Лазерные полупроводниковые излучатели для приборов ночного видения

В настоящее время широкое распространение в технике ночного видения приобрели инфракрасные светодиодные осветители для совместной работы с приборами ночного видения (ПНВ) и с низкоуровневыми телевизионными системами (НТВС) с целью обеспечения наблюдения и стрельбы при низких уровнях освещенности и в полной темноте [1]. Они обладают значительной мощностью излучения, высокими эксплуатационными характеристиками и низкой стоимостью, но имеют сравнительно большую площадь тела свечения, а при работе в импульсном режиме — малые импульсные мощности излучения и сравнительно большие длительности подсвечивающих импульсов. Кроме того, светодиоды обладают сравнительно широкой рабочей областью спектра (10–30 нм), что снижает эффективность спектральной селекции наблюдаемых подсвечиваемых объектов на фоне световых помех. В связи с этим в технике ночного видения применяются также ИК-осветители, выполненные на базе излучателей лазерных полупроводниковых (ИЛП). При этом различают ИЛП, работающие в непрерывном (ИЛПН) и в импульсном режимах (ИЛПИ). За счет большей освещенности в пятне подсветки ИЛП обеспечивают более высокую его энергетическую яркость. Пятно подсветки имеет минимум теней, правильную форму, четкие границы [1]. Это особенно важно при работе ИК-осветителя с ночным прицелом.

Основные параметры типичных ИЛПН, используемых для построения осветителей, применяемых в технике ночного видения, приведены в таблице 1 [2–6]. ИЛПН, используемые для совместной работы с ПНВ, обычно излучают на длинах волн 780–792, 808, 820–850, 870–905 нм, а применяемые для совместной работы с НТВС — на длинах волн 925, 960–990, 1000, 1040 нм. Внешний вид типичных ИЛПН показан на рис. 1.

Рис. 1. ИЛПН с различной мощностью излучения: а) небольшой; б) повышенной

Для ПНВ обычного типа используются лазерные осветители, работающие в непрерывном режиме и выполненные на базе ИЛПН. По сравнению с ИЛП, работающими в импульсных режимах, ИЛПН имеют существенно меньшие размеры тела свечения, значительный срок службы и более высокий КПД. Благодаря этому «непрерывные» осветители имеют существенно меньшие габариты, массу и энергопотребление. С их помощью можно получить и меньшие углы подсвета, достигающие единиц минут. Осветители обладают также более простой схемой накачки. Основные параметры «непрерывных» осветителей приведены в таблице 2 [2, 9–25].

На рис. 2 представлено изображение, наблюдаемое в ПНВ при его работе в пассивном (рис. 2а) и в активном непрерывном (рис. 2б) режиме при подсвете излучением «непрерывного» лазерного осветителя. Внешний вид типичных «непрерывных» осветителей дан на рис. 3–6.

Рис. 2. Изображение, наблюдаемое в ПНВ при его работе в режимах: а) пассивном; б) активном непрерывном при подсвете излучением «непрерывного» лазерного осветителя.

Рис. 3. Лазерные ИК-осветители дальнего действия: а) IR-530-810; б) IR-530-1000-810

Рис. 4. Внешний вид типичных «непрерывных» осветителей: а) лазерный осветитель ИКО-1; б) ночной прицел IT-333 [11], оснащенный лазерным осветителем серии L-01; в) ПНВ НЗТ-1 с осветителем, вмонтированным в рукоятку прибора

Рис. 5. Лазерные ИК-осветители непрерывного режима работы RT 4A (слева) и RT 5A (справа)

Рис. 6. Лазерный диодный модуль фирмы «Кантегир»

На рис. 5 представлен осветитель RT 5А [17], в котором изменение угла подсвета достигается с помощью перефокусировки объектива с переменным фокусным расстоянием. Оригинальное решение предложили специалисты Ростовского оптико-механического завода (РОМЗ), создавшие целую серию осветителей, встраиваемых в рукоятку ПНВ. Примером может служить ПНВ НЗТ-1 (рис. 4в) [30]. Однако в общем случае более целесообразно создавать осветители в виде независимых модулей в отдельном корпусе и с автономным первичным источником питания. Такие модули стыкуются с ПНВ с помощью унифицированных узлов крепления. При необходимости они могут быть легко отделены и заменены на осветители с другими параметрами.

Для эффективного применения ПНВ необходимо точное измерение дальности до наблюдаемого объекта в процессе его наблюдения через прибор. Эта функция реализуется в лазерном осветителе-дальномере для ПНВ [26]. При работе ПНВ в режиме измерения дальности пятно подсветки осветителя фокусируется в точку на наблюдаемом объекте. Результат измерения выдается мультиплексно в двоично-десятичном коде на четырехразрядный цифровой индикатор, высвечивающий расстояние до наблюдаемого объекта с дискретностью 1 м. Лазерный осветитель-дальномер стыкуется с любым ПНВ, имеющим стандартное гнездо 1/4″ под крепление на штатив. Диапазон измерения расстояний составляет 5–150 м погрешностью 1–2 м. Массо-габаритные показатели дальномера-осветителя: 220×180×50 мм, 0,9 кг. Напряжение питания 12 В.

Внешний вид типичных ИЛПИ показан на рис. 7, а их основные параметры представлены в таблице 3 [2–4, 8].

Рис. 7. Внешний вид типичных ИЛПИ: а) ЛПИ-14 (слева), Л-13 (Л-16) (справа); б) ЛПИ-111, ЛПИ-112

Основные параметры импульсных лазерных осветителей на основе ИЛПИ представлены в таблице 4 [25, 27–29].

Импульсные лазерные осветители используются в составе активно-импульсных ПНВ [28, 29]. Их принцип действия основан на подсвете наблюдаемого объекта излучением импульсного лазерного осветителя и синхронизированным с ним импульсным управлением (стробированием) электронно-оптического преобразователя, установленного в приемной части прибора. Это позволяет добиться по сравнению с традиционными пассивными и активными ПНВ значительных дальностей действия, обеспечить точное их измерение и непрерывность наблюдения при воздействии интенсивных световых помех, а также при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад и пр.). Осветитель состоит из оптики формирования излучения, ИЛПИ и блока его накачки. Осветитель может быть выполнен либо по моноканальной схеме, либо по схеме группового излучателя. В моноканальной схеме для получения высокой средней мощности излучения отдельные одноэлементные ИЛП или их решетки оптически сопряжены с входным торцом интегратора. Это — отрезок световода, служащий для перемешивания излучения от отдельных ИЛП и создания на его выходном торце равномерного распределения энергетической яркости. Форма и размеры пятна подсветки определяются формой и размерами выходного торца интегратора, который проектируется на местность с помощью объектива формирования излучения. Осветитель может содержать многоэлементный излучатель в виде решетки лазерных диодов, отдельные излучатели которой не обязательно находятся в одной плоскости. На ее выходе также монтируется интегратор, на выходной торец которого сфокусирован объектив формирования излучения. По такой схеме выполнены осветители LS-410 [19], ПЛ-1 [27] и О-200 (рис. 8).

Рис. 8. Моноканальные лазерные осветители: а) импульсный лазерный прожектор ПЛ-1; б) импульсный лазерный осветитель О-200

В ряде ИЛПИ фирмы LDL (США) отдельные одноэлементные ИЛП или их решетки с помощью гибких жгутов стекловолоконного коллектора объединяются в единое тело свечения. Поперечное сечение жгута имеет форму прямоугольника с размерами сторон, соответствующими габаритным размерам тела свечения элементарного ИЛП или элементарной решетки ИЛП. На выходе коллектора монтируется интегратор. Применение стекловолоконного коллектора позволяет в сотни раз сократить габаритные размеры тела свечения.

Замена прожекторов инфракрасного (ИК) излучения на лампах накаливания и газоразрядных лампах на унифицированный малогабаритный лазерный прожектор (типа ПЛ-1) на основе эффективного ИЛПИ Л13 позволяет не только увеличить дальность видимости в активном режиме работы, но и повысить помехоустойчивость и эффективность работы комплекса в целом в условиях эксплуатации. Преимуществом применения прожектора ПЛ-1 является и возможность реализации активно-импульсного режима работы ПНВ. Прожектор ПЛ-1 представляет собой основанное на базе ИЛПИ новое поколение источников ИК-подсвета. Он содержит единый блок, функционально объединяющий ИЛПИ Л13, блок питания (блок накачки ИЛПИ) и формирующую оптическую систему, а также систему обогрева защитного стекла. Прожектор ПЛ-1 формирует удобное для оператора пятно излучения прямоугольной формы с однородным распределением энергетической яркости излучения, в то время как ламповые прожекторы формируют колоколообразное распределение (рис. 9). Прожектор ПЛ-1 имеет по сравнению с аналогами меньшие массу, габариты и энергопотребление. В частности, прожектор ПЛ-1 имеет массу 7,0 кг, габариты 245×177×174 мм, энергопотребление 50 Вт, в то время как ламповый прожектор Л4 имеет аналогичные параметры — соответственно 20,5 кг, Ø300×280 мм, 400 Вт. При этом исключаются такие дефекты ламповых прожекторов, как взрыв лампы, невключение, нестабильность яркости, разрушение отражателя и светофильтра при взрыве лампы и др.

Рис. 9. Характер распределения излучения в пятне подсветки и его форма для лампового прожектора (слева) и импульсного лазерного прожектора ПЛ-1 (справа)

Были проведены натурные испытания ПНВ на базе ЭОП поколения 2+ и 3 с объективом с фокусным расстоянием 150 мм и относительным отверстием 1:1,7. Дальность распознавания цели ночью, при коэффициенте прозрачности атмосферы на 1 км не менее 0,8 и уровне естественной ночной освещенности местности (3–5)×10^-3лк, составила 1100–1200 м в пассивном режиме и 1200–1300 м в активном режиме с прожектором ПЛ-1. Это не хуже, чем в случае применения лампового ИК-прожектора Л-4.

Следует также отметить хорошее спектральное согласование лазерного прожектора ПЛ-1 с фотокатодом ЭОП поколения 2+ и 3. В то же время из-за снижения контраста в изображении вследствие влияния эффекта обратного рассеяния излучения подсвета необходимо применение в ПНВ активно-импульсного режима работы. Кроме увеличения дальности распознавания до 2 км, это позволяет повысить степень защиты от локальных световых помех, обеспечить наблюдение при пониженной прозрачности атмосферы и точное измерение дальности до объекта наблюдения. Прожектор ПЛ-1 работает в импульсном режиме, соответствующем требованию к реализации активно-импульсного режима работы ПНВ. Требуется незначительная доработка прожектора для обеспечения синхронизации с блоком стробирования ПНВ.

По моноканальной схеме выполнен импульсный лазерный осветитель (рис. 10а) на основе ИЛПИ Л-13 активно-импульсного ночного бинокля «Импульс» (рис. 10б) [29]. Он обеспечивает распознавание ростовой фигуры человека в пассивном режиме на дальности до 400 м (звездная ночь), в активно-импульсном режиме — на дальности до 500 м. Диапазон фокусировки бинокля — от 5 м до бесконечности. Угол поля зрения в пассивном режиме составляет 10°, в активно-импульсном режиме — 3×1,5°, точность измерения дальности не хуже ±10 м, масса не более 2,1 кг (с батареей питания MARS 2000 MR 1.2-12 тайваньского производства), энергопотребление не более 10 Вт при питании от напряжения 12 В постоянного тока. Батарея крепится на поясе оператора, она имеет номинальное напряжение 12 В, емкость 1,2 А/ч, массу 0,6 кг, габариты 95×43×50 мм. В этом случае время непрерывной работы бинокля в активно-импульсном режиме составляет 1 ч.

Рис. 10. Импульсный лазерный осветитель (а), входящий в состав АИ ПНВ «Импульс» (б)

Для повышения мощности излучения лазерного осветителя необходимо увеличивать количество элементарных излучателей. Но при этом габаритные размеры выходного торца интегратора неизбежно возрастают. Для сохранения неизменного угла подсвета приходится увеличивать фокусное расстояние объектива. Это влечет за собой резкое увеличение продольных габаритов и массы осветителя. Поэтому более целесообразным решением при значительных мощностях излучения является схема группового излучателя (группового модуля). Осветитель, выполненный по этой схеме, состоит из ряда стандартных модулей с взаимно параллельными оптическими осями. Каждый модуль имеет объектив и излучатель, содержащий решетку лазерных диодов с интегратором или даже без него. Излучение всех модулей суммируется в едином угле подсвета, равном углу подсвета одного модуля. Такая схема осветителя обеспечивает его минимальные продольные габариты и простую схему объектива формирования излучения. Групповой модуль также более удобен в ремонте, поскольку при выходе из строя одного модуля он легко может быть заменен на другой. Модули могут быть пространственно разнесены, что создает более широкие возможности их компоновки на объекте, например на автомашине, вертолете или судне. В качестве объективов формирования излучения используются обычно двух- или трехлинзовые объективы, растровая оптика, однолинзовые объективы с асферической или киноформной поверхностью, градиентные объективы или пластмассовые линзы Френеля. На рис. 11а показан двухмодульный осветитель, выполненный на базе лазерного излучателя Л16, а на рис. 11б — десятимодульный осветитель на базе импульсных лазерных излучателей ЛПИ-14. Рис. 12а демонстрирует характерное пятно подсветки, формируемое лазерным осветителем на базе ИЛПИ, а рис. 12б — характер изображения, наблюдаемого при работе ПНВ в активно-импульсном режиме.

Рис. 11. Модульные импульсные лазерные осветители ОАО ЦКБ «Точприбор»: а) двухмодульный; б) десятимодульный

Рис. 12. а) Пятно подсветки от импульсного лазерного осветителя; б) характер изображения, наблюдаемого при работе этого осветителя в составе АИ ПНВ

Таким образом, существует достаточное количество лазерных осветителей на базе ИПЛ, решающих широкий круг задач, стоящих перед техникой ночного видения.