Страх перед темнотой заложен в наших генах. И днем не отличавшиеся острым зрением, с заката до рассвета наши предки становились особенно уязвимыми перед многочисленными опасностями. А потому способность кошек, сов и прочих ночных обитателей ориентироваться во мраке всегда вызывала у них зависть. Но прогресс не стоит на месте – и то, что не додала природа, вполне способна подарить наука.
Во тьме веков
В сказках и легендах частенько упоминаются волшебные капли и мази, дарующие способность видеть в темноте. И здесь далеко не все так уж фантастично – во многих рецептах действительно есть рациональное зерно. Некоторые растения, в частности белладонна, содержат алкалоиды, расширяющие зрачок и повышающие светочувствительность глаза. Правда, подобные методы не так уж эффективны, зато довольно опасны. И хотя алхимики древности выбрали действительно верный путь, современные инженеры все же нашли лучшее решение: не рисковать здоровьем, используя всевозможные ядовитые вещества, а призвать на помощь физику.
Первым человеком, который предложил техническое решение проблемы ночного виденья, был знаменитый русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов. Он обратил внимание на то, что бодрствующие по ночам животные хорошо видят в сумерках не только благодаря высокой чувствительности их «оптического нерва» – так в то время называли сетчатку глаза, – но и за счет больших размеров зрачка. И после серии оптических опытов он создал двухлинзовую зрительную трубу, отличавшуюся от привычных для того времени экземпляров очень большим объективом. По замыслу изобретателя он должен был «захватывать огромную массу лучей и собирать их преломлением». А вот окуляр, наоборот, был маленьким – он «снова преломлял лучи, превращая их в параллельные». Таким образом, Михаилу Васильевичу удалось добиться, чтобы освещенность зрачка наблюдателя, глядящего в трубу, стала гораздо выше, чем у первой линзы объектива. 19 января 1758 года он изложил все свои расчеты в трактате «Физическая задача о ночезрительной трубе» и представил его в Академию наук. Телескопы для наблюдения удаленных объектов и микроскопы для исследования мельчайших предметов уже не были диковинкой, а вот до возможности улучшить зрение человека в темноте благодаря оптическому прибору до него так никто и не додумался. Ломоносов же заявил: «Я не сомневаюсь, что где есть свет, как бы он ни был слаб, с помощью некоторого оптического инструмента можно много яснее различать предметы, чем невооруженным глазом».
Однако русские академики встретили это изобретение весьма скептически – заявив, что все прочие «галилеевы трубы», согласно оптическим законам, делают то же самое, трубу Ломоносова просто отказались принять, даже не обратив внимания на принципиально новую конструкцию, наиболее выгодную именно для ночных наблюдений. Даже демонстрация в 1759 году английской зрительной трубы сходной компоновки не убедила противников новой идеи. Их скептицизм и три с лишним года пустых споров в итоге лишили и самого Михаила Васильевича, и Россию первенства в изобретении первого прибора ночного видения. Однако ученый до конца жизни продолжал разработки и изготовил для полярной экспедиции капитана В.Я. Чичагова шесть подзорных труб, три из которых были «особливые для сумрачного времени». Увы, до мая 1765 года, когда три корабля экспедиции Чичагова вышли в Ледовитый океан, талантливый ученый не дожил. Его дело продолжили академические мастера – оптик Беляев и инструментальщик Чижов, – благодаря которым пальму первенства в практическом применении прибора ночного видения получили именно русские мореходы.
Только спустя 7 лет, в 1772-м, зрительную трубу для ночных наблюдений описал немецкий физик и астроном Ламберт (кстати, как и Ломоносов, он называл свою трубу «ночезрительной»). А в 1803-м открытие повторил французский астроном Лаланд. Поскольку трудов Ламберта он не читал, а заметки Ломоносова так и не были опубликованы, француз искренне считал, что честь изобретения принадлежит ему.
А далее исследования в этой области были незаслуженно забыты более чем на 100 лет. Хотя моряки и астрономы по опыту применения знали о пользе оптики для ночных наблюдений, целенаправленные исследования в этой области продолжились только в начале ХХ века.
Гонка во тьме
С развитием судоходства и авиации белых пятен на картах практически не осталось, но сами летчики и моряки постоянно сталкивались с темными пятнами безлунных ночей, штормов и туманов. Вопрос о кардинальном улучшении наблюдательных приборов вставал все острее – обычная оптика оказалась бессильна перед новыми проблемами. Но и наука не стояла на месте – в 1934 году голландский инженер исследовательского центра фирмы «Филипс» Жиль Холст в ходе экспериментов с различными конструкциями фотокатодов (тогда как раз закладывались основы телевидения) создал первый прибор для усиления яркости видимого изображения, названный по имени изобретателя «стакан Холста».
Конструкция представляла собой обычную стеклянную колбу-стакан с толстыми стенками, на плоское дно которой конструктор нанес люминофор (специальный состав, превращающий полученную им электроэнергию в свет). Он собирался посмотреть, что произойдет, если в сам «стакан» поместить электрод из особого сплава, который начинал излучать электроны при попадании на него света (так называемый фотокатод) и подать на него напряжение. Эффект был неожиданным: яркость свечения люминофора во много раз превзошла свет, попадавший на прибор, а получаемое на нем изображение вполне уверенно распознавалось невооруженным глазом. Далее дело оставалось за малым: просто добавить хороший большой объектив (по расчетам, сделанным еще Ломоносовым) – и даже самого тусклого и слабого источника света становилось достаточно, чтобы рассмотреть в деталях предметы в темноте. И хотя коэффициент усиления оказался довольно низок, качество изображения отвратительно (особенно по краям), а высокое потребление электричества вынуждало использовать громоздкие и тяжелые батареи (и это не говоря уже о немалой стоимости – электрод делался из серебра и цезия), новинка очень заинтересовала ученых во всем мире. Дело в том, что у нее оказался неожиданный бонус – она преобразовывала в видимый свет не только обычный спектр, но и часть невидимого невооруженному глазу теплового (инфракрасного) излучения!
Изобретение очень быстро нашло практическое применение в самых различных приборах, в основном – так как время было предвоенное – далеко не мирного назначения. Дело в том, что – благодаря способности воспринимать часть инфракрасного спектра – оно было буквально создано для работы в условиях нулевой видимости. Ведь инфракрасное излучение, которое наш глаз не видит, вполне успешно проходит через туман и пыль! Ну, а улучшить работу прибора, подсветив таким же «невидимым» прожектором, и вовсе уже не составляло труда – за разработку первых приборов ночного видения взялись ученые всех более-менее развитых стран.
Так называемое «нулевое поколение» приборов ночного видения, работающее со специальной подсветкой и в довольно ограниченном спектре, обрело в наше время вторую жизнь. Физики и химики нашли замену дорогим и небезопасным катодам из серебра с цезием, а конструкторы доработали оптику. Теперь ночные видеокамеры со «стаканом Холста» заняли нишу самых дешевых (и, кстати, весьма надежных, что компенсирует невысокое качество изображения) приборов такого рода. Встретить их можно даже в качестве детских игрушек.
В научное соревнование включилась Англия, доработавшая «стакан Холста» до надежной серийной модели, и Германия, для которой после Версальского договора ограничивалось развитие многих отраслей промышленности, но про оптику в нем ничего не было сказано. Не отставал и СССР. Точно так же, как и Холст в Голландии, у нас за работу над превращением невидимого в видимое взялся исследователь, специализировавшийся в такой новой на тот момент области, как телевидение – Вячеслав Иванович Архангельский. Во Всероссийском электротехническом институте, где находилась его лаборатория, первые разработки начались еще в 1935 году. Это время для науки было тяжелым – ни о каких открытых публикациях и обмене опытом речи уже не шло: все понимали, что война не за горами, и старались первыми получить такое заманчивое преимущество, как возможность эффективно вести боевые действия в темноте.
Наши ученые в грязь лицом не ударили. Про знаменитые немецкие «Вампиры» для автоматов, «Шперберы» на танках «Пантера» и бронетранспортеры Uhu («Сова») с инфракрасными прожекторами, подсвечивающие цели невидимыми тепловыми лучами, написано и рассказано много. Гитлеровскую Германию до сих пор многие считают родоначальником приборов для ночного наблюдения, совершенно незаслуженно забывая про наших соотечественников, добившихся не меньших успехов в этой отрасли.
Опираясь только на собственный опыт и доступные ранние публикации Холста, лаборатория Вячеслава Ивановича Архангельского сумела добиться впечатляющих успехов. Начали с самых крупных моделей – все-таки высокое потребление электричества и необходимость пусть и невидимой, но подсветки (а прожектор – все же совсем не маленький агрегат) делало изготовление малогабаритных приборов весьма затруднительным. Зато первый макет прибора для ночного кораблевождения и наблюдения за судами прошел успешные испытания на Балтике уже в 1937 году. А к июню 1941-го на Черноморском флоте было уже 15 готовых инфракрасных пеленгаторов. Ну, а к 1943 году невидимые огни стали основным средством обозначения безопасных фарватеров, а пеленгатор «Омега – ВЭИ» и бинокль «Гамма – ВЭИ» стали штатным оснащением советских судов.
Инфракрасные бинокли «Гамма – ВЭИ» неплохо зарекомендовали себя и в авиации. Они успешно прошли фронтовые испытания под Смоленском в 1943 году. Но высокая стоимость и сложность производства, а также вполне обоснованные опасения, что новое оборудование попадет в руки противника, не позволили наладить их серийный выпуск для самолетов. Впрочем, и в других странах до самого конца войны надежных и дешевых ночных приборов для летчиков так и не было создано.
С приборами ночного видения и инфракрасными прицелами для танков тоже вначале дела обстояли неплохо. Специальные комплексы «Шип» и «Дудка» успешно прошли испытания еще в 1939–1940 годах. Но и эти агрегаты миниатюрностью не отличались. Они состояли из пары крепившихся на броне прожекторов по 14 см в диаметре и двух перископов, надевавшихся прямо на голову водителю или командиру. Несмотря на весьма неплохие для своего времени чувствительность и качество изображения, эти аппараты оказались очень неудобными в работе. А на улучшение дизайна времени не хватило – вскоре началась война. Еще больше работы затормозились из-за нехватки фронтовых испытаний. Дело в том, что в боях под Москвой один из танков с экспериментальным оборудованием попал в руки противника. После этого, опасаясь, что немцы получат серьезное преимущество, был издан приказ, запрещавший отправку на фронт любой танковой аппаратуры ночного видения без согласования с высшим командованием. Так что при переправе через Одер и боях на озере Балатон нашей бронетехнике пришлось обходиться без нее. А чтобы лишить преимущества противника, который, по данным разведки, успел оснастить такой аппаратурой свои танки (правда, впоследствии оказалось, ночные прицелы смогли поставить всего на 50–60 машин – все-таки для того времени это еще был слишком сложный в изготовлении прибор), наши войска использовали известный недостаток «стакана Холста». Дело в том, что люминофор, имеющийся в этом оборудовании, все-таки рассчитан на работу максимум при свете полной Луны и тепловом излучении специального фонаря. А при попадании на него яркого света он надолго насыщается энергией, и вместо яркой картинки взору наблюдателя предстает равномерно зеленый экран. А сильный засвет и вовсе способен вывести чувствительную электронику из строя. Именно эту особенность и учли советские командиры – лучи мощных прожекторов в ночном наступлении не только обеспечили обзор нашим войскам, но и ослепили вражеские машины.
Когда после победы достижения немецкой оптики и электроники попали в руки наших ученых, вердикт был однозначным: советское оборудование ни в чем им не уступало. Но настоящая гонка только начиналась.
Из тьмы к просвещению
Пользу приборов ночного видения оценили не только моряки, летчики и военные. Они нужны были охранникам и полицейским для обеспечения безопасности в темное время суток. Возможность уверенно действовать после захода солнца была остро необходима исследователям, геологам и путешественникам. Заинтересовались новинкой и биологи – ведь она открывала им недоступную до этого для наблюдений ночную жизнь братьев наших меньших. Но для всех этих целей требовались уже компактные и легкие аппараты, не нуждающиеся в подсветке громоздкими инфракрасными фонарями. Ведь кататься по тайге на танке слишком расточительно, а следить за крошечным зверьком с помощью огромного агрегата крайне неудобно. Разработанный еще в 30-х годах Леонидом Кубецким фотоэлектронный умножитель позволил значительно увеличить чувствительность приборов, но проблемы размеров и веса он только усугублял. Несколько улучшили положение разработки в области телевидения. Научившись рисовать электронным лучом движущуюся картинку на экране, ученые перенесли этот опыт и в ночное оборудование. Тьма потихоньку сдавала свои позиции. Но и этого было недостаточно.
Приборы ночного видения первого поколения не сдают позиции, даже несмотря на появление более современных собратьев. Десятилетия исследований не прошли даром и позволили значительно удешевить их производство, а также добиться высокой надежности и хорошего качества изображения. Поэтому среди гражданской ночной аппаратуры преобладают именно они. Действительно, у простого туриста, охотника или зоолога-любителя запросы намного скромнее, чем у геолога или солдата. А вот цена для него играет далеко не последнюю роль. В связи с этим особенно приятно, что 65% ночного оборудования первого поколения производят наши соотечественники. Дело в том, что компания Yukon Advanced Optics Worldwide, основанная в 1998 году, несмотря на англоязычное название, организовала производство именно в Беларуси – в США расположена только ее торговая часть. На сегодняшний день наблюдательная оптика для любительского и профессионального применения этой фирмы пользуется заслуженным уважением во всем мире.
Только в 70-х годах прошлого века достижения волоконной оптики позволили создать микроканальные пластины. Ведь основной проблемой старых технологий было то, что как ни управляй потоком заряженных частиц (а сами элементы управления далеко не дешевые и не легкие), слой люминофора засвечивался не только им, но и сам по себе, от собственного света. Тонкие пластинки специальных сплавов с микроскопическими (около 0,001 мм в диаметре) отверстиями оказались способны на сходный эффект – при подаче электрического тока они на каждый влетающий в них электрон выдавали несколько десятков тысяч новых. При этом вес и размеры такого усилителя не шли ни в какое сравнение со старыми образцами, а заранее сформированные мельчайшими каналами пучки электронов давали на экране изображение гораздо лучшего качества. Вот это уже был настоящий прогресс! Приборы ночного видения стали действительно портативными. Хотя самые первые экземпляры все-таки еще отличались внушительными габаритами – как минимум, в длину. Для значительного усиления освещения (а современные технологии позволяют уверенно работать даже безлунной ночью, когда звезды закрыты легкими облаками) приходилось применять специальные разгонные камеры. Это ограничивало дизайнеров, делая приборы похожими на подзорные трубы. И если для объектива телекамеры или прицела такая конструкция была вполне естественна, то вот ни о каких очках или монокулярах для ношения прямо на голове речи пока не шло.
Но прогресс не стоит на месте – и со временем ученым удалось получить микроканальные пластины, обеспечивающие гораздо большее усиление и передающие изображение прямо на миниатюрный экран в окуляре. Так называемое поколение II+ приборов ночного видения предлагает широчайший ассортимент на любой вкус и для любых задач. Солдаты получили отличные очки и монокуляры, закрепляемые прямо на каске – пока еще гораздо более массивные, чем, скажем, в фантастическом фильме «Универсальный солдат», но уже достаточно легкие и удобные. Для охотников и туристов стали вполне доступны прицелы и бинокли, превращающие ночной сумрак в качественную телевизионную картинку.
А с развитием полупроводниковых технологий появились, в том числе, и намного лучшие сплавы для фотокатодов ночной оптики. Самое последнее поколение приборов ночного видения – третье. Оно уже демонстрирует совершенно сказочную чувствительность: великолепное качество изображения можно получить на открытой местности даже в новолуние при закрытых плотными облаками звездах – то есть практически в полной темноте. При этом новинки стали гораздо легче и экономичнее своих предшественников. К сожалению, производство их все еще очень накладно – даже военным, на которых большинство стран денег не жалеет, они не всегда по карману. Впрочем, и стакан Холста, бывший в начале 30-х годов прошлого века последним словом техники, со временем стал дешевой детской игрушкой. Так что, вполне возможно, что через несколько лет компактные, легкие и дешевые ночные очки будут вполне обыденным аксессуаром.
Тем более что в 60-е годы прошлого века появилась ночная аппаратура, работавшая по совершенно новым принципам. Дело в том, что какой бы удобной и отлаженной ни была усиливающая электроника, она все равно нуждается хотя бы в минимальной освещенности. Это вполне логично – ведь она способна только усилить уже имеющийся свет. А при его отсутствии приходится использовать специальные фонари и прожекторы, как правило, инфракрасные. Но зачем носить с собой дополнительный вес? Ведь если прибор воспринимает в первую очередь именно тепло, то почему бы не превращать в видимое глазу изображение сразу разницу температур! Тем более что датчики, изменяющие свое сопротивление при даже минимальном нагреве (а это уже позволяет использовать их в электронной аппаратуре, создающей телевизионное изображение), были изобретены Самуэлем Пирпонтом Лэнгли еще в 1878 году. Так что дело оставалось за малым – объединить в единый механизм уже отработанные оптические детали, современные малогабаритные экраны и тепловые датчики. Так появились первые тепловизоры.
Да будет свет!
Необычную яркую цветную картинку, так не похожую на уже привычное зеленоватое изображение, общественность впервые увидела в фантастическом фильме «Хищник». А теперь эта «инопланетная» технология стала вполне доступной. Современные тепловизоры способны различать разницу температур буквально в 0,1 °C и весьма компактны. Вдобавок, помимо обычного наблюдения в темноте, они нашли широкое применение в самых разных отраслях. В отличие от традиционных приборов ночного видения, которые яркий объект, оказавшийся в поле зрения, «слепит», тепловые аппараты на такие раздражители не реагируют. Способность различать именно температуры привела к появлению нового инженерного оборудования. Например, при подготовке старого дома к ремонту с его помощью легко определить основные места утечки тепла или рассмотреть невидимые обычным способом трещины в трубопроводах.
Нашли применение новинке и медики. Связь температуры с различными заболеваниями была известна человеку с древнейших времен, а тепловизоры смогли создать контрастную и наглядную картинку, позволяющую более точно определить диагноз. Уже в 80-х годах прошлого века они появились в различных медицинских центрах и даже начали применяться в нейрохирургии. А с 2008-го на Западе их стали устанавливать эпидемиологи прямо на улицах. Это позволило оперативно вычислять очаги гриппа – ведь с их помощью человек с повышенной температурой сразу будет заметен ярким пятном даже среди плотной толпы. А количество таких «пятен» даст четкую статистику развития эпидемии.
Отлично зарекомендовали себя тепловизоры и на производстве. Они позволяют оперативно и своевременно отслеживать тепловые изменения, происходящие в отдельно взятых частях машин или в механизме в целом. Незаметные глазу повреждения или непредусмотренные по плану (а значит, и представляющие опасность) нагрузки, как правило, всегда вызывают и изменение температуры, что сразу становится видно стоящему на контроле инженеру.
Единственным недостатком для повседневных наблюдений (за исключением все еще немалой стоимости) является разве что непривычная картинка на экране. Хотя и это уже не проблема для современных технологий – довести ее до совершенства вполне способны современные компьютеры.
Так что темнота окончательно сдала свои позиции. Даже обычные домофоны в современных домах в последнее время стали оборудовать ночными камерами. И теперь уже совы и кошки могут завидовать оснащенному по последнему слову техники человеку.
