Pimeänäkölaitteet - Sukupolvet

Generaatio 0

Ensimmäiset siviilikäyttöön tarkoitetut kaupalliset laitteet valmistettiin USA:ssa Vladimir K. Zworykinin toimesta. Laitteesta ei tullut kaupallista menestystä.

Ensimmäiset sotilaskäyttöön valmistetut laitteet otettiin käyttöön Saksassa vuonna 1939. Saksalainen AEG kehitti järjestelmän jo vuonna 1935. Sodan loppuun mennessä, n. 50 Panther – tankkia oli varustettu ”FG1250” järjestelmällä. Laitteesta kehitettiin myöhemmin pienasekäyttöön (tarkka-ampujakivääri, STG-44, MG34, MG42) tarkoitettu kannettava versio, ”Vampir”. Virallinen Wehrmachtin lyhenne laitteelle oli ZG 1229. Laitteen suurimpina kompastuskivinä olivat koko ja varsinkin paino. Laite painoi 2.25kg, mutta tarvitsi oman akkunsa lisäksi lisäksi puulatikossa kuljetettavan 13.5kg akun infrapunavalonheittimelle. Laitteen valonvahvistinyksikkö koostui anodista sekä pääosin hopeasta ja cesiumista valmistetusta S-1 Fotokatodista. Sekä Gen0 että Gen1 laitteet kärsivät lähinnä kuvan elektrostaattisesta kääntämisestä seuranneista kuva-alueen vääristymistä.

USA kehitti itsenäisesti omia laitteitaan ja otti lopulta käyttöön M1 ja M3- nimiset valonvahvistimensa vuonna 1945. Laitteita käytettiin vielä Korean sodassa 50- luvulla. Molemmat järjestelmät tarvitsevat tuekseen voimakkaan infrapuna-alueella toimivan valonheittimen- eivätkä ne siten ole ”valoa vahvistavia” sanan nykyisessä merkityksessä. Ensimmäistä kertaa pimeätoiminta oli kuitenkin mahdollista.

”Vampir” asennettuna STG-44 rynnäkkökivääriin.

”SdKfz.251/20 Uhu” puolitela-miehistönkuljetusvaunu. Ampujalla ja kuljettajalla omat valonvahvistimet. Yhteisen IR- valonheittimen kantama 600m. Huomaa miehekkäät kaapeloinnit erityisesti laitteen keskellä olevan anodin kohdalla. Paksuus liittynee käytettyyn korkeajännitteeseen sekä silloisten eristemateriaalien heikkoihin ominaisuuksiin.

Gen0/Gen1 valonvahvistinyksikön toimintaperiaate. Photo: www.inframet.pl

Generaatio 1

60- luvun alkupuoliskolla kehittynyt kuituoptiikka mahdollisti usean valonvahvistinyksikön kaskadi – eli sarjakytkennän. Periaate keksittiin ja sitä kokeiltiin Saksalaisten toimesta jo toisen maailmansodan aikana. Tuotekehitys jatkui USA:ssa 50- luvulla. Järjestelyn avulla saavutettiin ensimmäistä kertaa todellisen pimeänäkölaitteen määritelmän täyttävä kokonaisuus: kaskadivalonvahvistimia oli mahdollista käyttää passiivisesti ilman erillisiä IR- valonheittimiä. Tunnetuimmat kaskadilaitteet olivat Neuvostoliiton käytössä olleet 1PN34 NSPU, 1PN58 sekä Amerikkalainen AN/PVS-2. Molemmille on tunnusomaista pitkä, putkimainen rungon rakennee, juurikin peräkkäisten vahvistinyksiköiden vaatiman tilan vuoksi. Sama Gen1 teknologialle tunnusomainen rakenne on tunnistettavissa useissa ”Gen2” ja ”Gen2+” mainoksilla myytävissä ”harrastajatason” valovahvistimista.

Kaskadikytketyn Gen1+ valonvahvistimen toimintaperiaate

Liikennemerkki kuvattuna 1PN34 laitteen läpi. Huomaa voimakkaat vääristymät kuvakentän reunoilla. Kuva: Wikipedia.

7.62 SVD Dragunov – kivääri 1PN34 NSPU (НСПУ) - pimeätähtäimellä varustettuna. PSO-1 päivänvalotähtäin irrotettuna lattialla. Korvaava 1P58 oli sama laite parannuksin.

Gen1 sukupolven teknisenä huipentumana voidaan pitää Bundeswherin aktiivikäytössä ainakin vuoteen 2002 – asti ollutta Orion 80/I valonvahvistinta (Hensoldt Fero Z-51). Laiteessa on kolme kaskadikytkettyä yksikköä sarjassa. Yleensä sarjakytketystä laitteesta käytetään nimeä Gen1+ .

Laitetta on saatavana FinnAccuracyltä sekä uutena että tehdaskunnostettuna käytettynä n. 1000–2000€ hintaan. Suorituskykyero verrattuina nimellisesti samaan sukupolveen kuuluvaan Neuvostoliittolaisvalmisteiseen 1PN34/1PN58 – valonvahvistimeen on merkittävä.

Gen1+ Orion 80/I Fero Z-51 yleistähtäin kiinnitettynä DTA SRS 338Lapua – kivääriin STANAG/ Picatinny adapterilla. Laite käyttää AEG XX1211 ja DEP XX1340 valonvahvistinyksikköä. Kuva: FinnAccuracy.

Orion 80/I. Laitteen FOM on noin 400. Keli luonnollisesti pimeä, mutta silti valonvahvistimille helppo: lumi maassa, taivas pilvessä, ilma kirkas. Ristikon ylin piste on ballistinen keskipiste ja samalla kohdistuspiste. Muut merkit ovat koro - tai sivuennakkopisteitä eri asejärjestelmille. Etäisyys kuvassaolevaan ylimpään tähtäyspisteeseen on n. 1600m, keskellä oleva kanjoni n. 1100m, oikean laidan lehtipuurungot n. 800m. Kuva: FinnAccuracy.

Generaatio2 – nykyaikaisen mikrokanavalevyn käyttöönotto

Mikrokanavalevy nosti laitteiden suorituskyvyn uudelle tasolle. Vahvistuskerrointa saatiin parannettua selvästi, ja Gen0/Gen1 laitteille ominaiset kuvan geometriavirheet saatiin eliminoitua lähes olemattomiksi. Laitteiden sähkönkulutus pieneni dramaattisesti koon ja painon ohella.

Gen2 laitteet käyttivät kehityskaarensa alkupäässä käyttöiältään n. 2000 tunnin S-20 fotokatodia, joko sellaisenaan tai parannuksin. Nykyinen tilanne on epäselvä ja ilmeisen tarkkaan julkisuudelta varjeltu salaisuus- vaikkakin yleisesti käytettyjä katodeita kutsutaan edelleen nimillä S-20 tai S-25. Pelkän valonvahvistuskertoimen kasvattaminen ei ole ongelma- monikerrostamalla mikrokanavalevyjä päästään Gen2 tekniikallakin tarvittaessa yli 1 000 000x vahvistuskertoimiin. Ratkaisu ei kuitenkaan vaikuta perusongelmiin- eli vähennä yksikön kohinaa, lisää sen resoluutiota tai paranna fotokatodin herkkyyttä. Nykyisten militaryspesifikaatioiden mukaisten Gen2 laitteiden elinikä on yli 10000, jopa 15000h.

Erään lähteen mukaan alkuperäiset Gen2 laitteet käänsivät kuvan elektrostaattisesti - ja nämä ensimmäiset laitteet olisivat nimeltään ”Gen2”. Kun geometriavirheitä aiheuttava menetelmä korvattiin kuituoptiikalla, lisättiin nimeen ”plussa”- Gen2+. Toisen lähteen mukaan Gen2+ termi lanseerattiin laajennetun (infra)punaisen alueen fotokatodin käyttöönoton myötä. Katodia on kutsutti nimillä ”Extended Red S-20”, tai ”Extended Red S-25”, ja maininta saattaa löytyä valonvahvistimen mukana toimitettavasta datasheetistä. Muut tyypilliset suoritusarvot olivat herkkyys 300uA/lm ja SNR yli 10%.

Eräs tärkeimpiä virstanpylväitä Gen2 laitteiden kehityksessä oli roima fotokatodin parannus. Menetelmän kehittivät vuonna 1989 Jacques Dupuy ja Gerald Wolzak. Parannettua tekniikkaa käyttävien laitteiden nimiin lisättiin tarkennus “SuperGen”, tai ”SSG” (Super Second Generation)- vaikkakin tiettävästi myös nimiä ”SHP” ja ”Hypergen” käytettiin kuvaamaan samaa päivitystä. Uudistettu tri-alkali yli kaksinkertaisti fotokatodin herkkyyden +600uA/lm tasolle sekä paransi herkkyyttä juuri toivotulla (n. 950nm) near-infrared -alueella. Samassa rytäkässä myös mikrokanavalevyn suorituskykyä parannettiin roimasti kasvattamalla sen tehollinen pinta-ala 70 %:iin ja vähennettiin SNR kohinaa paremmaksi kuin 15%. Ensimmäinen uudistettua ”SuperGen” teknologiaa hyödyntänyt valonvahvistinyksikkö oli tiettävästi Photonis XX-1610.

Bundeswherin käyttämä Zeiss/Hensoldt Orion 80 II valonvahvistintähtäin kiinnitettynä SIG SSG3000 kivääriin. Laitteen nimellinen sukupolvi Gen2 SuperGen. Orion II laitetta valmistettiin sekä Photonis XX-1610 että DEP XX-1440 valonvahvistinyksiköillä joiden tyypillinen FOM on 620. Laitetta on saatavana kolmella kuntoluokalla: hinnat 1840€ - 3360€. Kuva: FinnAccuracy

Ranskalainen Photonis jatkoi tahollaan Gen2 tekniikan jalostamista ja mainitsee tarkemmin erittelemättä Gen2- sukupolven seuraavan teknisen harppauksen tapahtuneen joskus 1990- luvun loppupuolella. Nämä parannukset nostivat Gen2 laitteiden suorituskyvyn nykyaikaisten Gen3 laitteiden tasolle - ja joiltakin osin jopa yli. USA:n jatkaa edelleen valitsemallaan tiellä, painottaen tuotekehityksensä Gen3 GaAs teknologiaan.

Gen2 laitteiden kohdalla termiviidakko on vähintäänkin hämmentävä. Nimet viittaavat suuntaa-antavasti suorituskykyyn, mutta eivät kerro sitä suoraan. Esimerkkinä ”kauppanimistä” Gen2, Gen2+, Gen2½, Gen2S, Supergen, Hypergen, Gen2 SH, Gen2 SHG, Gen2 HP, Gen2 SHP, Gen2 Ultra HP, Gen2+ CG, XD4 ja XD5 ja niin edelleen. Lyhenteen perässä voi olla myös kirjaimet ”AG” tai ”MG” jotka tarkoittavat ”autogate” – tai ”manual gain” järjestelmää. Tekninen toimintaperiaate on kaikissa edellä mainituissa sama- mutta käytännön suorituskyky sukupolven sisällä vaihtelee dramaattisesti.

Viimeisimmän Gen2 tekniikan suurimpia etuja uusimpiin Gen3 – laitteisiin verrattuna ovat edullisemmat valmistuskustannukset, dramaattisesti parempi rekyylinkesto (XD4/XR5 yksikkö 500G), hieman pienempi sähkönkulutus sekä hieman pienempi alttius - halo ilmiölle (kts kohta ”blooming, halo”).

Gen2 teknologian kehittämisen kärjessä on Eurooppalainen Photonis. 2000- luvun ensimmäisellä puoliskolla esitelty XR5 – sarja on edelleen malliston lippulaiva, ja on nimelliseltä suorituskyvyltään lähellä jopa viimeisimpiä Gen3 Omnibus VIII – laitteita. XR5 yksikkö on yleensä autogatella varustettu.

XR5 – yksikön resoluutio on 72lp/mm, signal-to-noise ration ollessa 28 %. Laskennallinen FOM tyypillisessä yksikössä on siten huikeat 2016. Halo- arvoksi ilmoitetaan 0,8mm. Mallisarjassa alaspäin mentäessä, XD4 yksikön suoritusarvot ovat 64lp/mm, SNR 23%, FOM 1472, Halo 0,8mm. Kaikki edellä mainitut ovat valmistajan ilmoittamia ”tyypillisiä” arvoja.

Hensoldt NSV- sarjan 600 ja 1000 – mallia on saatavana sekä XD4 että XR5 teknologialla. Kirjoitushetkellä FinnAccuracyn 2012 hinta laitteille on 12500–15000€. NSV80 käyttää hieman eritasoista ”HyperGen” yksikköä ja on hinnaltaan halvempi, n. 10000€. Eurooppalaisista valmistajista Photoniksen tuotteita käyttävät myös Norjalainen Simrad Optronics.

NSV80 kiinnitettynä DTA SRS – kivääriin. NSV80 – laitteen valonvahvistinyksikön nimellinen sukupolvi on Gen2 HyperGen, yksikön tyyppi Photonis-DEP XX1865, FOM n. 1200. Päivätähtäimenä Hensoldt ZF 6-24x72. NSV80 maksaa kirjoitushetkellä 10700€. Kuva: FinnAccuracy.

Hensoldt NSV80, Hensoldt ZF 6-24x72. Etäisyys tähtäyspisteeseen noin 1650m, suurennos 6x. Katselukeli helppo. Pilvinen taivas, lumi heijastaa valoa. Kuva: FinnAccuracy.

Generaatio2, monokulaarit

Monokulaari – tyyppiset laitteet ovat erittäin monikäyttöisiä siksi myös ylivoimaisesti yleisimpiä. Alkuperäisen vuonna 2000 käyttöönotetun PVS-14 – tyyppisen (US-Army) laitteen rinnalle ja korvaajaksi on kehitetty vastaava, hieman pienempikokoinen laite. Uudistettu pienempi versio tunnetaan Yhdysvalloissa nimellä ”Mini-14”, tai ”MUM-14”. FinnAccuracyn myymän Mini-14:aa vastaavan laitteen nimi on NT-940.

Kuituvahvistetusta komposiitista valmistetun laitteen pituus on 105mm ja paino 280g. Valmistajan mukaan NT940 kestää keveidenkin 30–06 Springfield kaliiberisten kivääreiden rekyylin. Laitetta on tosin käytetty menestyksekkäästi jopa 338 Lapua Magnum – kaliberisissa aseissa.

Pienen kokonsa ansiosta, kaksi identtistä NT-940 laitetta voidaan kiinnittää helposti pariksi stereonäkövaikutelman aikaansaamiseksi. Laitteen objektiiviin voi kiinnittää optisen lisälaitteen jonka avulla suurennus kasvaa 1x -> 3x tai 5x. NT940 Laitetta voi käyttää sellaisenaan, päähinekiinnitteisenä tai parina perinteisen päivänvalo-optiikan kanssa. Monokulaari toimii tähtäinkiikarin, punapistetähtäimen, hologrammitähtäimen ja kaukoputken kanssa. Adapterin avulla laitetta voi käyttää valokuvauskameraan paritettuna- soveltuu tähtiharrastajille sekä luontokuvaajille hyvin. Suorituskyvyn suhteellinen alenema normaalin tähtäinkiikarin taakse kiinnitettynä riippuu tähtäinkiikarin okulaaripäästä ulostulevan valokimpun halkaisijasta. Optimitilanne on iso objektiivi ja pieni suurennos.

NT940:een on saatavana myös kamera-adapteri. NT940 laitteiden hinnat ovat välillä 2700–5800€, kalleimman ollessa autogatella varustettu XR5.

PVS-14/Mini-14 – tyyppisiä laitteita käyttävät Suomessa mm rajavartiolaitoksen sekä lääkärihelikoptereiden lentäjät.

NT940 monokulaari kiinnitettynä picatinny-adapterilla Schmidt&Bender PMII 1-8x24 päivänvalotähtäimen taakse. Ase AR-15 reserviläiskivääri. Lähinnä kameraa oleva pyöreä ulkonema on integroitu infrapunavalaisin jonka kantama on noin 10m. Kuva: FinnAccuracy.

DTA SRS 338LM. Aseessa NT941 (PVS-14) valonvahvistin sekä Hensoldt ZF 4-16x56 FF päivänvalotähtähtäin. Takana Hensoldt ZF 6-24x72 / PVS80. Taaemman kiväärin päivätähtäimen sivulle kiinnitettynä infrapunavalaisin.

Maisema NT940 –laitteen läpi kuvattuna. Valokuva otettu huonolaatuisella kännykkäkameralla. Valonvahvistinyksikön test sheetin mukaan SNR 19.3, resoluutio 60lp/mm, FOM 1158. Laite nimellisesti Gen2 SuperGen. Katselukeli on valonvahvistimelle helpohko: taivaalla satunnaisia pilviä, pellolla paikoittain lunta. Kuva: FinnAccuracy.

NT940 on erittäin kompakti. Vasemmalta oikealle, Zeiss Victory RF 10x56, NT940 ja Sako TRG42/338 Lapua Magnum. Kiväärin optiikkana Schmidt&Bender PMII 5-25x56 MSR.

Generaatio 3

Gen3 tarkoittaa käytännössä aina Yhdysvalloissa valmistettua valonvahvistinyksikköä. Gen3 laitesukupolvet eritellään USA:n armeijan sopimustoimitusten nimien perusteella, alkaen Omnibus I –tasoisesta laitteesta vuonna 1982. Nykyisellä mittapuulla mitattuna ensimmäiset Gen3 laitteet olivat suorituskyvyltään sangen vaatimattomia - Resoluutio 36 lp/mm, SNR 16.2. FOM –arvo oli siten 583- eli aikalaisiaan parhaita Gen2 laitteita huonompi. Suorituskyvyn vaatimattomuus liittyi ioniesteen käyttämiseen- katso kohta ”Ion barrier”.

1982 -> Omnibus I FOM = 583
1985 -> Omnibus II FOM = 729
1990 -> Omnibus III FOM = 969
1996 -> Omnibus IV FOM = 1344
1999 -> Omnibus V FOM = 1344 (ensimmäinen ”thin-film” ion barrier)
2002 -> Omnibus VI FOM = 1600
2006 -> Omnibus VII FOM = 1792 (autogate, NVESD valtuuttaa Gen3+ nimen käyttöön)
2010 -> Omnibus VIII FOM = 1600 (minimi)

Gen3 laitteiden suorituskyky harppasi merkittävästi vasta vuonna 1996 Omnibus IV toimituksen myötä. Toinen huomionarvoinen seikka on Omni VII -> VIII nimellinen suorituskyvyn huononeminen. Ilkeimpien huhupuheiden mukaan syynä olisivat Omni VII yksikön hankalasta valmistamisesta seuranneet korkeat valmistuskustannukset – ja että tilaaja olisi antanut viimeisempien spesifikaatioiden suhteen hieman helpotusta kulujen leikkaamiseksi.

Kuten aikaisemmin mainittua, Yhdysvalloissa valmistettuja Gen3 laitteita ei voi viedä laillisesti ulos USA:sta. ”U.S. Department of State / Office of Defense Trade Controls” voi myöntää poikkeuksia tapauskohtauksen harkintansa perusteella- ja tällöinkin tilaajina ovat länsimaisten valtioiden viralliset organisaatiot. Näin on toimittu myös Suomalaisten viranomaislaitteiden kohdalla. Lain rikkominen on USA:ssa vakava rikos, ns ”Federal Crime”.

Vaikka laite olisi sukupolveltaan Gen2, katsotaan se silti puolustustarvikkeeksi jonka vientisäädökset on määritelty ITAR:issa (International Traffic in Arms Regulations / Title 22, Code of Federal Regulations, Part 120–130). Teoriassa tällaisen laitteen laillinen hankkiminen yksityiskäyttöön olisi mahdollista – käytännössä jotakin mahdottoman ja erittäin vaikean välillä.

PVS-14 varusteineen. Kuva: Modarmory.

Generaatio 4

NVESD teki vuonna 2002 periaatteellisen päätöksen valonvahvistinsukupolven 4 teknisten vaatimusten suhteen: Laitteen tulee perustua GaAs – fotokatodiin ilman suorituskykyä heikentävää ion barrieriä.

Kuitenkin jo 1998 Omnibus V sopimustoimitusta varten, U.S. Army määritteli erääksi tekniseksi vaatimukseksi ion barrier filmin poistamisen kokonaan. Tilaaja tiesi jo tuolloin ion-barrier kerroksen heikentävän Gen3 -laitteiden suorituskykyä useita kymmeniä prosentteja - valmistajat (ITT ja Litton) haastettiin keksimään asiaan ratkaisu.

Litton Electro-Optical Systems yllättäen esittelikin sopimuskilpailun aikana ”filmittömän Gen3” laitteen. Keksintö herätti suurta kiinnostusta tilaajan (U.S. Army) puolelta, mutta osoittautui tarkemmissa testeissä rakenteeltaan erittäin heikoksi. Littonin yksikön valmistamista kuitenkin jatkettiin edelleen, mutta pienissä määrin ja ainoastaan erityiskäyttäjille. Tällaisia ovat (olivat) ilmailun erikoistarpeet ja käytännössä rajoittamattomilla budjeteilla toimivat erikoisjoukot. Heikosta rakenteesta johtuen, aseisiin kiinnitettäviä versioita ei ole käytössä ollenkaan. Tiettävästi Litton onnistui kasvattamaan ”filmittömän” laitteen eliniän kohtuulliseksi hienosäätämällä mikrokanavalevyn valmistusmenetelmää sekä hyödyntämällä ”autogate” toiminnosta seuraavaa ilmiötä: Tietyllä tavalla ajoitettu ohjaus estää vahingollisten ionien siirtymistä fotokatodin pinnalle.

Littonin valonvahvistinyksikköä on nykyään kaupallisesti saatavana- ja suoritusarvot ovat numeroina tarkasteltuna sangen hyvät- vaikkakin valmistajan alempana ilmoittama arvojen yksilökohtainen vaihteluväli on suuri. Kirkkaan valon resoluutio säilyy hyvänä, ja kohinasuhde on onnistuttu pusertamaan parhaimmillaan lukemaan 36 %. Parhaimmillaan FOM arvoksi tulisi siten hulppeat 2592. Käyttöikä on kasvatettu Omni V – ajoista 10000h lukemaan, mutta esimerkiksi rekyylinkestoisuudesta ei ole tietoa. Ilmeisesti parannusta ei ole tullut - markkinointiosasto kun ei asiaa erikseen ”hehkuta”.

ITT päätti osallistua samaiseen Omnibus V - kilpailuun optimoimalla edeltävää Omnibus IV yksikköään. Poistamisen sijaan Ion barrier kerrosta ohennettiin radikaalisti, ja ITT:n ”thin film” sukupolvi sai alkunsa.

Suorituskyvyltään ITT:n laite täytti tilaajan ennakkoon asettamat käytännön suorituskykyvaatimukset - vaikka tekniset vaatimukset eivät täyttyneetkään. Nykyisten parhaiden ITT Gen3 Omni VIII – laitteiden ohennetunkin ion barrierin tiedetään laskevan suorituskykyä yhä noin 20 %. Ohennetusta rakenteesta huolimatta, nykyisten laitteiden elinikä on yli 10000h. ITT jatkaa kirjoitushetkellä valitsemallaan tiellä- eli ei ole onnistunut poistamaan ion barrieria kokonaan vaan jatkaa nykylaitteidensa optimointia.

Tilanne on siis hieman hullunkurinen: Gen4 määrittelyt ja vaatimukset täyttävät laitteet on jo keksitty ja ne ovat käytössä - mutta virallisesti Gen4 sukupolven laitteita ei silti ole vielä olemassa - koska NVESD ei ole virallisesti antanut generaationimen käyttölupaa vielä kenellekään.

Kuuminta hottia Amerikanmaalta- Litton filmless Gen IV datasheet. Kuva: Litton.