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Einführung

Nachtsichttechnik – Historie und Entwicklung

(Autor: Michael Engelhardt)

 

Historie

 

Erfindung in Deutschland

 

Grundlegende Erfindung durch Dr. Schaffernicht, AEG, das Prinzip der Bildwandler- und Bildverstärker-Röhren wurde 1934/35 patentiert.

Bild Patentschrift

Militärischer Nutzen wurde von Hitler nicht erkannt, weshalb dieser Bereich der Reichspost zugeordnet wurde.

 

1943: wenige Hundert Geräte

1944: bereits ca. ca. 2000 Geräte im Einsatz

 

Bevorzugter Einsatz der sogenannten UR-Geräte

Beobachtung / Zielbeobachtung / Fahrgeräte

Sinnige Gerätenamen wie Spanner, Eule, Uhu, Falter, Falter/Vampir (ZG 1229 für STG 44/ RPF/Leiz) erfolgreich erprobt 1945 in Kleinserie,

 

Technik

 

Grundprinzip der Nachtsichttechnik

 

Vorhandenes, für das menschliche Auge nicht sichtbares Licht sichtbar machen durch Transformation

 

Licht ist im Grunde genommen Strahlung auf Basis elektromagnetischer Wellen, wobei die Wellenlängen unterschiedlich sind. Die Entfernung zwischen zwei Wellenbergen bzw. Tälern sind die Wellenlängen. Als Maßeinheit wird in Meter gemessen. Sehr kurze Wellenlängen finden wir bspw. im Mikrowellenbereich (Mikrometer), sehr lange Wellen (mehrere Meter) sind typisch für Radiowellen.

 

Sichtbares (für den Menschen ohne Hilfsmittel) Licht, sogenanntes Weißlicht, finden wir im Spektrum von 380 Nanometer bis 750 Nanometer

1 Nanometer = 1 Milliardstel Meter (1/1.000.000.000 Meter)

Jede Wellenlänge hat eine individuelle Farbkodierung und kann deshalb vom Menschen als unterschiedlichen Farben (Spektralfarben) wahrgenommen werden.

Die kürzesten Wellen, die wir sehen können haben eine ultraviolette Farbe (ca. 400 NM) – die längsten Wellen haben eine rote Farbe (ca. 700NM).

Licht <  380 NM = UV-Licht

Licht     380 NM bis 750 NM sichtbar für menschliches Auge

Licht >  750 NM = Infrarot-Licht

Licht     750 NM bis 2000 NM = Naher Infrarotbereich

Licht > 2000 NM = Ferner Infrarotbereich (bis 1.000.000.000 NM=1mm)

Tiere sind von der Natur zum Teil bevorzugt ausgestattet. So können bspw. nachtaktive Tiere wie Hauskatze, Rehwild, Fuchs teilweise noch Licht im nahen Infrarotbereich nutzen. Dies erklärt auch das Aufschrecken beim Anstrahlen mit Infrarotlampen (Wirkung <780NM) bei der nächtlichen Pirsch.

 

Situationen bei Nacht

 

In der freien Natur gibt es keine völlige Dunkelheit. Durch Lichtstrahlungen von Mond, Sternen, aber auch künstlichen Lichtquellen wie Wohnansiedlungen, Kfz-frequentierte Straßen kann man mehr oder weniger gut bzw. schlecht in der Nacht sehen. Dabei nimmt die Menge des vorhandenen Restlichts bei idealen Bedingungen wie sternenklare Vollmondnacht (Restlicht 0,01 Lux) in dramatischer Weise ab, wenn sich die Bedingungen zunehmend verschlechtern. So ist die Restlichtmenge bei ungünstigsten Verhältnissen wie stark bewölkter mondloser Himmel nur noch 1/1000-tel (Restlicht 0,00001 Lux).

Grafik

 

Transformationstechnik

 

Licht, besser gesagt, kleinste Lichtteilchen = Photonen (auch für das menschliche Auge nicht sichtbar) werden in Elektronen umgewandelt und auf einem Leuchtschirm für das menschliche Auge sichtbar gemacht.

 

Graphik

 

Bildwandlerprinzip (Ursprüngliche Methode Gen 0)

 

Licht (Photonen) treffen auf die Photokathode und lösen Elektronen frei (lichtelektrischer Effekt) Dabei wird das dort abgebildete Bild durch unterschiedliche Emissionsdichte bestimmt. Ein als elektrische Linse wirkendes Elektrodensystem beschleunigt und fokussiert die Elektronen auf einen Fluoreszenzschirm. Die hoch beschleunigten Elektronen regen den Schirm zum Leuchten an. Dadurch entsteht ein sichtbares Bild der realen Situation (des Originals).

Der Aufbau der Photokathode bestimmt die Empfindlichkeit für infrarotes oder sichtbares Licht. Bei Verwendung einer Infrarotempfindlichen Kathode wird infrarotes Licht (nicht sichtbar) in ein sichtbares umgewandelt (=Bildwandlerröhre).

 

Da die Verstärkungsleistung der Gen 0 Röhren sehr schwach ist, muss eine Erhöhung der Lichtteilchen mittels zusätzlicher Lichtquelle erfolgen. Dabei wird bei einem Hochleistungsscheinwerfer sichtbares Licht mittels Filterscheibe zurückgehalten, sodass nur unsichtbares IR-Licht den Betrachtungsraum beleuchtet.

Entscheidender Vorteil: auch bei extrem wenig Restlicht gleichmäßig gute Leistung und hohe Bildqualität (kaum Bildrauschen, hohe Bildauflösung, gute Randschärfe).

Nachteil: leichte Detektierbarkeit durch andere/gegnerische Geräte wie NSG, DF ZF..); zusätzlicher Scheinwerfer mit Stormversorgung erhöht Volumen und Gewicht.

 

Fazit: auch Geräte der Gen 0 haben durchaus noch ihre Existenzberechtigung, insbesondere wenn beim Kauf der Preis eine entscheidende Rolle spielt.

 

Die in der Bundeswehr als Fero 51 und in der Schweizer Armee als FS 72 eingeführten Geräte haben für die Armee vor 30 Jahren soviel gekostet wie 2 VW Käfer und sind heute noch als Arsenalware oder übers Internet für ca. 300 – 800EUR zu haben. Gebrauchswert und Liebhaberwert sind nahezu identisch, weshalb auch fast kein Wertverlust eintritt. Es gibt noch alle Ersatzteile und Reparaturen werden durch uns ausgeführt.

 

Restlichtverstärkerprinzip

 

Geräte mit Bildwandler der 1. Generation arbeiten oft mit 2 oder 3 aneinander gereihten Röhren  und erreichen dadurch ausreichende Verstärkung von Restlicht, weshalb auf Scheinwerfer verzichtet werden konnte.

 

Entwicklung: Mitte 50er Jahren

 

Verwendung: umfangreich im Vietnamkrieg (u.a. Starlightscopes auf M14 und M16)

   Vorteile: keine Fremdlichtquelle erforderlich bei ausreichend Restlicht

   Nachteil: schlechte Bildqualität besonders im Randbereicht , starkes Bildrauschen;                            

                sowie relativ große Bauart (lange Geräte mit großem Durchmesser)

 

Eine entscheidende Weiterentwicklung gelang mit der Einführung der 2. Generation. Hierbei handelt es sich um eine neue Technologie der Microkanalplatte als echtes Verstärkungselement. Dieses Element ist in sogenannten MCP-Röhren hinter der Photokathode angeordnet. Im Grunde genommen ist es eine sehr dünne Glasscheibe, in der mittels elektro-chemischen Verfahren zwischen 1,5 bis 12 Mio. feinster Kanäle eingearbeitet sind. Diese Glaskanülen sind im Winkel von ca. 8 Grad angeordnet. Von der Photokathode erzeugte Elektronen treffen nun beim Eintritt in die Kanäle auf deren Wände. Dabei werden die Elektronen verdoppelt und durch den ständigen Wiederholungsprozeß bis zum Austritt das der Kanüle zig-tausendfach multipliziert.

Anschließend treffen diese zig-tausendfach vervielfachten (verstärkten) Elektronen den Bildschirm (spezielle Art von Sulfid-Phosphor), der beim Aufprallen von Elektronen leuchtet; ein Elektron schlägt theoretisch 1 Photon frei – Umgekehrtes Prinzip der Photokathode. Besonders bewärt hat sich die Verwendung von grün strahlendem Phosphor, da das menschliche Auge in diesem Farbton am besten Details und unterschiedliche Kontraste erkennen kann.

 

Historische Entwicklung der Generationen

 

Generation 0 Entwicklung bereits vor dem 2 WK und erfolgreicher Einsatz in kleinen Serien durch Deutsche Armee 1944/45. Umfangreiche Verwendung der Amerikaner im Korea-Krieg und z. T. heute noch bei Armeen in der Reserve.

 

Generation 1 Entwicklung Mitte der 50 Jahre in den USA und breite Anwendung im Vietnamkrieg (Starlightscope auf M14 und M16)

Der Aufbau der Röhren ist ähnelt stark der Gen.0, jedoch ist die Photokathode durch eine

verbesserte chemische Zusammensetzung lichtempfindlicher.

 

Röhren der 1.Gen. werden heute in Geräten der Preiskategorie < 1000 EUR hauptsächlich aus russischer Provenienz in großem Umfang für den zivilen Markt verbaut. 

 

Generation 2 Entwicklung Ende der 60 Jahre und durch kompakte Bauweise und geringere Empfindlichkeit durch Fremdlicht zusätzliche Nutzungen (Headmounted für Infanteristen, Flugzeugführer...)

 

Generation 3 Entwicklung Mitte der 70 und Einführung Anfang der 80 Jahre. Unterschied zur Gen 2 = Photokathode aus GaAs, dadurch zusätzliche Nutzung des IR-Lichtspektrums in höherwelligem Bereich und höhere Katodenempfindlichkeit als bei Gen 2.

Dieser anfängliche Leistungsvorteil wurde in den letzten Jahren durch ständige Weiterentwicklung der Gen 2 (ab 1985 Supergen) durch die europäischen Hersteller Photonis (Frankreich) und DEP (Holland) wett gemacht.

 

Generation 4 1997 wurden die Firmen ITT und Litton in der USA beauftragt, für die US Armee eine neue 4. Generation zu entwickeln. Diese sollte wie Gen.3 mit GaAs Photokathoden arbeiten, jedoch ohne die schützende Ionenbarriere auskommen.

Eine verbesserte Vakuumstechnologie zielte darauf ab, Ionenbildung zu verhindern, um so wirklich nutzbare 1800+ µA/lm Kathodenempflindlichkeit zu erreichen. Zusätzlich wurden die Röhren mit Autogating Technologie gefertigt und hätten somit auch bei sehr viel Licht (Tageslicht) eingesetzt werden sollen. Litton lieferte 1999 die ersten 50 Röhren diese Typs aus. Da diese Technik nicht ausgereift ist, hielten diesen Röhren nur wenige hundert Betriebsstunden.

Das Projekt 4. Generation wurde zurückgestellt. Als Nebenprodukt des Gen.4 Projektes wurde von ITT die 3. Generation mit extrem dünner Ionenbarriere (Thin Film) entwickelt. Diese ist

nur noch ein 10.000stel eines menschlichen Haares dick. Somit konnte wieder eine Lebensdauer von 10.000 Stunden bei ca. 25 % iger Leistungssteigerung erreicht werden.

In Verbindung mit der Autogating Technologie wird diese Röhren Typ als „Pinnacle“ bezeichnet.

 

Ist die 3. Generation besser als die 2. Generation?

 

Anders als weitläufig angenommen, ist die so genannte 3. Generation kein Kind der 90iger Jahre. Bereits 1975 wurde die erste Röhre mit GaAs-Photokathode von der Firma Intevac E-O Sensors/USA hergestellt. Ab 1982 erhielt die US Armee für Pilotenbrillen Gen 3 Röhren mit im Vergleich zu heutigen Röhren bescheidenen Leistungsdaten: Auflösung 36 lp/mm, Kathodenempfindlichkeit 1000µA/lm einem S/N Wert von 16,2.

Die Infanterie bediente man ab 1985 im Rahmen des ersten OMNI -Liefervertrages der US-Armee. Hier waren die Mindest-Leistungsdaten noch geringer als für Pilotenröhren, die Kathodenempfindlichkeit z B. lag bei min. 800µA/lm – zum  Vergleich: die Leistungsdaten aus dem aktuellen OMNI VI –Vertrag sind für Infanteriegeräte mindestens für Kathodenempfindlichkeit: 2000 µA/lm, Rauschverhalten: S/N 25, Auflösung: 64lp/mm. 

An dieser Stelle wollen wir nochmals darauf eingehen, weshalb die Bezeichnung „3.Genaration“ nicht gleichbedeutend mit einer höheren Leistungsstufe ist sondern im Grunde genommen nur aussagt, daß die Röhrenkathode auf der Grundlage von GaAs arbeitet, nichts aber über die Leistungsfähigkeit aussagt.

 

Selbstverständlich sind GaAs-Röhren (Gen3) zwar sehr empfindlich für IR-Licht,

jedoch nicht im sichtbaren (Weißlicht-) Bereich - hier sind diese teilweise nahezu blind. Diesen Nachteil haben Supergen-Röhren nicht; auch wirkt das Bild dieser hochentwickelten 2.Gen.-Röhren aus westeuropäischer Provenienz meist plastischer.

In der Natur ist der Anteil des natürlichen IR-Restlichtes bei Nacht ca. doppelt so hoch wie der von Weißlicht. Hier hat die im IR-Bereich empfindlichere Gen.3 Kathode

theoretisch Vorteile, praktisch gesehen ist die Situation durch die dichte Besiedlung

Europas allerdings so, dass durch die „Lichtverschmutzung“ von Städten etc.

bei uns der Restlichtanteil des Nachthimmels zu ca. 70% aus Weißlicht besteht.

Hier können Supergen-Röhren klar ihren Vorteil der hohen Weißlichtempfindlichkeit ausspielen.

 

Aus schutzrechtlichen Gründen dürfen in USA gefertigte Röhren der 3. Generation, selbst 20 Jahre alte Exemlare, nur für Behörden und Armeen exportiert werden. Es werden jedoch immer wieder 3. Generations-Röhren für Privatpersonen  angeboten. Dabei handelt es sich um Röhren dubioser Herkunft oder z. T. um äquivalente Röhren europäischer Hersteller, die findige „Gerätehersteller“ nach dem Geschmack der Kunden mit eigens, kreierten Phantasienamen bzw. Generationsbezeichnungen versehen.

 

Arbeitsweise eines Nachtsichtgerätes

 

Der Schritt zum Verständnis des Funktionsprinzips eines Nachtsichtgerätes ist nun sehr leicht.

Zum elektronischen Teil eines Gerätes (hierzu zählen die Wandler-oder Verstärkerröhre gehören die Stromversorgung sowie die Steuer – und Regelelektronik) kommt noch der optromechanische Teil hinzu. Hierbei handelt es sich auf der Eingangsseite um das Objektiv, welches die Aufgabe hat, möglichst viel Lichtteilchen zu sammeln und mittels Linsen auf der Fläche der Photokathode zu bündeln.

Auf der Ausgangsseite übernimmt das Okular die Funktion einer Lupe, die dem Auge ermöglicht, das sehr kleine Bild auf dem Phosphorschirm ausreichend sichtbar zu machen.

 

Gerätevarianten

 

Entsprechend der unterschiedlichen Anwenderbedürfnisse sind auch Nachtsichtgeräte konzipiert.

 

Reine Beobachtungsgeräte

 

Zielgeräte für Handfeuerwaffen und Großgeräte

 

Fahrgeräte für     Landfahrzeuge

                        Luftfahrzeuge

                        Schiffe

 

Bauartbedingt lassen sich die Geräte unterscheiden in

 

Monokulare Geräte: 1 Eingang/1 Ausgang

(Beobachtungsgeräte Handgehalten oder für Kopfmontage = Pocketscopes, Zielgeräte, Stationäre Geräte für Long Range Oberserving)

Biokulare Geräte:     1 Eingang / 2 Ausgänge durch Strahlenteiler, dadurch bedingtes dreidimmensionales Sehen möglich

(Beobachtungsgeräte Handgehalten oder für Kopfmontage =  Mulitfunktions- Brillen/Goggles)

Binokulare Geräte:  2 Eingänge / 2 Ausgänge, daher vollumfängliches dreidimmensionales Sehen möglich

(Beobachtungs- und Fahrgeräte (Fahrerbrillen, Helikopterbrillen...)

 

Leistungsmerkmale eines Nachtsichtgerätes

 

Die Leistung eines Nachtsichtgerätes ist bestimmt durch das Leistungsvermögen der Bildverstärkerröhre und des optischen Systems bestehend aus Objektiv und Okular.

Die bei den angebotenen Geräten manchmal angegebenen Leistungswerte beziehen sich immer auf die Bildverstärkerröhre. Was das Gesamtsystem kann, muss eigentlich vom Nutzer subjektiv durch Schauen in der Natur oder auf eine Testtafel in simulierter Dunkelheit ermittelt werden. Dabei ist hilfreich, Geräte mit unterschiedlichen Röhren direkt miteinander zu vergleichen. Dass ein Vergleich unter günstigen Restlichtbedingen (sternenklare Vollmondnacht) und ungünstigsten Bedingungen (mondlose Nacht mit starker Bewölkung) sehr unterschiedliche Ergebnisse hervorbringen kann, ist offensichtlich. Die vorhandene Restlichmenge unterscheidet sich dabei um den Faktor 1000, was dazu führt, dass auch leistungsschwache Geräte bei viel Restlicht noch gut abschneiden, aber bei weniger Restlicht schon kaum mehr zu gebrauchen sind. Solche Geräte sind deshalb meist mit größeren IR-Strahlern ausgerüstet, die dann schon bei Halbmondverhältnissen eingesetzt werden müssen. Oft wird das Licht dieser Lampen wegen der unzureichenden Wirkungsweise von nachtaktiven Tieren gesehen.

Nicht zu verwechselt sind solche Zusatzlampen mit den sehr kleinen und in die Gerätegehäuse integrierten IR-Diodenstrahler. Diese IR-Strahler sorgen dafür, dass die oft militärisch genutzten Geräte auch bei völliger Dunkelheit, z. B. in verdunkelten Räumen von Gebäuden, noch bis zu 15m funktionieren. Auch zum Kartenlesen in Fahrzeugen werden diese Konfigurationen genutzt.

Das schwächste Glied einer Kette bestimmt die Leistungsfährigkeit der Kette. Dies trifft auch auf Nachtsichtsysteme zu. Selbst leistungsstarke Bildverstärkerröhren (BIV) können in Geräten mit Optiken, die nicht für Restlichtverstärker optimiert sind, oftmals zu einer extrem schlechten Gesamtleistung des Systems führen. Die verwendeten Objektive sollten eine Lichtstärke von f= 2,0 oder kleiner (und somit heller) haben.

Der F-Wert errechnet sich aus Brennweite durch Objektivdurchmesser. Somit ist die Vergrößerungsleistung von 5-fach bis 6-fach bei Nachtsichtgeräten  als gerade noch sinnvoll zu bezeichnen. Dies gilt auch noch besonders für handgehaltene Geräte, da das Objektiv bei einem entsprechend notwendigen F-Wert sonst zu schwer werden würde. Bei lichtschwachen Eingangslinsen macht sich auch bei relativ viel Restlicht ein starkes Rauschen (Schneefalleffekt) der Röhre bemerkbar, da diese bereits bei günstigen Lichtverhältnissen ihre maximale Verstärkung leisten muss. 

Die Vergütung sollte idealerweise für IR-Lichtwellenlängen bis 900 nm ausgelegt sein, sonst wird das insgesamt vorhandene und von der BIV-Röhre nutzbare Licht nicht an diese „übertragen“.

Da jedoch in Europa der Restlichtanteil des Nachthimmels größtenteils durch „Lichtverschmutzung“ durch von Menschen erzeugtes Weißlicht verursacht wird, werden hier teilweise mit minder-IR-vergüteten Optiken wie z.B. C-Mount Objektiven, die eigentlich für Videokameras gebaut sind, teilweise noch akzeptable Leistungen erreicht.

 

Das Okular ist im Prinzip eine Lupe, die das auf dem Bildschirm der BIV-Röhre abgebildete Bild vergrößert. Der Vergrößerungsfaktor des Okulars ist bei Gen 2 und 3 ca. 10fach. Bei einer Objektivbrennweite von 25 mm ergibt sich eine Gesamtvergrößerung des Nachtsichtgerätes einfach. Bei einem 75mm Objektiv somit 3fach. Es werden immer wieder Nachtsichtgeräte von findigen Verkäufern angeboten, die z.B. bei 120 mm Brennweite 8fache Vergrößerungen haben sollen. Dies wäre nur mit einem Okular der Vergrößerung von ca. 15fach möglich. Jedoch würde das Bild, ähnlich eines Digitalzooms, sehr „grobkörnig“ werden, da man in das vorhandene Bild ohne Zugewinn von Mehrinformation „hineinzoomt“. Solche Vergrößerungswerte dürfen also immer angezweifelt werden.

 

Die Pupille des  menschlichen Auges kann sich nur maximal 7 mm weit öffnen – und dies gilt nur für einen jungen Menschen. Trotzdem sollte das Okular einen möglichst großen Durchmesser (15 mm oder größer) haben, da bei längerer Beobachtung das Zentrieren der Austrittspupille auf die Eintrittspupille des Auges zu Ermüdungen führen kann.

 

Auflösung: gemessen in Linienpaare pro Millimeter LP/mm

 

Leistungseigenschaft, die besagt, wie gut kleine Objekte und Details aufgelöst werden können

 

Photokathodenempfindlichkeit:

 

Gemessen in Microampere pro Lumen, besagt, wie lichtempfindlich die Photokatode ist – d. h. wie viel Photonen in Elektronen umgewandelt werden können.

 

Signal-Rauschabstand:

Nachtsichtgeräte haben ein Hintergrundrauschen. Dieses Rauschen zeigt sich als „Schneefall“ oder „Grieseln“. Je höher der S/N-Messwert einer Röhre ist, desto geringer zeigt sich das Hintergrundrauschen.

 

Auto Gating:

Durch einen modifizierte  Regelelektronik können Nachtsichtgeräte auch bei sehr viel Licht (Stadt, frühe Dämmerung) eingesetzt werden.

 

Halo Effect:

Bei Beobachtungen mit Lichtquellen bilden sich Halo (Lichthöfe) um diese.

Dieser Effekt ist bei Gen.3 Röhren deutlich größer als bei Supergen, XD4 und können die Sicht zum Teil stark mindern. (Siehe Bilder)

 

IR-Aufheller

– 3 verschiedene Arten

 

            -mit konventioneller Lampe (Schweinwerfer oder Taschenlampe) und zusätzlichem Filter

            -mit Infraroter Laserdiode

                               Vorteile: gute Bündelung – große Reichweite

                               Nachteile: erhebliche Verletzungsgefahr der Augen; Schatten i.d. Ausleuchtung

             -mit infraroter Leuchtdiode (LED)

 

IR-Sichtgeräte, passiv (Wärmebildkamera)

 

Arbeiten im mittleren Infrarotbereich

Nutzen die Strahlung von Körpern (> 0 K = -273Grad C./ Strahlung als elektromagnetische Wellen , für Körper auf Umgebungstemperatur liegt die Wellenlänge der Strahlung im Infrarot-Bereich, also im Bereich der Temperaturstrahlung

Es werden Temperaturunterschiede von < 0,1 Grad C gemessen