиц

освещенность на фотокатоде, соответствующая уровню шумов, (3-5)·10^-10 Вт/см².

4 Тепловизионные приборы

Эффективным прибором ночного видения является тепловизор. В качестве приемника излучения тепловизионного прибора используется приемник, чувствительный к средней ИК-области излучения 8-12 мкм, т.е. собственному тепловому излучению тела.

В качестве приемников излучения к этому диапазону широкое применение нашли неохлаждаемые микроболометрические матрицы.

Наблюдаемая в тепловизионном приборе картина соответствует тепловому рельефу объекта. Тепловизоры обнаруживают и распознают объекты в условиях, при которых ПНВ не эффективны. Они эффективны при тумане и дымке и в сложных условиях фона. Тепловизор показывает тепловую картину, и вследствие того, что температура живого объекта обычно выше фона, он легко обнаруживается.

Тепловизионные приборы могут быть выполнены также как и ПНВ в виде монокуляров, биноклей, очков и прицелов. 

4.1 Тепловое излучение тел28

Все нагретые тела излучают электромагнитные волны.

Это излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с телами, имеющими определенную температуру, называется равновесным излучением. Плотность энергии равновесного излучения и его спектральный состав зависят только от температуры.

Тело называют абсолютно черным, если оно поглощает все излучения, независимо от длины волны. При заданной температуре абсолютно черное тело испускает с поверхности единичной площади в единицу времени больше лучистой энергии, чем любое другое тело.

Рис. 4.1. Модель абсолютно черного тела

Хорошей моделью черного тела является небольшое отверстие в замкнутой полости (рис. 4.1). Свет, падающий через отверстие внутрь полости, после многочисленных отражений будет практически полностью поглощен стенками, и снаружи отверстие будет казаться совершенно черным.

С увеличением температуры внутри полости будет возрастать энергия выходящего из отверстия излучения, и будет изменяться его спектральный состав. Распределение энергии по длинам волн в излучении абсолютно черного тела при заданной температуре T характеризуется излучательной способностью r (λ, T), равной мощности излучения с единицы поверхности тела в единичном интервале длин волн. Произведение r (λ, T) Δλ равно мощности излучения, испускаемого единичной площадкой поверхности по всем направлениям в интервале Δλ длин волн. Функцию r (λ, T) часто называют спектральной светимостью, а полный поток R (T) излучения всех длин волн называют интегральной светимостью тела.

В 1879 году Йозеф Стефан на основе анализа экспериментальных данных пришел к заключению, что интегральная светимость R (T) абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры:

R (T) = σT4.

А в 1884 году Людвиг Больцман вывел эту зависимость теоретически, исходя из термодинамических соображений. Этот закон получил название закона Стефана–Больцмана. Числовое значение постоянной σ, по современным измерениям, составляет

σ = 5,671·10–8 Вт / (м2 · К4).

Рисунок 4.2. Спектральное распределение r (λ, T) излучения черного тела при различных температурах

Экспериментальные измерения спектрального распределения излучения абсолютно черного тела показали, что при каждом значении температуры T зависимость r (λ, T) имеет ярко выраженный максимум (рис. 4.2). С увеличением температуры максимум смещается в область коротких длин волн, причем произведение температуры T на длину волны λ_m, соответствующую максимуму, остается постоянным:

λmT = b

Это соотношение выражает закон смещения Вина. Значение постоянной Вина

b = 2,898·10–3 м·К, и, следовательно, λm=2898/T (мкм)

Максимум энергии излучения Солнца приходится примерно на 470 нм (зеленая область спектра), что соответствует температуре около 6200 К.

В 1900 году теоретически получить зависимость спектрального распределения излучения черного тела r(λ, T)  попытался английский физик Д. Релей, который в основу своих рассуждений положил теорему классической статистической механики о равномерном распределении энергии по степеням свободы в состоянии термодинамического равновесия. Несколько позже эту идею подробно развил Джинс. Таким путем удалось получить зависимость излучательной способности абсолютно черного тела от длины волны λ и температуры T:

r (λ, T) = 8πkTλ–4.

Это соотношение называют формулой Релея–Джинса. Оно согласуется с экспериментальными данными только в области достаточно длинных волн (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Сравнение закона распределения энергии по длинам волн r (λ, T) в излучении абсолютно черного тела с формулой Релея–Джинса при T = 1600 К

Решить задачу о спектральном распределении излучения абсолютно черного тела в рамках классической физики невозможно.

Эта задача была успешно решена Максом Планком. Планк пришел к выводу, что процессы излучения и поглощения электромагнитной энергии нагретым телом происходят не непрерывно, как это принимала классическая физика, а конечными порциями – квантами. Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте света:

E = hν,

где h – так называемая постоянная Планка. h = 6,626·10^–34 Дж·с.

На основе гипотезы о прерывистом характере процессов излучения и поглощения телами электромагнитного излучения Планк получил формулу для спектральной светимости абсолютно черного тела. Формулу Планка удобно записывать в форме, выражающей распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела по частотам ν, а не по длинам волн λ.

Здесь c – скорость света, h – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Формула Планка хорошо описывает спектральное распределение излучения черного тела при любых частотах.