11

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.

22

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.

33

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.

44

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.

55

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

videnie.

66

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.

77

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.

88

Tabuľka č. 1.

Dosah jednotlivých generácií prístrojov pre nočné pozorovanie za rozličných svetelných podmienok.

99

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

1010

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.

1111

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.

1212

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.

1313

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.

1414

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).

1515

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.

1616

Tabuľka č.2.

1717

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.

1818

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.

1919

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).

2020

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.

2121

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 :

2222

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.

2323

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.

2424

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.

2525

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.

2626

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.

2727

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.

2828

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.

2929

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.

3030

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.

3131

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.

3232

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.

3333

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.

3434

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.

3535

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

3636

Vlnová dĺžka v nanometroch

Obr. 5.3 Snímanie oblasti vlnových dĺžok

3737

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.

3838

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.

3939Obr. 5.4 Noktovízor s možnosťou upevnenia na hlavu

4040

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.

4141

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.

4242

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.

4343

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 poskytujúce dvojrozmerný,

monochromatický alebo nepravofarebný, 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

4444

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.

4545

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

4646

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.

4747

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.

4848

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.

4949

Obr. 5.7 Schéma rozkladu žiarenia pri termovízii so skenovacím mechanizmom

5050

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.

5151

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.

5252

Obr. 5.8 Termokamera so záznamovým zariadením

5353

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

5454

5.4.4 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.

5555

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.

5656

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.

5757

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.

5858

Obr. 5.10 Farebné zábery termovíznej kamery pre technické použitie

5959

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.

6060

Obr. 5.11 Obrázok z noktovizie (vľavo) je zhoršovaný bodovými

svetlami.

Na obrázku z termovízie (vpravo) nie sú zdroje studeného svetla

viditeľné

6161

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.

6262

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.

6363

Použitá literatúra :

-Tallo, A. a kolektiv : Technické systémy a prostriedky polície,

Bratislava 2001 (čiastočne prevzatý text)

-Alarm magazín 2/2003, 3/2003

-internet

Ďakujem za pozornosť