УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ ОТ ИЗБЫТОЧНОЙ ЯРКОСТИ ВНЕШНИХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к оптоэлектронным приборам для наблюдения.
Приборы ночного видения (ПНВ) - класс оптико-электронных приборов, обеспечивающих оператору изображение территории в условиях недостаточной освещённости. Основным компонентом ПНВ является электронно-оптический преобразователь (ЭОП), усиливающий свет изображения при слабом освещении до уровня, воспринимаемого человеческим глазом и/или обнаружения электронным датчиком изображения. Принцип действия ПНВ I и I+ поколений был основан на том, что фотоны инфракрасного спектра попадали на экран, светочувствительный слой которого преобразовывал фотоны в электроны. Электроны ускорялись с помощью электростатического поля и, при попадании на флуоресцентный экран, вызывали его свечение. Существенным недостатком подобных устройств было размытое  по краям (угол зрения > 10°÷15°) изображение. В результате доработок ЭОП, в следующих модификациях ПНВ стали применять микроканальные пластины (МКП), а в качестве материала эмиссионных катодов - арсенидно-галиевые (As-Ga) полупроводниковые структуры. Принцип действия МКП основан на том, что фотоны от слабо освещенного источника попадают на фотокатод с отрицательным смещением, который высвобождает электроны, ускоряемые до высоковольтной микроканальной пластины. В свою очередь, каждый электрон вызывает высвобождение нескольких электронов из микроканальной пластины, которые притягиваются к люминофорному экрану с более высоким напряжением. Попадая на него, электроны обеспечивают довольно яркое свечение в видимом диапазоне.
Вместе с тем, независимо от схемы преобразования, основной конструктивной проблемой всех ПНВ I - IV поколений с ЭОП является засветка при «встрече» с ярким источником света, как то - вспышка при стрельбе/взрыве, дневной свет, засветки лазерным лучом высокой яркости и т.д., что, в свою очередь, приводит к разрушению экранов, оптических матриц приборов распознавания изображений, а также к кратковременному или даже фатальному ослеплению наблюдателя.
Существует несколько поколений ЭОП, характеризующихся различными особенностями, технологическими уловками и усовершенствованиями.
поколение Ⅰ - изображение размыто по краям, а к центру имеет более высокую чёткость;
поколение Ⅱ - применяется микроканальная пластина (МКП);
поколение Ⅲ - используется фотокатод на основе арсенида галлия GaAs;
поколение Ⅳ - применены новые технологии, позволившие увеличить дальность обнаружения и разрешающую способность, применение матриц ПЗС, встраивание ПЗС-матриц внутрь ЭОП, удалённая передача изображения от сенсорного блока (объектив + ЭОП + ПЗС) на дисплей по проводному или радиоканалу;
поколение Ⅴ - встраивание в ЭОП ПЗС, а также процессоров обработки изображения, приёмопередатчика, схемы управления питанием и т.д.).
Кроме этого, есть приборы поколения Ⅰ+, Ⅱ+. Так, в приборах поколения Ⅰ+ на входе или выходе ЭОП устанавливается оптоволоконная шайба, за счёт которой удаётся увеличить разрешение и устранить характерное для ЭОП первого поколения размытие по краям.
Использование систем управления питанием, реализованное в IV и V поколениях приборов отчасти нивелирует проблему засветки прибора и даёт возможность работы в условиях дневного освещения. Однако приборы с управлением питания работают на основе «тонкого ионного барьера» и эта система крайне сложна в технологическим плане и требует высоких трудозатрат. А также серьёзно сокращается срок безотказной эксплуатации таких приборов.
Кроме того, быстродействие данного типа приборов физически основано на непосредственном воздействии на ускоряемый пучок электронов и зависит от скорости перестройки высоковольтного питания, что не исключает «пробивания» такой защиты импульсом яркого лазерного излучения.
charge-coupled device
Существуют также и ПНВ на основе ПЗС-матрицы (CCD), с наличием или отсутствием электронно-оптического преобразователя (ЭОП). Это наиболее современное решение. ПЗС - прибор с зарядовой связью (CCD - ) - специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов.
Так как ПЗС-матрица является полупроводниковым устройством, и больше похожа на фоточувствительную память, то для работы совместно с ней используются специализированные контроллеры и процессоры. Это ещё более усложняет технологию производства, снижает надёжность и повышает стоимость приборов.
Такие приборы относятся к Ⅳ+ и Ⅴ поколениям. Приборы на основе ПЗС-матриц больше похожи на цифровую видеокамеру. Их относят к поколению Digital. Изображение у ПНВ на базе ПЗС-матриц без ЭОП чёрно-белое и не имеет зеленоватого оттенка, как у приборов на основе ЭОП.
Изображение с ПЗС-матрицы обрабатывается процессором и выводится на миниатюрный LCD-экран, который встроен в сам прибор ночного видения. Оцифрованное изображение можно записывать и сохранять в память, выводить на внешний монитор.
ПНВ с ПЗС-матрицей можно использовать в светлое время суток - засветка им не страшна. Основным недостатком таких приборов является то, что для работы ПЗС-матрицы нужна активная инфракрасная подсветка. Например, в модели PULSAR Reflescope Digisight N770 подсветка реализована на базе лазерного диода с длиной излучаемой волны 780...915 нм.
Однако наличие необходимости подсветки местности и предметов полностью обесценивает их высокие тактико-технические характеристики как прибора для боевого применения. Активный излучатель демаскирует прибор и его оператора при помощи простейших средств НВ (ПНВ и Тепловизоров).
Частично попытка решения проблемы засветки ПНВ предпринята в работе «Совершенствование способов защиты от засветок приборов ночного видения» / В.П. Пивоваров, Ты Винь Шанг // Транспортные системы: безопасность, новые технологии, экология: сборник трудов IV Международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию Якутского института водного транспорта. - Якутск, 2022. с. 207-211. Предложенное решение  предполагает автоматическое регулирование освещённости электронно-оптического преобразователя с использованием установленных между экраном визуализации изображения и окуляром неподвижного (с фиксированным положением вектора поляризации Р) и вращающегося поляризационных фильтров, где управляющий сигнал от датчика яркости экрана визуализации  подаётся на электродвигатель привода управления вращением (поворотом) второго из поляризационных фильтров ПНВ. Однако, инерционность электродвигателя составляет 0,3 секунды, а реакция человеческого глаза и мышц - около 20 мс (реакция на опасную вспышку от 13 мс, на «ожидаемое событие» - от 100 до 300 мс), что естественным образом не гарантирует в полной мере защищенность органов зрения  наблюдателя, равно как и не защищает принимающие изображение матрицы приборов наблюдения и распознавания, работающих совместно  с ПНВ.
Таким образом, задача, решаемая при создании заявленной полезной модели, состоит в дальнейшем совершенствовании конструкции приборов ночного видения в части защиты от вспышек большой яркости, при этом, технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в сокращении времени срабатывания защитного механизма прибора ночного видения (ПНВ) при возникновении, в том числе - внезапном, вспышки высокой яркости, интенсивности и т.п., и, как следствие,  в  повышения эффективности, надежности и безопасности для наблюдателя таких ПНВ в процессе их практического применения.
Для достижения поставленного результата предлагается устройство зашиты прибора ночного видения (ПНВ) с электронно-оптическом преобразователем (ЭОП) от вспышек и источников света  повышенной яркости, содержащее блок управления, индукционный датчик силы  тока и последовательно установленные первый и второй  поляризационные фильтры, при этом вход блока управления связан с датчиком, выход - со вторым фильтром, фильтры установлены параллельно друг к другу, датчик  выполнен с возможностью измерения силы электрического тока ускоряемых в ЭОП электронов, и, при повышенной яркости - выдачи соответствующего сигнала на блок управления для формирования последним управляющего сигнала, первый фильтр выполнен с постоянной линейной поляризацией, а второй выполнен с возможностью изменения степени поляризации при получении управляющего сигнала от блока управления.
Опционально, первый фильтр установлен из условия того, что он обращен к объекту наблюдения.
Фиг.1 наглядно поясняет физический принцип, положенный в основу функционирования заявленного устройства, на фиг.2 представлена принципиальная схема такого устройства.
6
max
В основе принципа действия заявленного устройства защиты ПНВ от вспышек большой яркости лежит явление поляризации диэлектриков электрическим полем. Диэлектрическая поляризация обусловлена локальным сдвигом зарядов в молекулах вещества во внешнем электрическом поле по сравнению с их расположением при отсутствии поля. На микроскопическом уровне причиной указанного сдвига может являться смещение электронной оболочки относительно ядра атома или же переориентация молекул, имеющих собственный дипольный момент. Поляроид  представляет собой разновидность оптических линейных поляризаторов, поляризующих светофильтров и т.п. в виде тонкой поляризующей плёнки, помещённой, как правило, между двумя прозрачными плёнками или пластинками стекла для защиты от влаги и механических повреждений. Сама поляризационная плёнка обладает линейным дихроизмом (плеохроизмом), заключающемся в разной степени поглощения линейно поляризованных перпендикулярно друг к другу составляющих падающего на неё света - обыкновенного и необыкновенного лучей, причём один из этих лучей поглощается поляризующей плёнкой практически полностью. В результате поглощения неполяризованный (естественный) свет, проходя сквозь поляроид, превращается в плоско-поляризованный. Из вышесказанного явным образом следует, что, в свою очередь, возможность достижения поставленного результата обусловлена ничтожно малым временем сдвига - от триллионных до миллионных долей секунды - зарядов в молекулах материала поляроида под действием электрического поля. Примером хорошего поляризатора являются монокристаллы минерала турмалина - уже при толщине кристалла турмалина около 1 мм в них практически полностью поглощается обыкновенный луч. Ещё сильнее поглощается один из лучей в кристаллах сульфата йодохинина (герапатит) - один из лучей практически полностью поглощается уже при толщине кристалла в 0,1 мм, при этом характерная напряжённость внешнего (поляризующего) поля Е составляет величину порядка 10 В/м, что соответствует напряжению U между кромками фильтра размером 10 мм на уровне 10 кВ при рабочем напряжении в ЭОП порядка 10-12 кВ.
макс
Применительно к заявленному устройству, со ссылкой на фиг.1, система из двух поляризационных фильтров в общем виде включает в себя параллельно расположенные друг относительно друга первый фильтр с постоянной (фиксированной) линейной поляризацией и второй фильтр  с изменяемой (переменной) поляризацией, вызванной действием напряженности внешнего управляющего поля Е. В результате такого действия посредством управляющих вторым фильтром электродов происходит изменение поляризации его материала от круговой, соответствующей нулевому значению напряженности (полное отсутствие эффекта), до линейной (максимальная поляризация),  с вектором, перпендикулярным вектору поляризации первого фильтра, посредством создания в плоскости второго фильтра достаточного регулируемого электрического поля Е, соответствующего Е со все более вырожденной фазой эллиптической поляризации.
Электроды расположены так, что формируют анизотропию поляризации фильтра с переменной поляризацией строго перпендикулярно линейной поляризации фильтра с постоянной поляризацией. Таким образом, при росте напряженности управляющего поля Е, интенсивность излучения, пропускаемого фильтром с постоянной поляризацией всё больше падает при прохождении через фильтр с переменной поляризацией вплоть до нуля - см. узкий эллипс на фиг.1.
На фиг.2 представлена условная схема заявленного устройства на базе простейшего ПНВ с электронно-оптическим преобразователем (ЭОП). Для специалиста однако очевидно, что данное решение применимо для всех ПНВ, имеющих ЭОП, в том числе и дооборудованных микроканальными пластинами (МКП) и ПЗС (CCD) - матрицами (прибор с зарядовой связью - аналоговая ИМС на фотодиодах), встраиваемыми в ЭОП (II - IV+ поколения приборов) для улучшения изображения и вывода его на интерфейс.
сиг
Согласно фиг.2 на диафрагме 1 ЭОП установлен индукционный (индуктивный) датчик 2, например, в виде тороидальной катушки индуктивности (тороидальный индуктор), в которой полученный в камере электронно-оптического преобразователя (ЭОП) фототок - эмиссионный ток ускоренных эмитированных электронов - возбуждает в сердечнике катушки датчика вихревое магнитное поле В, усиливаемое сердечником-ферромагнетиком, а оно уже в обмотке этого кольца (петле) формирует соответствующий уровень ЭДС и порождает поле Е - сигнал. Для специалиста очевидно, что указанный датчик, реагирующий на магнитное поле тока ускоряемых при возникновении вспышки в ЭОП электронов от экрана-эмиттера, можно устанавливать не только на диафрагму, но и, принципиально, в любом месте с охватом токового канала (например, вокруг трубки ЭОП) в зависимости от калибровки системы управления.
сиг
сиг
макс
мин.
макс.
Полученный сигнал (откалиброванный при необходимости в рабочем диапазоне от Е до Е) приходит на микросхему блока управления 3, который формирует управляющий сигнал с использованием энергии внешнего импеданса в рабочем диапазоне [0; Е], и подает его на электроды управления вторым фильтром (переменным поляроидом) 5. Система фильтров 4 (с постоянной линейной поляризацией) и 5 (с управляемой поляризацией) устанавливается между экраном визуализации изображения 6 и окуляром 7 (для приборов I-IV поколений) или вместо окуляра 7 принимающей изображение ПЗС-матрицей (для поколения приборов IV+).  В зависимости от величины этого управляющего сигнала, почти безынерционно создается уровень (степень) эллиптической поляризации второго фильтра, достаточный для снижения яркости системы из двух фильтров до приемлемой и комфортной величины в пределе до линейной поляризации второго фильтра 5, соответствующей полной блокировке изображения.