Vorbild Katze − so funktionieren Nachtsichtgeräte:
Nachts sind bekanntlich alle Katzen grau. Warum? In der Netzhaut sind als lichtempfindliche Sensoren die sogenannten Zäpfchen und die Stäbchen angeordnet. Während die lichtunempfindlicheren Zäpfchen das Farbsehen ermöglichen, sind die Stäbchen für spektrale Unterschiede unsensibel, dafür aber mehr für die Erkennung schwacher Lichtreize. Wird es dämmeriger, so quittieren zunächst die Zäpfchen ihre Mitarbeit und das Farbsehen verschwindet, es übernehmen die Stäbchen, aber eben ohne Farbinformation, so dass alle Gegenstände grau erscheinen, also auch die nächtliche Katze. Diese hinwiederum sieht nun mit einer besonderen physiologischen Eigenart nachts besonders gut, die Natur wendet hier genau den Trick an, den sich der Mensch in den Nachtsichtgeräten zu Nutze macht, nämlich eine Art Bildverstärkung. Die Katze hat neben der großen Pupillenöffnung hinter der Netzhaut eine weitere Schicht, das sogenannte "tapetum lucidum". Diese wirft das eingestrahlte Licht zurück, so dass die Netzhaut die doppelte Menge als Reiz erhält. In gänzlicher Schwärze helfen der Katze ihre Augen jedoch auch nichts mehr, da ist sie ebenso blind wie der Mensch.
Daraus ergeben sich 2 Schlussfolgerungen für die Konstruktion eines Hilfsgerätes, mit dem der Mensch auch nachts die Umgebung erkennen kann. Einmal könnte man die Umgebung, auch wenn sie vollständig dunkel ist, mit einer Strahlung "beleuchten", die selbst nicht sichtbar ist, aber mit Hilfsmitteln zur Bildgebung verwendet werden kann. Oder zweitens, es wird ein Gerät konstruiert, das wie bei der Katze das geringe vorhandene Licht verstärkt und daraus eine Abbildung generiert. Eine Kombination dieser Techniken ist natürlich ebenso vorstellbar und wird auch praktiziert. Entsprechend bezeichnet man die unterschiedlichen Geräte als "aktive" Nachtsichtgeräte, wenn eine Hilfslichtquelle benutzt wird, oder als "passive" Geräte, wenn man nur das vorhandene Licht ausnutzt.
Zurück zu den Nachtsichtgeräten. Licht ist ein kleiner Ausschnitt des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung, für welches das menschliche Auge empfindlich ist. Diese Strahlung reicht in Bereichen von den Radiowellen über die Mikrowellen, das Infrarot ("unter Rot", auch: "IR"), das sichtbare Licht, Ultraviolett ("jenseits Violett", auch: "UV"), Röntgenstrahlen und Gammastrahlung bis hin zur kosmischen Höhenstrahlung. Aufgrund des sogenannten "Welle-Teilchen-Dualismus" besitzen die elektromagnetischen Wellen auch Teilcheneigenschaften (Photonen). Röntgen- und höher energetische Strahlen haben überwiegend Teilchencharakter.
Der Bereich der sichtbaren Strahlung, also das, was wir Licht nennen, reicht von etwa 350 Nanometern (nm, millionstel Millimeter, Einheit der Wellenlänge) im Violetten bis zu etwa 780 Nanometern im Roten. Die Wellenlänge des Lichts bestimmt, welche Farbe das menschliche Auge wahrnimmt. In der tiefen Dämmerung wird der Anteil der sichtbaren Strahlung immer geringer, das Nachtsehen wird auch gleichzeitig geringer und die Erkennbarkeit schwindet. Schließlich ist es an der Zeit, zu Hilfsmitteln zu greifen.
Wie sind Nachtsichtgeräte aufgebaut?
Licht lässt sich bekanntlich nur mit optischen Bauteilen (Linsen) fokussieren, aber dabei zugleich nur schwächen und nicht verstärken. Es muss also nach einem anderen Weg gesucht werden, der sich mit Hilfe der Elektronik anbietet. Nachtsichtgeräte bestehen also aus Komponenten der Optik für die bildgebende und Komponenten der Elektronik für die verstärkende Beeinflussung der Abbildung. Man bezeichnet deshalb solche Geräte auch als optoelektronische, oder kurz: optronische Geräte. Entscheidend für die Beeinflussung durch Elektronik ist die Möglichkeit der Umwandlung von Licht in Elektronen, beruhend auf dem photoelektrischen Effekt. Kurz gesagt kann ein Lichtquant beim Auftreffen auf bestimmte Materialien ein Elektron aus diesem Material herausschlagen, welches dann weiter verarbeitet werden kann. Der Aufbau eines Nachtsichtgeräts besteht daher aus den optischen Komponenten Objektiv und Okular sowie einer elektronischen Komponente: Der Bildröhre. Das Objektiv sammelt möglichst viel Licht, bildet dieses ab und beleuchtet damit die Bildröhre. Wie gewohnt haben die Optiken auch eine Möglichkeit zur Scharfstellung für unterschiedliche Entfernungen. Weil bei den Nachtsichtgeräten vornehmlich im IR-Bereich gearbeitet wird, müssen auch die Objektive für dieses Spektrum besonders geeignet sein. Herkömmliche Optiken haben zwar auch eine gewisse IR-Durchlässigkeit, aber hier nutzt man besondere Optiken mit erhöhter IR-Transmission. Die Bildröhre wandelt das auftreffende Licht in ein Elektronenbild und bildet dieses wiederum auf einem Bildschirm ab, der ganz konventionell mit einem Okular betrachtet wird. Okulare gibt es als monokulare oder binokulare Ausführungen, wobei bei binokularen Geräten durchaus 2 Okulare nach einem Bildteiler auf nur einen Röhrenbildschirm blicken können. Geräte mit 2 Röhren liefern aber ein stereoskopisches Bild und erlauben somit ein räumliches Sehen. Das Nachtsichtgerät dient also sozusagen als "Hilfsbrille" für die fehlende Fähigkeit des Auges, indem es die Strahlung geringen Lichts auffängt, elektronisch umwandelt, verstärkt und wieder als Licht im sichtbaren Bereich abgibt.
Technik der Bildwandlerröhren in Nachtsichtgeräten
Das Prinzip der verschiedenen elektronischen Bildwandlerröhren gestaltet sich ähnlich: Die Abbildung des Objektivs trifft auf eine Fläche, die mit einer entsprechend sensitiven chemischen Beschichtung versehen ist, genannt Photokathode. Verwendet werden hierzu etwa Alkalimetalle wegen ihres geringen Energiebedarfs für die Erzeugung von Elektronen aus Licht und der spektralen Bandbreite. Danach folgen elektronische Verstärkerstufen und schließlich trifft der Elektronenstrom auf die Anode, sprich den Bildschirm, der dann durch das Aufschlagen der Elektronen aufleuchtet und das sichtbare Bild darstellt. Hier setzt auch die Verstärkung des Lichts via Elektronenbild an, die über die verschiedenen Generationen von Bildröhren stetig verbessert wurde und nun beschrieben werden soll.
Röhren-Generationen − Nachtsichttechnik im Laufe der Zeit
Nachtsichtgeräte der sogenannten "Nullten Generation" kann man noch nicht als Bildverstärker bezeichnen. Sie wandeln mehr oder weniger das auftreffende IR-Licht in ein sichtbares Bild und benötigen wegen der fehlenden Bildverstärkung eine IR-Beleuchtung. Dies hat generell den Nachteil, dass eine leistungsstarke Stromversorgung mitgeführt werden muss, welche die Einsatzdauer begrenzt. Zudem kann man eine solche IR-Quelle orten, was im militärischen Bereich fatal sein kann. Die Entwicklung von Geräten der 0. Generation reicht bis in die 30er Jahre des 20. Jahrhunderts zurück.
Der Aufbau von Röhren der 1. Generation entspricht grundsätzlich dem von solchen der 0. Generation. Mit der Einführung neuerer Photokathoden-Beschichtungen (ab Mitte der 1950er Jahre) ging aber eine größere Lichtempfindlichkeit der Röhren einher. Zu weiteren Verbesserungen der Helligkeit wurden auch mehrere Stufen hintereinandergeschaltet, was aber auch Bildfehler vergrößerte.
Den deutlichsten Sprung in der Entwicklung der Nachtsichtgeräte stellt der Übergang zur 2. Generation der Bildverstärkerröhren dar. In den 1960er Jahren wurde dieser Sprung durch die Entwicklung der sogenannten Mikrokanalplatte (MCP, micro channel plate) ermöglicht.
Der Unterschied zu den vorherigen Bildwandlerröhren besteht darin, dass die Elektronen nicht nur beschleunigt wurden und damit eine (noch recht geringe) Verstärkung erfuhren, sondern dass hier auch das Prinzip der Elektronenvervielfachung eingeführt wurde. Dabei treffen Elektronen auf ein geeignetes Material und schlagen aufgrund ihrer Energie mehrere weitere Elektronen aus der Oberfläche. Die so freigesetzten Elektronen selbst setzen dann wiederum diesen Effekt fort, so dass man von einer Kaskadierung spricht. Das Ganze führt zu einer Vervielfachung um den Faktor 100 bis 1.000. Eine separate Lichtquelle ist somit nicht mehr unbedingt nötig. Die Mikrokanalplatte besitzt eine Vielzahl (ca. 2 Millionen) paralleler Mikroröhren, die so positioniert sind, dass der Elektronenstrahl auf die Innenseite und damit auf die Beschichtung auftreffen kann und den beschriebenen Effekt auslöst. Das Bild wird anschließend mit einem Glasfaserbündel weitergeleitet, fokussiert und aufgerichtet. Die Auflösung des Bildes wird naturgemäß von der Anzahl der Mikrokanäle pro Fläche bestimmt.
Bei diesen Geräten der 2. Generation handelt es sich damit um die ersten sogenannten Restlichtaufheller, die das auch nachts in der Umgebung immer noch vorhandene Licht verstärken und sichtbar machen können. Das Restlicht kann dabei von natürlichen Lichtquellen wie Gestirnen, aber auch von künstlichen Quellen wie Siedlungsbeleuchtungen, Autoscheinwerfern sowie auch von deren Reflexen an der Wolkenschicht stammen. Im Vergleich rechnet man mit etwa 0,25 Lux durch den Vollmond, 0,02 Lux bei Halbmond, 0,001 Lux durch den Sternenhimmel und schließlich eine Zehnerpotenz weniger (0,0001 Lux) bei Neumond und bewölktem Himmel. In der letzten Situation helfen Aufheller, heutzutage in Lasertechnik ausgeführt.
Die Röhren der 2. Generation wurden ständig weiterentwickelt und sind deshalb auch heute noch brauchbar und im Einsatz. Zum Beispiel wurde die Anzahl der Mikrokanäle in den MCP auf bis zu zehn Millionen erhöht und damit die Auflösung enorm gesteigert. Daneben konnte der empfindliche Bereich weiter in das fernere Infrarot verschoben werden. Gleichzeitig wurde auch das Signal-Rauschverhältnis verbessert. Man nennt diese Röhren daher auch die Gen 2+.
Inzwischen gelangten die Konstrukteure bei der 3. Generation an. Den Hebel zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit setzten sie dabei zunächst bei der Photokathode und deren Quantenausbeute an. Dabei konnten sie die Emissionsfähigkeit der Photokathode durch eine neuartige Beschichtung mit Galliumarsenid (GaAs) entscheidend verbessern. Diesen Vorteil erkaufte man sich allerdings zu dem Preis, dass nun um Lichtquellen helle Stellen entstehen, sogenannte Halos. Militärisch kamen solche Gen 3-Röhren bereits 1991 im Golfkrieg zum Einsatz.
Seitdem schritt die Weiterentwicklung der neuartigen Technik natürlich ständig voran. Hier ist vor allem die Ionenschutzschicht zu nennen: Innerhalb der Röhre entstehen durch die Elektronen und das inhomogene elektrische Feld der Beschleunigungsspannung auch (positive) Ionen, die in gegensätzlicher Richtung zu den (negativ geladenen) Elektronen beschleunigt werden und so auf die Photokathode treffen und diese allmählich zerstören. Deshalb brachte man eine Schutzschicht (Ionenbarriere) auf, die die immer leistungsfähigeren, damit aber auch empfindlicheren Kathoden schützen soll. Im Gegenzug behindert diese Barriere allerdings auch die Elektronenemission. Gegenüber den Röhren der Gen 2+ liegt der Vorteil der Gen 3-Varianten vor allem darin, dass sie auch noch in Einsatzszenarien mit sehr geringem Licht genutzt werden können.
Wie geht's weiter mit der Nachtsichttechnik?
US-amerikanischen Entwicklern ist es vor kurzem gelungen, durch verschiedene Maßnahmen wie etwa Barriereblenden und Taktung der Beschleunigungsspannung den bei den Geräten der 3. Generation angesprochenen Schutzfilm dünner zu gestalten oder ihn sogar ganz wegzulassen. Die Röhren werden deshalb "filmless" (=filmlos) oder "thin-filmed" (= dünnfilmig) genannt, bezüglich der Spannung "gated". Ob diese Röhren nun die Bezeichnung "4. Generation" verdienen, ist strittig.
Auf europäischer Seite konnte man diesen Entwicklungsschritt auch vollziehen und hat ebenso leistungsfähige Röhren entwickelt. Diese übertreffen in bestimmten Parametern sogar die amerikanischen Röhren, in anderen wiederum müssen sie Federn lassen. Eine Bewertung ist daher schwierig vorzunehmen. Zudem unterliegen die amerikanischen Röhren einem strikten Ausfuhr- und Weitergabeverbot.
Zunehmend kommen auch digitale Geräte auf dem Markt, die auf infrarotempfindlichen CCD-Sensoren basieren. CCD steht für charge-coupled device (= ladungsgekoppeltes Bauteil). Solche CCD-Chips bestimmten lange Zeit auch die Bildqualität von Digitalkameras. Solche Sensorchips sind günstiger in der Herstellung, erreichen aber noch nicht ganz die Leistungsfähigkeit der Bildwandlerröhren.
Die Entwicklung geht jedenfalls in die Richtung kleiner, schneller, besser. Will heißen, dass die Geräte handlicher werden, weniger Bildfehler aufweisen und natürlich empfindlicher bei größerem Spektralbereich werden. Man kann sicher sein, dass die Labore schon Entsprechendes in der Pipeline haben, was aber wohl aus militärtaktischen Gesichtspunkten noch unter Verschluss gehalten wird.
Der Kauf eines Nachtsichtgeräte: Das sollten Sie beachten!
Eins gleich vorweg: Es muss nicht immer für jeden Zweck das teuerste Gerät sein, aber hohe Leistungsfähigkeit kostet auch ihr Geld.
Als erstes sollte man sich einmal damit befassen, was für ein IR-Spektrum das präferierte Nachtsichtgerät überhaupt nutzen soll, sprich: Welche Objekte man beobachten möchte? Vor allem wenn es um die IR-Aufhellung geht, muss zwingend der Strahlungsbereich des Aufhellers mit dem Empfindlichkeitsspektrum der Röhre übereinstimmen. In welchem Bereich die Röhre am besten arbeitet, verrät ein Blick ins Herstellerdatenblatt. Danach kann man dann einen passenden IR-Strahler auswählen. Jäger sollten hier insbesondere daran denken, dass ältere Stücke, vor allem alte Ricken, recht weit in den IR-Bereich sehen können. Wählt man einen Aufheller mit zu kurzer Wellenlänge, bemerkt das Wild dieses und wird demnach abspringen (flüchten).
Daher hier die Spektren der einzelnen Geräte-Generationen kurz im Überblick: Gen 0 = 750 bis 950 nm, Gen 1 = 750 und 800 nm, Gen 2 = 780 bis 850 nm und Gen 3 = 780 bis 920 nm. Bei den digitalen Geräten sind es je nach Bildsensor 780 bis 950 nm.
Als nächstes beurteilt man die Leistungsfähigkeit in Bezug auf das Bild. Kenngrößen sind hier die Auflösung, angegeben in Linienpaaren/mm. Dieser Wert gibt an, wie viele Hell-Dunkelübergänge der Bildschirm darstellen kann. Dann die Empfindlichkeit der Photokathode in Mikroampere/Lumen und schließlich das Signal/Rauschverhältnis (= S/N oder Signal/Noise-Ratio) in Dezi-Bel (dB).
Mit diesem Wissen kann man schon sehr gut in den Datenblättern und Angeboten im Internet stöbern. Gute Adressen sind hier etwa Dedal, Alpha-Photonics, Yukon oder auch Gutzeit, Jahnke oder IEA Mil-Optics. Die genannte Auswahl ist nur beispielhaft und bedeutet keine Qualitätsbewertung.
Viele Datenblätter geben die Leistungsdaten der Geräte auch mit Hilfe einer verbalen Beschreibung der technischen Möglichkeiten in Bezug auf unterschiedliche Entfernungen an. Hierbei haben sich folgende Begriffe als Standard etabliert:
- Detektion: Das Objekt hebt sich vom Hintergrund ab (man sieht, da ist etwas, mehr auch nicht).
- Erkennung: Das Objekt kann zugeordnet werden (Tier, Mensch, Fahrzeug, usw.).
- Identifizierung: Das Objekt kann eindeutig bestimmt werden und Details werden erkannt (etwa auf 800 m Entfernung lässt sich ein Fuchs von einem Hasen unterscheiden).
Sodann wäre die Bauform zu wählen. Tut es ein monokulares Gerät, soll es binokular mit einer oder mit 2 Röhren sein, ist eine Kopfhalterung für längeres Beobachten mit freien Händen erforderlich?
Zum Abschluss noch eine Empfehlung: Auf keinen Fall sollte man die Katze im Sack kaufen, sondern sich Name, Typ und Datenblätter der verbauten Röhren geben lassen und dann beim Händler seines Vertrauens auch einen Test vereinbaren. Ist man schließlich von einem Modell überzeugt, dann sollte man auch genau dieses getestete Gerät erwerben, denn Unterschiede liegen hier nicht nur bei gebrauchten Geräten aus ehemaliger Militärverwendung (Surplus) vor, sondern können selbst bei dem heutzutage hohen Fertigungsstandard auch bei Neugeräten durchaus noch vorkommen.
Eine Einführung in das Thema Optronik haben wir bereits für Sie auf all4shooters.com veröffentlicht und auch mit Thermografischen Optiken/Wärmebildkameras sowie Nachtzielgeräten haben wir uns schon ausführlich beschäftigt.
Noch viel mehr Informationen zu optoelektronischen Geräten erhalten Sie im VISIER Special 88 "Optronik", aus dem auch dieser Text stammt. Es ist aktuell noch für 9,90 Euro im VS Medien Online Shop bestellbar.
