Полупроводниковые излучатели для перспективных осветителей-целеуказателей, лазерных дальномеров и приборов ночного видения

В современной технике широко используются малогабаритные целеуказатели лазерные (ЦЛ), лазерные дальномеры (ЛД) и приборы ночного видения (ПНВ) на базе лазерных полупроводниковых излучателей (ЛПИ) [1]. Однако за последние годы наметилась новые перспективные направления создания перечисленных приборов. К ним относятся:

• комбинированные осветители, состоящие из ламповых и светодиодных излучателей;
• комбинированные осветители-целеуказатели (ОЦ) на основе светодиодных излучателей и ЛПИ, используемые для установки на стрелковое оружие или как составная часть приборов наблюдения;
• ЦЛ, работающие на двух длинах волн: в видимой и ИК-области спектра;
• ЛПИ с рабочей длиной волны 1550 нм для перспективных ЦЛ, ЛД и ПНВ.

Примером осветителей, состоящих из ламповых и светодиодных излучателей, являются фонари фирмы Mellert (рис. 1, таблица 1).

Рис. 1. Комбинированные осветители фирмы Mellert: а) TL42 HYBRID; б) SEARCH-LITE HYBRID; в) HYBRID G9

В таблице 2 представлены основные параметры комбинированных осветителей-целеуказателей (ОЦЛ) американских фирм BEAMSHOT, NcSTAR и LaserMax (рис. 2а, б), в таблице 3 — других фирм (рис. 2в, г), а в таблице 4 — модели ОЦЛ LLM (рис.3).

Рис. 2. Комбинированные ОЦЛ: а) GB8800S; б) BS9000R; в) 2ПС-Клещ+ЛЦУ; г) 2ИКС-Клещ+ЛЦУ

Рис. 3. Комбинированный осветитель-целеуказатель LLM: а) внешний вид; б) установка на различном оружии (1 — ИК лазерный осветитель; 2 — ИК лазерный целеуказатель; 3 — осветитель на основе галогенной лампы; 4 — ударопрочный и герметичный корпус; 5 — целеуказатель красного цвета свечения; 6 — крепление к оружию; 7 — многофункциональный переключатель; 8 — клавиши управления; 9 — крышка батарейного отсека; 10 — программируемый встроенный микропроцессор для контроля всех функций; 11 — разъем для подключения кабеля, связанного с оружием)

Кроме модели LLM, существует целый ряд других многоканальных ОЦ. Примером может служить BLAST 2 фирмы Laser Devices Ltd. (США) (рис. 4а). Этот ОЦ объединяет ксеноновую лампу с мощностью до 95 Вт, светодиод (до 125 лм) и ЛЦ. Лазер ЦЛ имеет длину волны 635 нм, дальность действия 30 м (день) и до 450 м (ночь). Герметичный корпус ОЦ (выдерживает погружение в воду на глубину до 20 м) выполнен из прочного полимера, масса ОЦ составляет 209 г. Время непрерывной работы ОЦ от одного комплекта батарей — до 1 ч. После установки ОЦ на оружии и его последующего демонтажа нет необходимости вновь настраивать угол прицеливания и поправку на ветер. Laser Devices разработала целый ряд ОЦ: DBL-D2, DBAL-12, SPIR, OV-3, LAS/TAC2, COBL-1, EOLAD-11, AR-2A, ITAL/OTAL-Classic. При этом ЦЛ могут работать в видимой области спектра (532 или 635 нм) либо в ИК, области (850 нм). Мощность лазерного излучения 1–5 и 0,7 мВт соответственно. У ЛЦ с излучением зеленого цвета дальность действия составляет днем 1500 м, ночью 30 м, а с излучением красного цвета — 500 и 10 м. ИК ЦЛ имеет дальность действия ночью до 225 м. Напряжение питания 3–6 В (в зависимости от модели), время непрерывной работы — 1–48 ч (в зависимости от источника питания). Лазерный ИК-осветитель работает на длине волны 850 нм, имеет мощность излучения 150–600 мВт, регулируемый угол подсветки 2–30° или 7,5–15°, дальность действия 200–800 м (в зависимости от типа прибора). Масса и габариты могут быть от 356,2 г и 97,8×85,6×4 мм (DBAL-D2) до 88 г и 83×37×33 мм (OV-3). На рис. 4б представлена модель DBAL-12, в которой может быть установлен ЛЦ красного или зеленого цвета свечения (по выбору).

Рис. 4. ОЦЛ: а) BLAST 2; б) DBAL-12; в) ATPIAL; г) LTAD-RSNC; д) PistolCam; е) MARS; ж) AIM-2000

Фирма Insight Tech Gear (США) разработала универсальный ОЦЛ ATPIAL (рис. 4в). В нем сочетается тактический светодиодный фонарь, лазерный ЦЛ с длиной волны 605–665 нм и ИК ЦЛ с длиной волны 820–850 нм, а также лазерный ИК-осветитель. Дальность действия первого ЦЛ составляет до 25 м, второго — 600–2000 м. Дальность действия ИК-осветителя — 2000 м. Прибор работает в любое время суток, имеет массу 210 г (с батареей 6 В) и габариты 117×71×40 мм. Длительность работы ОЦ до 6 ч. Герметизированный корпус допускает погружение на глубину до 6 м в течение 1 ч. Фирма СОТ (РФ) разработала ЦЛ видимого диапазона в сочетании с ИК-осветителем, имеющим регулировку угла подсветки (LTAD-RSNC) (рис. 4г). Длина волны излучения ЦЛ составляет 635 нм, осветителя — 850 нм, мощность излучения последнего — 1 и 25 мВт. Рабочая дальность действия прибора 200 м. Угол подсветки ЦЛ 0,5 мрад, ИК осветителя — 0,05–6°, расход выверки по высоте и по направлению ±20 мрад, шаг выверки 0,5±0,05 мрад. Гарантируется работа от батареи напряжением 3 В в течение 10–20 ч. Прибор имеет выносную кнопку дистанционного управления, стандартное крепление на планку weaver или picatinny. После снятия прибора с оружия все выверки возвращаются «в ноль». Герметичный корпус прибора обеспечивает возможность его погружения в воду на глубину 20 м в течение 2 ч.

Фирма Legend Technologies (США) разработала устройство PistolCam (рис. 4д, [13]), объединяющее ТВ-камеру, ЦЛ и тактический фонарь. Разрешающая способность ТВ-камеры 3,2 млн пикселей, мощность подствольного фонаря 120 лм. Прибор может быть использован как автономно, так и при установке на оружие.

ITL Optronics, Ltd. (Израиль) разработала комбинированную систему MARS (рис. 4е, [14]), которая состоит из оптического коллиматорного прицела, светодиодного осветителя и ЦЛ MARS Dual. ЦЛ может работать на длине волны 650 и 850 нм при мощности излучения соответственно 1 и 0,4 мВт. Угловая расходимость излучения ЦЛ 0,5 мрад, напряжение питания 1,5 В, срок службы прицела без замены батареи питания 200 ч. Масса не более 400 г, габариты 48×75×132 мм. Коллиматорный прицел имеет однократное увеличение, параллакс менее 0,2 мрад, удаление выходного зрачка до 330 мм, диапазон регулировки яркости светового пятна 10⁴, его угловой размер 0,3 мрад.

Фирма Intermicro Telecom Systems (США) разработала ЦЛ с двумя длинами волн — AIM-2000 (рис. 4ж). ЦЛ работает на длине волны 640 и 840 нм при мощности излучения соответственно 1 и 0,4–2 мВт. Угловая расходимость излучения ЦЛ 0,5 мрад, напряжение питания 1,5 В при токе 120 мА, срок службы ЦЛ 5×10³ операций продолжительностью 5 с каждая. Масса ЦЛ не более 195 г, габариты 62×32×102 мм.

Для перспективных ЦЛ, ЛД и ПНВ представляется целесообразным использовать полупроводниковые лазерные излучатели, работающие на длине волны 1540–1550 нм. Это вызвано целым рядом преимуществ рабочей области спектра 1400–1800 мкм. Средняя величина естественной ночной освещенности в безлунную ночь для области спектра 400–900 нм (фотокатод ЭОП поколений 2,2⁺, 3) достигает (1,5–3)×10^-9 Вт/см² мкм, а в области спектра 1400–1800 нм — (1,5–2)×10^-7 Вт/см² мкм, то есть на два порядка выше (рис. 5). Кроме того, улучшается прозрачность атмосферы: при метеорологической дальности видимости 10 км пропускание толщи атмосферы 1 км на длине волны 600 нм составляет 0,72, а в центре области спектра 1400–1800 нм — 0,93. При этом яркость атмосферной дымки снижается больше чем на порядок в области спектра 1400–1800 нм по сравнению с видимой. Величина контраста объекта наблюдения с фоном в этой области спектра более стабильна и выше в 1,4–1,5 раза, чем в диапазоне 400–900 нм. Кроме того, если в этой области спектра освещенность ночью меняется от 10^-5 до 2,5×10^-9 Вт/см², то в диапазоне 1400–1800 нм — от 1,6×10^-4 до (3–4)×10^-7 Вт/см² при тех же условиях освещенности, т. е. почти на два порядка. Процент обеспеченности освещенностью в течение всего года для естественной ночной освещенности в пределах 5×10^-3–5×10^-4 лк для области спектра 1400–1800 нм также почти вдвое выше, чем для 400–900 мкм.

Рис. 5. Характер возрастания яркости ночного неба при смещении в ИК область спектра

В области спектра 1400–1800 нм можно работать до определенной степени в некоторых дымах и пыли, а также визуализировать излучение современных лазерных целеуказателей-дальномеров, работающих на длине волны 1550 и 1700 нм.

Известно, что камуфляж позволяет замаскировать различные объекты на фоне окружающего пространства. Однако камуфляж, разработанный для видимой области спектра, может быть неэффективен для диапазона 1400–1800 мкм, в котором узор камуфляжа исчезает и обнаруживается только силуэт замаскированного объекта.

В области спектра 1400–1800 нм можно видеть в тумане, обнаруживать следы льда на крышах самолетов в аэропортах. Это похоже на «черный» лед на дорогах. Его нельзя заметить в видимой области спектра, но можно увидеть в диапазоне 1400–1800 нм. В этом сегменте можно обнаружить на картинах более раннюю живопись, скрытую под слоем масляных красок. Достигается это благодаря тому, что многие пигменты, окрашивающие свет в видимой области спектра, прозрачны в 1000–2000 нм.

Различают ЛПИ, работающие в непрерывном (ИЛПН) и в импульсном режимах (ИЛПИ). Основные параметры ИЛПН, используемых для построения ЦЛ, ЛД и ПНВ, приведены в таблице 5, а ИЛПИ — в таблице 6. Внешний вид типичных образцов таких ИЛП показан на рис. 6.

Рис. 6. Внешний вид типичного лазерного излучателя, работающего в области спектра 1550 нм

На основе таких ИЛПН и ИЛПИ могут быть созданы перспективные приборы ночного видения и низкоуровневые телевизионные системы (НТВС), основные параметры которых приведены в таблицах 7, 8. Внешний вид ПНВ фирмы «Электрооптик» представлен на рис. 7, а типичные кривые их спектральной чувствительности — на рис. 8.

Рис. 7. ПНВ фирмы «Электрооптик»: а) ИК CCD-камера CONTOUR-M; б) ИК CCD-камера CONTOUR-IR; в) цифровая ИК CCD-камера CONTOUR-IR Digital; г) ИК-прибор наблюдения; д) ИК-прибор наблюдения ABRIS-M; е) гибридная ИК-камера CONTOUR

Рис. 8. Типичные кривые спектральной чувствительности ПНВ фирмы «Электрооптик»: а) ЭОП с фотокатодом S-1+; б) КМОП-матрицы ИК CCD-камер

ИК ПЗС ТВ камера CONTOUR-M выполнена на базе высокочувствительной кремниевой матрицы ПЗС с продленной ИК-чувствительностью, микролинзами на фоточувствительных элементах и электронной обработкой сигнала. Она имеет встроенный жидкокристаллический ТВ-монитор формата 4”, стандартный видеовыход/видеовход и может устанавливаться на треногу. Питание 12 В. Цифровая ИК КМОП ТВ-камера CONTOUR-IR digital служит для работы в составе персонального компьютера или ноутбука. Высокая скорость передачи данных по интерфейсу USB-2.0 (400 Мбит/с) обеспечивает наблюдение изображения на персональном компьютере в реальном масштабе времени даже при мегапиксельном формате камеры. В приборе используется новейшая КМОП-матрица с повышенной ИК-чувствительностью, с нанесенными на фоточувствительные элементы микролинзами и с усилительным каскадом в каждом элементе. Гибридная ИК-камера CONTOUR выполнена на базе ЭОП+ПЗС ТВ-камеры с ТВ-монитором формата 4”. ИК ПНВ ABRIS-M и SM-3R выполнены на базе ЭОП с рабочей областью спектра 350–1700 нм (ПНВ SM-3R 1700) и 350–2000 нм (ПНВ SM-3R 2000).

Внешний вид ИК ТВ-камер на базе фоточувствительных матриц InGaAs представлен на рис. 9. На рис. 9а показана ИК ТВ-камера XS-1.7-320 фирмы Xenics Infrared Solution, на рис. 9б приведен пример характерного изображения, наблюдаемого в нее. На рис. 10а, б представлены типичные образцы ИК ТВ-камер фирмы Goodrich Corp., а типичная кривая их спектральной чувствительности — на рис. 10в.

Рис. 9. Внешний вид типичных ИК ТВ-камер на основе фоточувствительных матриц InGaAs: а) ИК ТВ-камера XS-1.7-320; б) характерное изображение, наблюдаемое в эту ИК ТВ-камеру, в сравнении с другими изображениями

Рис. 10. ИК ТВ-камеры фирмы Goodrich: а) SU320M-1.7RT; б) SU620SDWH-1.7RT; в) типичная кривая спектральной чувствительности ИК ТВ-камер фирмы Goodrich Corp

Все эти приборы работают при пониженной прозрачности атмосферы, но еще большего эффекта следует ожидать от введения в них активно-импульсного режима работы, который позволит в еще большей степени повысить дальность действия при неблагоприятных условиях видения и обеспечить дополнительно точное измерение дальности до объектов наблюдения.