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5. Restlicht, elektromagnetische Strahlung

Ob Radiowellen, Mikrowellen, Licht, Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung - dies sind alles Erscheinungsformen von elektromagnetischer Strahlung. Sie unterscheiden sich durch ihre Wellenlänge (Frequenz). Dies erklärt auch die unterschiedlichen Eigenschaften bezüglich ihrer Beugung und Reflexion. Beispielsweise folgen Radio-Langwellen der Erdkrümmung, während Mikrowellen sich geradlinig ausbreiten (z.B. Kommunikation Erde-Satellit-Erde). Je höher die Frequenz einer Welle, umso höher ist auch ihre Energie.

Das menschliche Auge kann nur einen kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums erfassen. Zwischen 380 und 780 Nanometern (1 nm = 1.000.000.000stel Meter) Wellenlänge sehen wir diese Strahlung als Licht unterschiedlicher Färbung. Unterhalb von 400 nm liegt der ultraviolette Bereich, oberhalb von 750 nm der für NVD interessante, unsichtbare infrarote Bereich, indem ein großer Teil der nachts vorhandenen EM-Strahlung liegt. Als wichtigste "Restlicht"-Quellen gelten:

Bei der Entwicklung von leistungsfähigeren Nachtsichtgeräten wurde immer eine Verschiebung in das tiefere IR-Spektrum angestrebt, um noch mehr vorhandene Strahlung nutzen zu können. Aufgrund der niedrigeren Frequenz von infraroter Strahlung gegenüber dem sichtbaren Licht ist auch mit (leicht) unterschiedlichem Reflektionsverhalten zu rechnen. In der Tat erscheinen manche Materialien und Objekte unter der Betrachtung mit einem Nachtsichtgerät im Vergleich zur Ansicht tagsüber unterschiedlich kontrastierend (mehr Reflektion oder Absorption von IR-Strahlung). Beispielsweise wirken bestimmte schwarze, dunkle Oberflächen (mit dem bloßen Auge betrachtet) im monochromatischen Bild eines Restlichtverstärkers auf einmal ungewohnt heller als z.B. eine unter 'normalen' Lichtverhältnissen hell erscheinende Oberfläche.

Für klassische Nachtsichtgeräte nicht mehr nutzbar befindet sich im tiefen IR-Spektrum die Wärmestrahlung, deren Verteilung sog. Wärmebildkameras (oder z.B. FLIR, Forward Looking Infra Red) für Darstellungen der Umgebung nutzen. Wärmestrahlung ist prinzipiell immer vorhanden, sobald ein Objekt eine Energie über dem absoluten Nullpunkt (ca. -273 °C) besitzt. In der Praxis muß ein beobachtbares Objekt eine von dem Hintergrund unterscheidbare Temperatur haben, um auf dem Schirm eines Wärmebildgerätes sichtbar gemacht zu werden. Daher ist diese Technologie bestens geeignet zur Auffindung von Wärme abstrahlenden Körpern (Nutzung z.B. für Personenauffindung, Erkennung von Brandnestern, Materialschwächungen, heißlaufenden Teilen oder zur mil. Zielerfassung). Es entsteht bei dieser Art von Nachtsichtgeräten kein Bild der Umgebung, wie man es zur Orientierung im Gelände braucht, sondern ein Bild, daß die Temperaturdifferenzen deutlich macht. Unterschiedliche Oberflächen mit gleicher Temperatur werden daher entsprechend kontrastarm oder gar nicht dargestellt.

6. Objektiv

Bevor die Bildverstärkerröhre Restlicht verstärken kann, muß dieses erst einmal 'eingefangen' und gesammelt werden. Eine gute Röhre nutzt daher nicht viel, wenn das Objektiv eher einem Sperrfilter für infrarotes Licht gleichkommt oder eine falsche Projektionsfläche aufweist. Da die Röhre nur das vom Objektiv gesammelte und durchgelassene Restlicht verstärken kann, ist es logisch, daß eine entsprechende Abstimmung zwischen dem optischen und elektronischen Teil stattfinden sollte (Nachtsichtgeräte sind auf jede einzelne Licht-Information angewiesen!). Die Aufgabe des Objektives, möglichst viel Licht zu sammeln und ein Abbild der Umgebung auf den Bildverstärker zu fokussieren, geht einher mit der Forderung nach einem guten Durchlassgrad für IR-Strahlung, die das Linsensystem passieren muß. Weil der hauptsächliche Arbeitsbereich von NVD-Objektiven statt im sichtbaren, im unsichtbaren IR-Spektrum liegt und dessen Strahlung leicht veränderte Eigenschaften aufweist (s. 5. Restlicht, elektromagnetische Strahlung) kommen i.d.R. speziell vergütete, beschichtete Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten (kleine Werte bei Brillen, größere Brennweiten bei Nachtsichtzielgeräten) zum Einsatz.

Links: Verluste: Herausfilterung von IR-Licht, Reflektionen an den jeweiligen Grenzschichten
Rechts: AN/PVS-7B mit Wechselobjektiv (Foto-Objektiv)

Beliebt sind im zivilen Bereich auch Nachtsichtgeräte mit Objektiven, die ursprünglich einmal für Fotokameras entwickelt wurden. Allerdings gibt es hierbei auch einige Schwierigkeiten: Ein für Fotokameras geeignetes Objektiv kann in Verbindung mit einem modernen Nachtsichtgerät dessen Leistungspotential sogar verringern, da z.B. ein großer Teil der IR-Strahlung von den Linsen reflektiert oder geschluckt werden kann. Während beim Fotographieren mit viel mehr vorhandenem Licht gearbeitet wird, muß man sich als Anwender von Nachtsichtgeräten vergegenwärtigen, daß diese Geräte paraktisch immer im "Bereich des Mangels" arbeiten müssen. Dies erklärt, warum auch optisch aufwendige Linsensysteme, wie sie z.B. in Zoomobjektiven oder Objektiven mit großen Brennweiten (starke Vergrößerung) vorkommen, i.d.R. für ein Nachtsichtgerät nicht in Frage kommen - es sei denn, man kann den an jeder Linse auftretendem Lichtverlust (u.a. Reflektionen) mit entsprechendem Objektivdurchmesser begegnen (was aber wiederum zu großen und schweren Geräten führt, Bsp. Objektive für die Astronomie). Im Gegensatz zu den aus der Fotographie bekannten Wechselobjektiven gibt es für einige Nachtsichtgeräte aufsteckbare Vergrößerungsobjektive. Nicht zuletzt wegen einer möglichen Stickstoffüllung (verhindert Kondenswasserausfall und ein Beschlagen der Optik von innen, bzw. trägt auch zur Langlebigkeit der Röhre bei), der Verschmutzungsgefahr und der Dichtigkeit werden moderne Nachtsichtgeräte als geschlossene Systeme gehandhabt. Jedoch kann man den (wegen Verfügbarkeit, Zoomeigenschaften und Vielseitigkeit beliebten) Einsatz von Foto- bzw. Wechselobjektiven bei NSGs der 1.Generation noch vertreten, da sie meist noch keinen allzu großen Nachteil einbringen (Arbeitsbereich Gen 1 auch zu erheblichen Teilen im sichtbaren Bereich).

Gerade bei NSGs der 1.Generation sind Objektive mit einer physischen Blende von Vorteil, da man so die Röhre vor zu viel Lichteinfall je nach Situation (Dämmerung, Voll- bzw. Neumond, Kunstlicht) durch manuelle Blendenwahl schützen kann. Verfügt ein Objektiv nicht über eine physische Blende, so besitzt es zumindest über eine relative Blende (als Maß für die Größe der Öffnung des Objektives), welche über die Lichtstärke entscheidet. Die rel. Blende wird als sog. f-Wert des Objektives angegeben. Je geringer der Zahlenwert dabei ist, desto größer ist die Lichtstärke - mehr Licht kommt bis zum Bildverstärker durch. Ein f-Wert von ca. 1,4 sollte beispielsweise bei NVDs nicht überschritten werden. Ein Zoomobjektiv oder ein Objektiv mit fester, hoher Brennweite zu finden, daß auch nur in etwa einen solchen Wert erreicht, erkauft sich diese Lichtstärke durch entsprechend großen Durchmesser und Gewicht (z.B. bei Sportfotografen zu sehen). Es hat sich gezeigt, daß Brennweiten wesentlich über 100 mm (100 mm entspricht ca. 3-4 facher Vergrößerung) bei Nachtsichtgeräten nur für spezielle Anwendungen (z.B. Überwachung auf hoher See, bzw. im weitlläufigen Gelände) sinnvoll sind (komplizierte Optik für hohe Vergrößerung bei guter Lichtstärke notwendig).

Extremes Parabolspiegel-Objektiv im Größenvergleich mit einer AN/PVS-7B-Brille

 

Neben den Lichtverlusten aus Exfiltration bestimmter Wellenlängen und allgemeiner Lichtschwäche, können auch größere Lichtanteile einfach durch eine zu große Projektionsfläche des Objektives verloren gehen. Dabei wird das gesammelte Licht über den Rand des Bildverstärkers hinaus fokussiert. Diese Teile der Lichtinformation stehen dann der Röhre nicht mehr zur Verfügung. Gerade bei der Verwendung von Foto-Objektiven, die meistens für 35 mm Negative konstruiert sind, geht weit über die Hälfte (!) des Lichts auf diese Weise verloren, weil die Oberfläche der Photokathode moderner Gen 2 & 3 Bildverstärker nur einen Durchmesser von 25 oder 18 mm hat.

Der Einsatz von besonders lichtstarken, infrarotdruchlässigen Objektiven (speziell vergütet) mit möglichst wenigen Linsen (d.h. verlustreichen Übergängen zwischen festen und gasförmigen Medien) ist bei modernen militärischen Nachtsichtgeräten mittlerweile selbstverständlich. Beispielsweise wird die aktuelle amerikanische Nachtsichtbrille AN/PVS-7B/D serienmässig mit einem kleinen, aber sehr lichtstarken (f 1.17, 26 mm) Objektiv von hoher IR-Durchlässigkeit ausgeliefert. Für dieses Gerät gibt es als Zubehör Spezialobjektive ('afocal') mit höherer Brennweite, so daß Vergrößerungen von 3-5 fach durch einfaches Aufstecken auf das Standardobjektiv erreicht werden. An der Aufweitung des Vorsatzobjektivs ist zu erkennen, daß den Lichtverlusten auch hierbei mit größeren und damit schweren Linsen begegnet wird. Desweiteren ist erst aufgrund des verbreiteten Einsatzes von Gen 3 Röhren in dieser Nachtsichtbrille (in Ausnahmen gibt es noch alte Gen 2 Röhren für dieses seit den späten 80er Jahren an die US-Streitkräfte ausgelieferte System) ein brauchbares, vergrößertes Abbild möglich. Allerdings ist die AN/PVS-7 mit Vorsatzobjektiv etwas unhandlich und auch schon wegen dem Gesamtgewicht (und dem großen Hebelarm) nicht mehr als Nachtsichtbrille zu verwenden, sondern eher für relativ standortgebundene Beobachtungen geeignet. Dasselbe Vorsatzobjektiv kann auch mit dem Monokular AN/PVS-14 verwendet werden.

Bei 1-facher Vergrößerung und einem großen Blickwinkel (40°-50°) können die Objektive moderner Nachtsichtbrillen recht klein gehalten werden. Die Einstellung der Schärfe erfolgt manuell und reicht meistens von ca. 25-50 cm bis unendlich. Schon ab kurzer Entfernung muß aber nicht mehr fokussiert werden (Einstellung auf unendlich). Im Nahbereich (z.B. Kartenlesen) ist dagegen die Schärfentiefe begrenzt und es muß öfters nachfokussiert werden. Besonders bei Nachtsichtgeräten aus osteuropäischem Militär-Bestand ist das Objektiv öfters als sog. Fixfokus-Objektiv ausgeführt. Dabei wird nach einem gewissen Mindestabstand das beobachtete Objekt immer scharf abgebildet, ohne daß eine Möglichkeit zur manuellen Scharfstellung gegeben ist. Das mit einem Fixfokus-Objektiv eigentlich nur ein begrenzter Bereich einwandfrei scharf gesehen wird, ist in der Praxis aufgrund der sowieso eingeschränkten Beobachtungsreichweite (meist unter 200 m) unerheblich. Jedoch zeigt sich der Nachteil dieser Konstruktion in einem einzuhaltenden Mindestabstand von ca. 5-15 Metern, innerhalb dessen alles unscharf zu sehen ist. Mag dieser Umstand bei vergrößernden Beobachtungsgeräten noch nicht von Bedeutung sein, ist beispielsweise ein Schärfebereich ab 10 m (trotz 1-facher Vergrößerung) bei einigen osteuropäischen Nachtsichtbrillen problematisch. Wenn man also mit diesen (älteren) Nachtsichtbrillen den Untergrund vor den Füßen, oder die nähere Umgebung genauer betrachten will, so hat man schlechte Karten (die im übertragenen Sinn damit ebenso nicht zu lesen sind). Die militärischen Vorteile bei Fixfokusobjektiven liegen in ihrer Robustheit und Unempfindlichkeit im feldmäßigen Einsatz. Bei einigen Objektiven dieser Gattung kann mit speziellen Abstandsringen ein unterschiedlicher Schärfebereich werksseitig eingestellt werden.
Auf jeden Fall sollte auf die Glasqualität des Objektivs, bzw. Vergütung der Linsen von Nachtsichtgeräten geachtet werden. Auch so mancher westlicher Hersteller hat in der Vergangenheit für den zivilen Markt schon erstklassige, teure Röhren in billige Gehäuse mit Kunststoff-Linsen (kratzfest?) verbaut. Es ist sehr fragwürdig, ob damit das Potential der Röhre voll ausgenutzt wird.

EM-Spektrum

Das sichtbare Licht ist nur ein kleiner Ausschnitt des gesamten elektromagnetischen Spektrums. Die Kurve verdeutlicht die Empfindlichkeit des menschlichen Auges innerhalb der verschiedenen Wellenlängen. Dabei wird die Farbe Grün in ca. doppelt so vielen Abstufungen wahrgenommen als beispielsweise die Farbe Rot, weswegen die meisten Nachtsichtgeräte ein grünes Bild liefern. Je nach verwendetem Phosphorgemisch sind auch andere Farben für andere Anwendungen (Cockpit-Beleuchtung) möglich.

AN/PVS-7B Objektiv
Speziell IR-korrigiertes AN/PVS-7B Objektiv (1x)

Lichtverluste PVS-7B

AN/TVS-5
Nachtsichtzielfernrohr AN/TVS-5 (6,5x, Range 1,2 km): Eine hohe Vergrösserung bedeutet zwangsläufig Lichtverluste. Ausgeglichen werden sie durch große Linsen (Parabolspiegelobjektiv).

Filin-Serie

Im Vergleich der beiden russ. Filin-Nachtsichtgeräte (Gen 1: links 2-fach, rechts 7-fach) werden die einhergehenden Nachteile von starken Vergrößerungen schon von außen deutlich

Nachtsichtfernglas
zu große Projektionsfläche

AN/PVS-7D Afocal
AN/PVS-7D mit 3x-Vorsatzobjektiv (75 mm, f 1.5)

Simrad GN2
Die GN2 hat durch ihre Kompaktheit ein kompliziertes optisches System. Fokussiert wird über einen Hebel.


wechselnde Lichtverhältnisse

Wärmebild, hier: warm=weißWärmebild