1.
Anwendung, Nutzer
"Sehen
ohne gesehen zu werden"
- so lautet das Motto in erster Linie bei Spezialeinsatzkommandos und militärischen
Einheiten. Schon seit Jahrzehnten wurde immer wieder versucht, mittels Technologie
diesem Ziel ein Stück näher zu kommen. Je besser dies gelang, um
so komplexer wurde die Technik der Nachtsichtgeräte. Die Kosten der Entwicklung
und der Produkte spielten für den eigentlichen
Initiator dieser Gerätegattung, dem Militär,
nur eine untergeordnete Rolle. Es ist im Folgendem zu beachten, daß
die Nachtsichttechnik ausgesprochene Spitzentechnologie darstellt und die
Geräte primär für militärische Zwecke
konstruiert wurden. Die Anwendung im wissenschaftlichen oder zivilen Bereich
ist daher meist eingeschränkt, oder verboten (z.B. Nachtzielgeräte)
und mit enormen (Anschaffungs-) Kosten verbunden.
Allerdings
hat es die Zeit mit sich gebracht, daß sich trotzdem ein ziviler
Markt für diese Geräte bildete. Sichwort "Konversion":
Seit Ende des "Kalten Krieges" kommen immer mehr Restlichtverstärker
aus östlicher Produktion auf den Markt. Waren sie ehemals ausschließlich
dem Militär vorbehalten, so sind einfache oder ausgemusterte Nachtsichtgeräte
mittlerweile auch für zivile Anwender wie z.B. kommerzielle Sicherheitsunternehmen,
Jäger, Naturbeobachter oder Bootsführer verfügbar (u.a. bezahlbar)
geworden. Ihre hauptsächliche Verwendung finden moderne Nachtsichtgeräte
natürlich aber nach wie vor bei der militärischen
Aviatik, Spezialeinheiten, Geheimdiensten und bei Behörden
mit hoheitlichen Aufgaben. Das Spektrum reicht dabei von Nachtsichtmonokularen
über Nachtsichtbiokulare oder -binokualre bis zu Nachtsichtbrillen (z.B.
rechts: PVS-18 als 'Mono-Goggle').
Unsere
Absicht ist es hiermit interessierten Personengruppen einen Überblick
über das Thema 'Nachtsichttechnik' zu geben
und eventuelle Informationslücken zu schließen. Nicht zuletzt für
diejenigen, welche sich ernsthaft mit dem Erwerb eines Restlichtverstärkers
beschäftigen, sollte erwähnt werden, daß leider einige Zeitgenossen
auf dem zivilen Markt die meist große Unwissenheit der potentiellen
Interessenten ausnutzen. Die folgenden Seiten sollen u.a. dies verhindern
helfen.
2.
Geschichte, Ausblick
Den
Bedarf sich vor einer unangenehmen Überraschung zu schützen oder
einen Vorgang in der Dunkelheit zu erst zu bemerken war schon um 300 v. Chr.
vorhanden. Die Römer setzten bei Gefahr schnatternde Gänse ein,
um nicht nachts von einem Angriff der Gallier überrascht zu werden. Jedoch
beginnt die eigentliche Geschichte der optoelektronischen Nachtsichtgeräte
(engl. "night vision devices" oder kurz NVD) erst mit der Entwicklung
der ersten Bildwandlerröhre in den 30er Jahren. Seitdem werden Technologiesprünge
durch die Bezeichnung 'Generationen' verdeutlicht.
Einige wenige Spezialeinheiten benutzten schon im 2. Weltkrieg die ersten
Nachtsichtgeräte mit Wandlerröhren zur Feindbekämpfung (0.Generation).
Allerdings waren diese NVD recht unhandlich, mußten mit einem zusätzlichen
Infrarot-Stahler benutzt werden (sog. aktive
Nachtsichtgeräte) und waren natürlich mit einem anderen Nachtsichtgerät
leicht zu orten.
Handlichere Geräte, die auch auf der Waffe als Nachtzielgeräte eingesetzt
werden konnten, wurden dann in der Zeit des Vietnam-Krieges von den U.S. Army
sporadisch eingesetzt. Die Leistungen der Geräte dieser 1.Generation
waren aber nur bedingt ausreichend und die Einschränkungen in der Praxis
zu groß, um damit einen effektiven Vorteil im Gefecht oder der Aufklärung
gegenüber dem "nachtblinden" Gegner zu haben. Zudem benötigten
diese NVDs im Gelände mit besonders wenig Restlicht (z.B. Wald, Dschungel)
meist doch wieder zusätzliches, verräterisches Infrarotlicht.
Die
Entwicklung der Mikrokanalplatte (MCP)
in den siebziger Jahren bedeutete eine große Leistungssteigerung. Mit
der 2.Generation von Nachtsichtgeräten
wurde eine viel größere Aufhellung als mit (den meist einstufigen)
Röhren zuvor möglich. Allerdings wurde dieser Vorteil mit einer
zunächst sogar schlechteren Auflösung und einem starken Bildrauschen
'erkauft'. Das zugrunde liegende Prinzip der 'Nahfokussierung' ermöglichte
es erstmals kleine, leichte Geräte zu konstruieren (wichtig für
die Verwendung als Nachtsichtbrille). Mit Ausnahme von digitalen CCD-Nachtsichtgeräten
funktionieren bisher alle modernen NVDs immer noch nach dem Grundprinzip der
Nahfokussierung und Elektronenvervielfältigung mit einer MCP.
Durch
immer größere Erfolge in der Forschung gab es dann am Ende der
80er Jahre auf amerikanischer Seite die 3.Generation
von Nachtsichtgeräten, charakterisiert durch eine neuartige GaAs-Beschichtung
der lichtempfindlichen Photokathode. Diese Generation stellte für den
feldmäßigen Einsatz, bzw. in der Luftfahrt nocheinmal eine Leistungssteigerung
dar und ist bis heute in teilweise stark verbesserter Ausführung Stand
der Technik in den westlichen Streitkräften. Im Golfkrieg Anfang der
90er Jahre fanden sie breite Verwendung auf allierter Seite. Im Verlauf der
(zu Beginn meist nächtlichen) Kampfhandlungen zeigte sich signifikant
der technologische Vorsprung auch im optoelektronischen Bereich. Im Schutze
der Nacht war die Überlegenheit deutlich und die eigenen Verluste konnten
gering gehalten werden. In Europa hingegen bemühte man sich auch mit
Erfolg MCP-Röhren der 2+Generation
mit moderner Technik (andere Photokathoden-Beschichtungen, verbesserte Steuerelektronik,
etc.) weiter zu entwickeln, so daß es mittlerweile schwierig zu behaupten
ist wer 'die Nase vorn', bzw. welche Entwicklungsrichtung das größere
Leistungspotential hat.
Zunehmend
kleiner und handlicher werden auch reine Wärmebildgeräte,
welche auch durch Nebel und teilweise durch optische Hindernisse (z.B. Bewuchs)
Bilder geben können. In der zukünftigen, bzw. teilweise schon heutigen
Entwicklung von Nachsichtgeräten stellt dies eher eine Ergänzung
als einen Ersatz für die herkömmlichen NVDs dar, zumal Wärmebildgeräte
für eine Orientierung in der Dunkelheit den (Vor- bzw.) Nachteil haben
die Umgebung nur in Temperaturunterschieden, statt in 'tatsächlichen
Ansichten' abzubilden. Bei den klassischen Restlichtverstärkern ist man
bemüht neben einem höher auflösenden, kontrastreicheren und
rauschärmeren Bild den Blickwinkel von derzeit
etwa 40° bei einfacher Vergrößerung (in Einzelfällen schon
50°) deutlich zu erhöhen.
Es
wird wohl letztlich auf eine Kombination beider bildgebenden
Verfahren hinauslaufen, deren erfasste Daten eventuell zunächst
noch von einem Kleincomputer aufbereitet werden (selektive Vergrößerung
bzw. Markierung, Dateneinspiegelung-HUD, Monitoring via Funk, etc.) bevor
eine Ansicht aus beiden Bildern generiert wird. In Zukunft ist auch die Ablösung
der klassischen Bildverstärkerröhre zugunsten von rein elektronischen
Verfahren (CCD-Kameras, Ansätze z.B. im
US 'Land Warrior'-Programm) denkbar, falls
die Empfindlichkeit und Reaktionsgeschwindigkeit lichtempfindlicher Chips
weiter zunimmt. Eine offizielle 4.Generation
von Nachtsichtgeräten ist aber bis heute (sofern man von dem Status der
sog. 'filmless' bzw. 'autogated tubes' absieht / soweit dies bekannt ist ...)
noch nicht in Erscheinung getreten.
3.
Aufbau, allgemeines Funktionsprinzip NVD
Der
oft verwendete Begriff "Restlichtverstärker" macht schon auf
das, dem Prinzip zugrundliegendem Phänomen der "Verstärkung"
des vorhandenen "Restlichts"
aufmerksam.
Neben dem für das menschliche Auge sichtbaren Ausschnitt der elektromagnetischen
Strahlung (nach DIN zwischen 380 - 780 nm Wellenlänge) gibt es natürlich
noch andere (nicht sichtbare) Strahlung desselben Typs. Jeder Radiosender
und auch im Prinzip jedes warme Objekt gibt elektromagnetische Strahlung in
einem bestimmten Wellenlängenbereich ab. Während es für unsere
Augen nachts relativ wenig zu "detektieren" gibt, ist dennoch eine
schwankende Menge an infraroter Strahlung (IR-Strahlung) im Spektrum ab 700
nm vorhanden.
Das
Nachtsichtgerät dient sozusagen als "Korrekturbrille", indem
es die Strahlung dieser Wellenlänge auffängt, elektronisch
umwandelt, bzw. verstärkt und wieder als Licht im sichtbaren Bereich
abgibt.
Daher
spricht man auch von 'optoelektronischen Geräten',
die entweder 'aktiv' sind, d.h. eine
IR-Lichtquelle zum Anstrahlen des Objekts
benutzen, oder "passiv" nur das Restlicht nutzen.
Ein
Nachtsichtgerät besteht aus drei Teilen (optisch - elektronisch - optisch):
-
Objektiv, sammelt und fokussiert
das Restlicht - speziell durchlässig für IR-Strahlung
-
Bildwandlerröhre bzw. Bildverstärkerröhre,
wandelt Licht in Elektronen um (Photokathode), verstärkt diese und wandelt
sie wieder in Licht (Phosphorschirm)
-
Okular, vergrößert das relativ
kleine Abbild der Bildwandlerröhre
0.
bis 1.Generation: Trifft die vom beobachteten
Objekt reflektierte, ausgesandte IR-Strahlung auf das Objektiv des NVD, wird
es gebündelt und auf die Photokathode (eigentlicher
'Bildwandler') fokussiert. Durch die lichtempfindliche, chemische Beschichtung
der Photokathode wird theoretisch pro auftreffendem Lichtteilchen (Photon)
auf der Rückseite der Photokathode ein Elektron herausgeschlagen - 'äußerer
Photoeffekt' (tatsächlich geschieht das selbst bei den besten Geräten
nur bei einem in fünf Fällen!). Aufgrund der nahezu identischen
Verteilung von projiziertem IR-Abbild und Elektronenabgabe bleibt das
Bild sozusagen als 'Elektronen-Abdruck' innerhalb
der Röhre erhalten. Über eine angelegte Hochspannung (15-36 kV)
werden die Elektronen durch einen Anodenkegel beschleunigt (die eigentliche
Verstärkung) und treffen auf dem Phosphorschirm
des Wandlers auf. Hier wird der 'Elektronen-Abdruck' wieder durch eine spezielle
Beschichtung in sichtbares Licht zurückgewandelt. Nun muß nur noch
das meist grünliche Abbild (Grüntöne werden vom Auge in den
meisten Abstufungen erkannt) auf der Rückseite der Röhre vergrößert
werden. Da aber Verzeichnungen auftreten und die Verstärkung nur durch
eine Elektronen-Beschleunigung erreicht wird, werden Röhren der 0. und
1.Generation nur noch für speziellen Anwendungen (z.B. in der Forschung)
produziert.
Es sollte dabei nicht unerwähnt bleiben, daß Röhren
dieser beiden Generationen aufgrund der hohen Beschleunigungsspannung
auch einen gewissen Anteil an Röntgenstrahlung
produzieren. Ähnlich wie bei einer TV-Röhre sollten daher vom Hersteller
eines NSG Abschirmungsmaßnahmen
(Ex-Militärgeräte aus Rußland?) getroffen worden
sein (Bleizusätze im Okularglas), zumal sich die Röhre des Nachtsichtgerätes
naturgemäß bei Benutzung sehr dicht am Kopf/Auge befindet. Die
persönliche Strahlenbelastung hängt daneben natürlich auch
von der Einwirkdauer (ges. Benutzungszeit) ab.
Zwar
ist das Verfahren bei der heute üblichen 2.
und 3. Generation im Ablauf ähnlich,
jedoch ist der Aufbau durch die Verwendung einer Mikrokanalplatte
(MCP) verschieden. Die Bildverstärkung wird weniger durch die Beschleunigung
(ca. 5-6 kV) als durch die Vervielfältigung der Elektronen (daher ist
strenggenommen auch "Restlichtverstärker" irreführend)
innerhalb der MCP erreicht. Prinzipiell erhalten bleiben in dieser Röhre
zwar die beiden Umwandler (empfindlichere Photokathode, grünlich-gelblicher
Phosphorschirm), allerdings wird statt dem Anodenkegel die angesprochene Mikrokanalplatte
(engl. microchannelplate, MCP) verwendet. Diese extrem
dünne Glasplatte besitzt ca. 2-6 Mio. kleinster "Löcher",
die leicht geneigt zur optischen Achse angeordnet sind. Dringen die Elektronen
in diese Mikrokanäle ein, so treffen
sie (wegen der Neigung der Mikroröhren, ca 8°) auf die speziell behandelten
Wandungen und lösen dabei weitere Elektronen aus der Beschichtung. Diese
treffen ihrerseits wieder auf die Röhreninnenwand und
lösen kaskadenartig Elektronen heraus. Am Ende der Mikroröhren
kommen so einige hundert Teilchen heraus, die durch ein einziges Elektron
ausgelöst wurden (Stromverstärkung). Diese Technologie ermöglicht
auch kompaktere Systeme, da das 'Elektronenbild' kurz nach der Photokathode
praktisch verzerrungsfrei auf der dünnen
MCP nahfokussiert wird (Paralellprojektion).
Aufgrund der Bauweise nennt man diese Röhren auch 'Proximity
Image Intensifier'. Das Auflösungsvermögen solcher Systeme hängt
natürlich von der Anzahl der Mikroröhren ab. Ihre Leistungsfähigkeit
ist wesentlich größer als die der reinen "Beschleuniger-Systeme".
Älteres
"Infrarot-Zielgerät für Handwaffen" der Bundeswehr montiert
auf einem G3-Sturmgewehr
EU-Bi-Okulare:
GN-2 (SEK, BW) und TN-21 (GIGN)
US-ANVIS
Binokular - wird für Nachtflüge verwendet
Moderne
Nachtsichtbrillen (hier PVS-21) erlauben es, wichtige Parameter einzublenden
- besonders in der militärischen Luftfahrt von Bedeutung
Durch
sog. 'Beamcombiners' ist das (unverstärkte) Gesichtsfeld bei der PVS-21
viel größer. Die geringe Bautiefe und Gewicht sorgt für Tragekomfort.
Low
Profile Night Vision Goggle AN/AVS-502 (bzw. AN/PVS-21) der 3.Generation von
der Firma Litton - Das verstärkte Bild wird auf den beiden dunkel getönten
Glasscheiben ('Beamcombiners') über die "normale" Sicht eingeblendet
und kann sich je nach Dämmerungszustand anpassen.
Objektive sind unten (blau), IR-Aufheller (LED, darüber) zu erkennen
- eine der modernsten Nachtsichtbrillen, der Anschaffungspreis entspricht
in etwa einem Mittelklassewagen
