4. Generationen

Die Einordnung der Nachtsichtgeräte in 'Generationen' (Gen) verdeutlicht grundsätzlich den jeweiligen Entwicklungssprung der verwendeten Bildverstärkerröhren. Allerdings gibt es wiederum keine einheitliche Normierung oder Schutz des Begriffs 'Generation'. So ist beispielsweise die '3.Generation' ein Begriff, der hauptsächlich von US-Herstellern benutzt wird (und schon fast als Markenzeichen zu sehen ist), um Röhren mit einer besonders empfindlichen Galium-Arsenid-Beschichtung (GaAs) der Photokathode zu kennzeichnen. Während aus naheliegenden Gründen russische Hersteller mit Blick auf den großen, zivilen US-Markt mittlerweile dazu übergehen Röhren mit GaAs-Beschichtungen auch als 3.Generation zu bezeichnen, hat man in Europa Röhren mit anderen Beschichtungen, bzw. eigenen Modellbezeichnungen auf den Markt gebracht. Auf der Grundlage der 2+Generation wurden in der EU MCP-Röhren entwickelt, die sich mit der US-Konkurrenz ein qualitatives 'Kopf-an-Kopf-Rennen' liefern (jedoch sind die US-Röhren durch größere Massenproduktion bei gleichen Leistungen meist günstiger). Die Komplexität des Begriffs 'Generation' verursacht durch unterschiedliche Qualitäts-Auffassungen (bzw. Herkunft der Röhre) wird auch noch durch erhebliche Leistungsunterschiede innerhalb einer Generation vermehrt. Beispielsweise scheinen Qualitätstoleranzen bei östlichen Röhren derselben Generation größer zu sein als bei westlichen Produkten. Dazu kommen auch noch leicht unterschiedliche Messmethoden für beispielsweise die Auflösung einer Röhre (bei US-Herstellern etwas großzügiger, als in Europa). Da auch die 3.Generation in Amerika seit Ende der achziger Jahre fortwährend weiterentwickelt wurde, wird dort eine qualitative Einteilung von Gen 3 Röhren über die Regierungsaufträge für die Streitkräfte in sog. 'Omnibus'-Verträgen kategorisiert (aktuell OMNI V & VI). Ob es der US-Industrie gelingt Verbesserungen (die auch in der EU-Produktion auftauchen) wie z.B. sog. 'Autogated Filmless Tubes' als eine eigene (vierte) Generation zu vermarkten hängt nicht zuletzt von den Mitteln des Pentagon ab, da es seit Jahren US-Politik ist jede neue Generation für die eigenen Streitkräfte exklusiv anzuschaffen.

Trotz dieser Definitionsprobleme und Vergleichsschwierigkeiten in Sachen 'Generationen von Nachtsichtgeräten' kann man im wesentlichen fünf Generationen technisch begründen. Der Entwicklungssprung von der 0. zur 1. Generation besteht weniger in der Bauart als in der Verwendung einer wesentlich lichtempfinlicheren Multialkali-Beschichtung der Photokathode. Ein sehr großer Anschub in der Nachtsichttechnik bedeutete ab Gen 2 die Einführung der Mikrokanalplatte (MCP), welche neben deutlich besserer Aufhellung auch radikal die Bauart verkleinerte (in vielen Exportvorschriften westlicher Länder wird daher auch als Kriterium für ein ausfuhrgenemigungspflichtiges Nachtsichtgerät das Vorhandensein einer MCP genannt). Ähnlich zum Schritt von Gen 0 zur Gen 1 verhält es sich mit Gen 2 zu Gen 3: Keine neue Bauart, aber eine nochmals wesentlich lichtempfindlichere Beschichtung (und eine bessere Steuerelektronik) begründet den Begriff der 3.Generation. Weil unter Umständen also eine Gen 2+ Röhre eine bessere Leistung bietet als eine frühe Gen 3 kann man die Qualität des Bildverstärkers genauer in den ermittelten Werten für Auflösung, Lichtempfindlichkeit und Signalrauschen abschätzen (die Hersteller liefern mit der Röhre Datenblätter, sog. Data Sheets aus). Nicht zuletzt ist jede Röhre in ihren Eigenschaften fast ein 'Unikat' und solllte bei einer solch hohen Investition immer noch unter realen Bedingungen getestet werden.

Die untenstehenden Diagramme zeigen die durchschnittliche infrarote Strahlung in der Nacht. Es ist deutlich zu sehen, daß sich weit jenseits der 800 nm Wellenlänge ein großer Anteil der IR-Strahlungsenergie befindet und Nachtsichtgeräten der 1.Generation im Gegensatz zu den Geräten der 3.Generation nicht zur Verfügung steht (natürlich hat sich auch die Verstärkungsleistung der 3.Generation erheblich gegenüber der 1.Generation gesteigert). Bemerkenswerterweise hat gerade die älteste Generation, den breitesten Arbeitsbereich - kann ihn aber u.a. aufgrund der zu geringen Empfindlichkeit der Photokathode so gut wie gar nicht nutzen.

0.Generation

Geräte dieser Generation sind von der Restlichtaufhellung so leistungsschwach, daß i.d.R. zur Beobachtung ein starker, zusätzlicher IR-Strahler benutzt werden muß. Daher werden sie auch als 'aktive Nachtsichtgeräte' bezeichnet. Es findet im Gegensatz zu den anderen Generationen mehr eine Umwandlung von (IR-) Licht als eine Verstärkung statt (man spricht daher hierbei eher von Bildwandlerröhren). Durch die Verwendung eines IR-Strahlers hat der Benutzer zwei entscheidende Nachteile: Zum einen ist die Beobachtungsdauer von der meist schweren und klobigen Stromquelle abhängig und zum anderen ist der Benutzer von anderen NVD-Nutzern durch den Scheinwerfer weithin sichtbar. Der Vorteil von Bildwandlerröhren der 0.Generation ist eine breite Empfindlichkeit im tiefen Infrarotbereich (nahezu unsichtbare Strahler können eingesetzt werden). Das Konstruktionsprinzip der Bildröhren reicht bis in die 30er Jahre zurück.
Aufbau Bildwandlerröhre:

Ein automatischer Schutz der lichtempfindlichen Röhre besteht nicht (Gefahr der Beschädigung bei hellem Licht, z.B. Autoscheinwerfer). Aufgrund der chemischen Eigenschaften ist die Lebensdauer (Standzeit) der Röhre begrenzt und es ist ein deutliches Nachleuchten von hellen Objekten sichtbar.
Wenn es dem Anwender nicht auf die Handlichkeit des Systems und die eigene IR-Erkennbarkeit ankommt, sind diese Geräte bsp. für Tierbeobachtungen gut geeignet, obwohl sie technisch als veraltet gelten. Der Arbeitsbereich dieser Generation liegt zwischen 750 und 950 nm Wellenlänge.

1. Generation (1+Generation)

Mit der Einführung der sog. Multialkali-Photokathode (ab Mitte 50er Jahre) wurde eine größere Lichtempfindlichkeit der Röhre erreicht, so daß die IR-Zusatzbeleuchtung meistens entfallen konnte. Diese Bildverstärkerröhre arbeitet im unteren IR-Spektrum / oberen sichtbaren Bereich.
Der Aufbau einer 1.Gen-Röhre entspricht prinzipiell dem der o.Generation:

Obwohl die Verstärkung insgesamt besser als bei der 0.Gen ist, bleibt sie doch deutlich hinter den Leistungen der aktuellen 2. oder 3. Generation zurück, da das Prinzip der Bildverstärkung über Beschleunigung hier an seine Grenzen stößt. Eine befriedigende Restlichtaufhellung wäre auf jene Weise nur über einen größeren Beschleunigungsweg zu erreichen gewesen. Dieser hätte jedoch auch die systembedingten, deutlichen Verzerrungen der Abbildung nochmals vergrößert und zudem das Gerät in seinen Dimensionen ebenso weniger praktikabel gemacht. Teilweise wurden zur Verbesserung der Aufhellung drei Röhren hintereinander geschaltet (2-3 stufige Röhren). Dadurch wird zwar das Abbild heller, aber auch weniger detailliert und kontrastreich. Außerdem gehen von Stufe zu Stufe immer mehr (Licht-) Informationen verloren und die Fehler multiplizieren sich.
Die Standzeiten (ca. 1000 - 2000 h) der Bildverstärkerröhre wurden bei der 1.Generation gegenüber der 0.Gen noch erhöht. Verbesserungen gab es auch bezüglich der kürzeren Nachleuchtzeit des Phosphorschirms. Allerdings fehlte ein automatischer Schutz gegen hellen Lichteinfall bei Röhren dieser Generation (dies erwies sich besonders bei militärischer Anwendung wegen Gefechts-Lichtblitzen als einschränkend). Die Bezeichnung 1+Generation bezieht sich bei gleicher Technologie lediglich auf die Verwendung von Glasfaserbündeln (statt Glasfenster) am Ein-/Ausgangsfenster der Röhre. Die 1. / 1+Generation gilt als technisch veraltet. Der Arbeitsbereich liegt zwischen 750 und 800 nm Wellenlänge.

2.Generation

Der Schritt zur modernen Bildverstärkerröhre vollzug sich ab Mitte der 60er Jahre durch die Einführung der Mikrokanalplatte (engl. microchannelplate, MCP). Damit wurde das Arbeitsprinzip der Röhre von der Beschleunigung der Elektronen auf Vervielfältigung umgestellt. In Geräten der 2.Generation und aufwärts befindet sich i.d.R. statt dem Anodenkegel ein sehr dünnes Glasplättchen, welches durch eine elektrochemische Beschichtung Elektronen vervielfältigt. Diese MCP ist durchzogen von über 2 Mio. paralellen, aber zur Bildröhrenachse leicht geneigten, Mikroröhren. Innerhalb dieser winzigen Kanäle trifft das primäre Elektron durch die Neigung der Mikroröhren auf die Beschichtung der Wandung und löst kaskadenartig weitere Sekundärelektronen heraus. Am Ende steht eine Vervielfältigung der auf der Rückseite emittierten Elektronen um den Faktor 100-1000. Die Anzahl der Mikroröhren auf der Glasplatte bestimmt die Auflösung des Bildverstärkers. Fokussierung und das eventuell benötigte Wenden um 180° des Bildes wird von einem Bündel aus Glasfasern übernommen (seltener durch zusätzlichen Anodenkegel - russ. Bauart).
Aufbau Bildverstärkerröhre:

Durch das neuartige Funktionsprinzip der MCP wird im Vergleich zu der Vorgänger-Generation eine wesentlich größere Lichtverstärkung erreicht (i.d.R. kein IR-Strahler ntwendig). Dazu kommt eine systemimmanente Schutzfunktion gegen Überblendung von außen: Die MCP hat eine natürliche Obergrenze an emittierbaren Elektronen, so daß ein starker Lichteinfall nicht unmittelbar zum Durchbrennen der Bildverstärkerröhre führt. Typischerweise ab Gen 2 regelt auch die Steuerelektronik den Strom je nach Lichtsituation - Anpassung an starken Lichteinfall (ABC-Funktion). Desweitern sind die Abmessungen und das Gewicht dieser Röhren durch die Verwendung der MCP sehr viel kleiner geworden (Nachtsichtbrillen). Die Lebensdauer erhöhte sich auf ca. 2500 - 5000 h. Neben der Problematik des Nachleuchtens wurden auch die Verzerrungen des Bildes damit beseitigt (bei anodenloser Ausführung). Die 2. Generation arbeitet hauptsächlich im Bereich zwischen 780 und 850 nm Wellenlänge.

2+Generation und Super-Gen

Diese verbesserten Varianten der 2.Gen-Röhre (ab Mitte 70er Jahre) weisen Veränderungen der MCP, der Photokathode und des Phosphorschirms auf: Die Auflösung verfeinerte sich durch min. 4 Mio. Mikroröhren, während eine optimierte Schrägstellung der Mikroröhren es auch möglich machte gegen eine direkte Lichtquelle teilweise noch den Hintergrund abzubilden (BSP, bright source protection - Überblendungschutz). Das Hintergrundrauschen wurde ebenfalls reduziert. Die neue S-25 Photokathode reagierte besser auf infrarotes Licht, ein verändertes Phosphorgemisch des Schirms brachte kürzere chemische Reaktionszeiten ('Nachleuchtspuren') und hellere, kontrastreischere Abbildungen.
Bei Bildwandlern 2Super-Generation wurde die Empfindlichkeit mit der neuen S-20R (redshift) Photokathode weiter in das IR-Spektrum verschoben. Verbesserte MCP und der P-22 Phosphorschirm sorgten insgesamt für eine erhebliche Verbesserung, so daß (nicht zuletzt auch aufgrund der günstigeren Produktionskosten) die Super-Gen-Röhre fast die ersten Gen 3 Röhren verdrängt hat.
Vom Konstruktionsprinzip gesehen entsprechen die neuesten europäischen Röhren, mit bis zu 12 Mio. Mikroröhren dieser Generation. Ihre Leistung ist aber derart hoch, daß sie eher mit den derzeit besten US-Röhren der 3.Generation (bzw. der '4.Generation') vergleichbar sind ('Europäischer Weg').

3.Generation

Der Fortschritt dieser Entwicklungsstufe basiert, neben weiteren Verbesserungen der Steuerelektronik, MCP und des P-20 Phosphorschirms, auf einer neuen Photokathoden-Beschichtung. Ein Gemisch aus den Elementen Gallium und Arsen (GaAs) zeigte eine weitaus höhre Lichtempfindlichkeit als alle zuvor bekannten Beschichtungen. Typisches Kennzeichen der GaAs-Beschichtung sind sog. HALOs: Große, gleichmäßig leuchtende Ringe um Lichtquellen im Bild. Ende der 80er Jahre wurden die ersten Nachtsichtgeräte mit der Gallium-Arsenid-Photokathode produziert (und fanden gleich ihren ersten Einsatz im Golfkrieg 1991).
Aufbau Bildverstärkerröhre:

Gegenüber der Golfkriegs-Generation von 1991 wurden die neusten G3-Bildröhren in Ihrer Leistungsfähigkeit nochmals mehr als verdoppelt (Lichtempfindlichkeit gegenüber 0.Gen - dreistelliger Faktor!). Zur Erhöhung der Röhren-Standzeit (ca. 10.000 h) wird eine Aluminiumoxid-Beschichtung (Ionenbarriere) verwendet, die zwar die empfindliche Beschichtung schützt, aber leider dadurch auch die Anzahl der emittierten Elektronen reduziert. Moderne G3-Röhren spielen ihren Vorteil gegenüber der 2.Generation vor allem in 'Low-Light-Level'-Situationen (z.B. bewaldete Regionen) aus. Der Arbeitsbereich der 3.Generation liegt zwischen 780 und 920 nm Wellenlänge.
Westliche Bildverstärkerröhren dieser Generation unterliegen bislang strikt der Ausfuhrgenehmigung und können i.d.R. nur an die Behörden befreundeter (NATO-) Staaten geliefert werden. Dabei hat sich die Industrie mit dem State Department auf einen Maximalwert von 1600 (sog. 'Figure Of Merit' - 'FOM'), dem jeweiligen Produkt aus Auflösung und Rauschverhalten (S/N) für eine exportierbare Röhre geeinigt. Aufgrund der mittlerweile langen Entwicklungsgeschichte der 3.Generation gibt es diese Röhren für Zivilisten nur auf dem US-Binnenmarkt. Qualitäts-Kriterium ist hierbei der entsprechende offizielle Liefervertrag der US-Regierung (OMNIBUS, ONMI I, II, III, IV, V, VI).

'4. Generation', bzw Folgende

Es werden z.Z. die US-Streitkräfte teilweise mit sog.'filmless' bzw. 'thin filmed' Röhren im Rahmen des OMNI V & VI Vertrages ausgerüstet, welche im tiefen IR-Bereich sehr empfindlich sind. Bei diesen Röhren wird der angesprochene Schutzfilm stark reduziert (bzw. weggelassen) und die Stromversorgung sehr kurz getaktet ('gated', 'autogated') um die bis zu 15.000 h Lebensdauer der Beschichtung zu garantieren, bzw. gegen starken Lichteinfall besser zu schützen. Obwohl nocheinmal eine deutliche Leistungssteigerung damit zu verzeichnen ist und die Hersteller natürlich den Markt im Auge haben ist es (noch) nicht ganz sicher, ob diese Bildverstärker nun offiziell die 4.Generation darstellen. Technologisch gesehen wäre der Begriff '4.Generation' anscheined gerechtfertigt. Eine Weitergabe auch an Insitutionen befreundeter Staaten ist derzeit sehr unwahrscheinlich.
Die neuesten europäischen 'autogated'-Röhren (z.B. DEP XR5, Photonis XH 72) scheinen jedoch in der Praxis den großen Vorteil zu haben, daß sie sogar am Tage problemlos zu betreiben sind und wegen ihrer Photokathoden-Beschichtung keine so großen Halos um Lichtquellen zeichnen. Während diese Röhren in den Meßwerten Auflösung derzeit etwas besser als die US-Konkurrenz abschneiden, ist ihre Überlegenheit in Sachen Aufhellung fraglich.

Zukunftsträchtig für die neuen Generationen von Nachtsichtgeräten wird neben der Einspiegelung von Daten auch die Vergrößerung des Blickfeldes, Verringerung der Bautiefe von Nachtsichtbrillen (Hebelarm) und die Kombination (bzw. Überlagerung) von NV und Wärmebildgeräten sein. Jedoch auch die Beschichtungstechnologie ist noch nicht am Ende ihrer Möglichkeiten: Gegenwärtig wird mit Schichten aus lichtempfindlichen Nanopartikeln in Richtung kleiner, besser, billiger erfolgsversprechend experimentiert. Vergleichbare CCD-Systeme sind derzeit aber noch nicht ganz in der Lage die klassischen Vakuumröhren zu ersetzen. Man darf aber sicher sein, daß schon einige interessante Prototypen bei den Herstellern oder Regierungsstellen derzeit unter Verschluß liegen und entsprechend getestet werden.

4. Generationen

0.Generation

S-1 Photokathode, Beschichtung aus mit Silber versetztem Cäsiumoxid

Anodenkegel, sorgt über angelegte Hochspannung (Beschleunigung) für Fokussierung und Umdrehen des Bildes (steht innerhalb der Röhre "auf dem Kopf")

P-1 Phosphorschirm, Beschichtung aus mit Zink und Cadmium versetztem Phosphor

1. Generation (1+Generation)

S-20 Photokathode, Beschichtung aus Kalium, Natrium, Cäsium, Silber

Anodenkegel, sorgt über angelegte Hochspannung (Beschleunigung) für Fokussierung und Umdrehen des Bildes um 180°

P-20 Phosphorschirm, mit stärkerer Leuchtkraft als bei 0.Gen

2.Generation

S-20 Photokathode, unwesentlich verbessert gegenüber 1.Gen

Mikrokanalplatte MCP, Elektronenvervielfältigung, ab 2 Mio. Kanäle, Fiber-Twist (Glasfaserbündel 180° gedreht)

P-10-52 Phosphorschirm, Variante des P-20 Phosphorschirms

2+Generation und Super-Gen

3.Generation

Gallium-Arsenid Photokathode

Mikrokanalplatte MCP, 6-12 Mio. Mikrokanäle

P-43 Phosphorschirm, (ältere Röhren mit P-20)

'4. Generation', bzw Folgende

0.Gen (750-950nm): Breiter Arbeitsbereich vom nahen, bis in den tiefen IR-Bereich - technisch aber leider sehr wenig Verstärkung

1.Gen (750-800nm): Arbeitsbereich liegt noch zum Teil im sichtbaren Frequenzbereich und reicht wenig ins IR-Spektrum

2.Gen (780-850nm): Wesentlich mehr IR-Energie aus diesem Bereich wird genutzt - weiter weg vom sichtbaren Spektrum

3.Gen (780-920nm): Ausnutzung bis in den tiefen IR-Bereich hinein - es steht deutlich mehr IR-Licht zur Verfügung