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Nachtsichtgeräte (NSG)

1. Anwendung, Nutzer

"Sehen ohne gesehen zu werden" - so lautet das Motto in erster Linie bei Spezialeinsatzkommandos und militärischen Einheiten. Schon seit Jahrzehnten wurde immer wieder versucht, mittels Technologie diesem Ziel ein Stück näher zu kommen. Je besser dies gelang, um so komplexer wurde die Technik der Nachtsichtgeräte. Die Kosten der Entwicklung und der Produkte spielten für den eigentlichen Initiator dieser Gerätegattung, dem Militär, nur eine untergeordnete Rolle. Es ist im Folgendem zu beachten, daß die Nachtsichttechnik ausgesprochene Spitzentechnologie darstellt und die Geräte primär für militärische Zwecke konstruiert wurden. Die Anwendung im wissenschaftlichen oder zivilen Bereich ist daher meist eingeschränkt, oder verboten (z.B. Nachtzielgeräte) und mit enormen (Anschaffungs-) Kosten verbunden.

Allerdings hat es die Zeit mit sich gebracht, daß sich trotzdem ein ziviler Markt für diese Geräte bildete. Sichwort "Konversion": Seit Ende des "Kalten Krieges" kommen immer mehr Restlichtverstärker aus östlicher Produktion auf den Markt. Waren sie ehemals ausschließlich dem Militär vorbehalten, so sind einfache oder ausgemusterte Nachtsichtgeräte mittlerweile auch für zivile Anwender wie z.B. kommerzielle Sicherheitsunternehmen, Jäger, Naturbeobachter oder Bootsführer verfügbar (u.a. bezahlbar) geworden. Ihre hauptsächliche Verwendung finden moderne Nachtsichtgeräte natürlich aber nach wie vor bei der militärischen Aviatik, Spezialeinheiten, Geheimdiensten und bei Behörden mit hoheitlichen Aufgaben. Das Spektrum reicht dabei von Nachtsichtmonokularen über Nachtsichtbiokulare oder -binokualre bis zu Nachtsichtbrillen (z.B. rechts: PVS-18 als 'Mono-Goggle').

Unsere Absicht ist es hiermit interessierten Personengruppen einen Überblick über das Thema 'Nachtsichttechnik' zu geben und eventuelle Informationslücken zu schließen. Nicht zuletzt für diejenigen, welche sich ernsthaft mit dem Erwerb eines Restlichtverstärkers beschäftigen, sollte erwähnt werden, daß leider einige Zeitgenossen auf dem zivilen Markt die meist große Unwissenheit der potentiellen Interessenten ausnutzen. Die folgenden Seiten sollen u.a. dies verhindern helfen.

2. Geschichte, Ausblick

Den Bedarf sich vor einer unangenehmen Überraschung zu schützen oder einen Vorgang in der Dunkelheit zu erst zu bemerken war schon um 300 v. Chr. vorhanden. Die Römer setzten bei Gefahr schnatternde Gänse ein, um nicht nachts von einem Angriff der Gallier überrascht zu werden. Jedoch beginnt die eigentliche Geschichte der optoelektronischen Nachtsichtgeräte (engl. "night vision devices" oder kurz NVD) erst mit der Entwicklung der ersten Bildwandlerröhre in den 30er Jahren. Seitdem werden Technologiesprünge durch die Bezeichnung 'Generationen' verdeutlicht. Einige wenige Spezialeinheiten benutzten schon im 2. Weltkrieg die ersten Nachtsichtgeräte mit Wandlerröhren zur Feindbekämpfung (0.Generation). Allerdings waren diese NVD recht unhandlich, mußten mit einem zusätzlichen Infrarot-Stahler benutzt werden (sog. aktive Nachtsichtgeräte) und waren natürlich mit einem anderen Nachtsichtgerät leicht zu orten.

Handlichere Geräte, die auch auf der Waffe als Nachtzielgeräte eingesetzt werden konnten, wurden dann in der Zeit des Vietnam-Krieges von den U.S. Army sporadisch eingesetzt. Die Leistungen der Geräte dieser 1.Generation waren aber nur bedingt ausreichend und die Einschränkungen in der Praxis zu groß, um damit einen effektiven Vorteil im Gefecht oder der Aufklärung gegenüber dem "nachtblinden" Gegner zu haben. Zudem benötigten diese NVDs im Gelände mit besonders wenig Restlicht (z.B. Wald, Dschungel) meist doch wieder zusätzliches, verräterisches Infrarotlicht.

Die Entwicklung der Mikrokanalplatte (MCP) in den siebziger Jahren bedeutete eine große Leistungssteigerung. Mit der 2.Generation von Nachtsichtgeräten wurde eine viel größere Aufhellung als mit (den meist einstufigen) Röhren zuvor möglich. Allerdings wurde dieser Vorteil mit einer zunächst sogar schlechteren Auflösung und einem starken Bildrauschen 'erkauft'. Das zugrunde liegende Prinzip der 'Nahfokussierung' ermöglichte es erstmals kleine, leichte Geräte zu konstruieren (wichtig für die Verwendung als Nachtsichtbrille). Mit Ausnahme von digitalen CCD-Nachtsichtgeräten funktionieren bisher alle modernen NVDs immer noch nach dem Grundprinzip der Nahfokussierung und Elektronenvervielfältigung mit einer MCP.

Durch immer größere Erfolge in der Forschung gab es dann am Ende der 80er Jahre auf amerikanischer Seite die 3.Generation von Nachtsichtgeräten, charakterisiert durch eine neuartige GaAs-Beschichtung der lichtempfindlichen Photokathode. Diese Generation stellte für den feldmäßigen Einsatz, bzw. in der Luftfahrt nocheinmal eine Leistungssteigerung dar und ist bis heute in teilweise stark verbesserter Ausführung Stand der Technik in den westlichen Streitkräften. Im Golfkrieg Anfang der 90er Jahre fanden sie breite Verwendung auf allierter Seite. Im Verlauf der (zu Beginn meist nächtlichen) Kampfhandlungen zeigte sich signifikant der technologische Vorsprung auch im optoelektronischen Bereich. Im Schutze der Nacht war die Überlegenheit deutlich und die eigenen Verluste konnten gering gehalten werden. In Europa hingegen bemühte man sich auch mit Erfolg MCP-Röhren der 2+Generation mit moderner Technik (andere Photokathoden-Beschichtungen, verbesserte Steuerelektronik, etc.) weiter zu entwickeln, so daß es mittlerweile schwierig zu behaupten ist wer 'die Nase vorn', bzw. welche Entwicklungsrichtung das größere Leistungspotential hat.

Zunehmend kleiner und handlicher werden auch reine Wärmebildgeräte, welche auch durch Nebel und teilweise durch optische Hindernisse (z.B. Bewuchs) Bilder geben können. In der zukünftigen, bzw. teilweise schon heutigen Entwicklung von Nachsichtgeräten stellt dies eher eine Ergänzung als einen Ersatz für die herkömmlichen NVDs dar, zumal Wärmebildgeräte für eine Orientierung in der Dunkelheit den (Vor- bzw.) Nachteil haben die Umgebung nur in Temperaturunterschieden, statt in 'tatsächlichen Ansichten' abzubilden. Bei den klassischen Restlichtverstärkern ist man bemüht neben einem höher auflösenden, kontrastreicheren und rauschärmeren Bild den Blickwinkel von derzeit etwa 40° bei einfacher Vergrößerung (in Einzelfällen schon 50°) deutlich zu erhöhen.

Es wird wohl letztlich auf eine Kombination beider bildgebenden Verfahren hinauslaufen, deren erfasste Daten eventuell zunächst noch von einem Kleincomputer aufbereitet werden (selektive Vergrößerung bzw. Markierung, Dateneinspiegelung-HUD, Monitoring via Funk, etc.) bevor eine Ansicht aus beiden Bildern generiert wird. In Zukunft ist auch die Ablösung der klassischen Bildverstärkerröhre zugunsten von rein elektronischen Verfahren (CCD-Kameras, Ansätze z.B. im US 'Land Warrior'-Programm) denkbar, falls die Empfindlichkeit und Reaktionsgeschwindigkeit lichtempfindlicher Chips weiter zunimmt. Eine offizielle 4.Generation von Nachtsichtgeräten ist aber bis heute (sofern man von dem Status der sog. 'filmless' bzw. 'autogated tubes' absieht / soweit dies bekannt ist ...) noch nicht in Erscheinung getreten.

3. Aufbau, allgemeines Funktionsprinzip NVD

Der oft verwendete Begriff "Restlichtverstärker" macht schon auf das, dem Prinzip zugrundliegendem Phänomen der "Verstärkung" des vorhandenen "Restlichts" aufmerksam.

Neben dem für das menschliche Auge sichtbaren Ausschnitt der elektromagnetischen Strahlung (nach DIN zwischen 380 - 780 nm Wellenlänge) gibt es natürlich noch andere (nicht sichtbare) Strahlung desselben Typs. Jeder Radiosender und auch im Prinzip jedes warme Objekt gibt elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich ab. Während es für unsere Augen nachts relativ wenig zu "detektieren" gibt, ist dennoch eine schwankende Menge an infraroter Strahlung (IR-Strahlung) im Spektrum ab 700 nm vorhanden.

Das Nachtsichtgerät dient sozusagen als "Korrekturbrille", indem es die Strahlung dieser Wellenlänge auffängt, elektronisch umwandelt, bzw. verstärkt und wieder als Licht im sichtbaren Bereich abgibt.

Daher spricht man auch von 'optoelektronischen Geräten', die entweder 'aktiv' sind, d.h. eine IR-Lichtquelle zum Anstrahlen des Objekts benutzen, oder "passiv" nur das Restlicht nutzen.

Ein Nachtsichtgerät besteht aus drei Teilen (optisch - elektronisch - optisch):

- Objektiv, sammelt und fokussiert das Restlicht - speziell durchlässig für IR-Strahlung

- Bildwandlerröhre bzw. Bildverstärkerröhre, wandelt Licht in Elektronen um (Photokathode), verstärkt diese und wandelt sie wieder in Licht (Phosphorschirm)

- Okular, vergrößert das relativ kleine Abbild der Bildwandlerröhre

0. bis 1.Generation: Trifft die vom beobachteten Objekt reflektierte, ausgesandte IR-Strahlung auf das Objektiv des NVD, wird es gebündelt und auf die Photokathode (eigentlicher 'Bildwandler') fokussiert. Durch die lichtempfindliche, chemische Beschichtung der Photokathode wird theoretisch pro auftreffendem Lichtteilchen (Photon) auf der Rückseite der Photokathode ein Elektron herausgeschlagen - 'äußerer Photoeffekt' (tatsächlich geschieht das selbst bei den besten Geräten nur bei einem in fünf Fällen!). Aufgrund der nahezu identischen Verteilung von projiziertem IR-Abbild und Elektronenabgabe bleibt das Bild sozusagen als 'Elektronen-Abdruck' innerhalb der Röhre erhalten. Über eine angelegte Hochspannung (15-36 kV) werden die Elektronen durch einen Anodenkegel beschleunigt (die eigentliche Verstärkung) und treffen auf dem Phosphorschirm des Wandlers auf. Hier wird der 'Elektronen-Abdruck' wieder durch eine spezielle Beschichtung in sichtbares Licht zurückgewandelt. Nun muß nur noch das meist grünliche Abbild (Grüntöne werden vom Auge in den meisten Abstufungen erkannt) auf der Rückseite der Röhre vergrößert werden. Da aber Verzeichnungen auftreten und die Verstärkung nur durch eine Elektronen-Beschleunigung erreicht wird, werden Röhren der 0. und 1.Generation nur noch für speziellen Anwendungen (z.B. in der Forschung) produziert.
Es sollte dabei nicht unerwähnt bleiben, daß Röhren dieser beiden Generationen aufgrund der hohen Beschleunigungsspannung auch einen gewissen Anteil an Röntgenstrahlung produzieren. Ähnlich wie bei einer TV-Röhre sollten daher vom Hersteller eines NSG Abschirmungsmaßnahmen (Ex-Militärgeräte aus Rußland?) getroffen worden sein (Bleizusätze im Okularglas), zumal sich die Röhre des Nachtsichtgerätes naturgemäß bei Benutzung sehr dicht am Kopf/Auge befindet. Die persönliche Strahlenbelastung hängt daneben natürlich auch von der Einwirkdauer (ges. Benutzungszeit) ab.

Zwar ist das Verfahren bei der heute üblichen 2. und 3. Generation im Ablauf ähnlich, jedoch ist der Aufbau durch die Verwendung einer Mikrokanalplatte (MCP) verschieden. Die Bildverstärkung wird weniger durch die Beschleunigung (ca. 5-6 kV) als durch die Vervielfältigung der Elektronen (daher ist strenggenommen auch "Restlichtverstärker" irreführend) innerhalb der MCP erreicht. Prinzipiell erhalten bleiben in dieser Röhre zwar die beiden Umwandler (empfindlichere Photokathode, grünlich-gelblicher Phosphorschirm), allerdings wird statt dem Anodenkegel die angesprochene Mikrokanalplatte (engl. microchannelplate, MCP) verwendet. Diese extrem dünne Glasplatte besitzt ca. 2-6 Mio. kleinster "Löcher", die leicht geneigt zur optischen Achse angeordnet sind. Dringen die Elektronen in diese Mikrokanäle ein, so treffen sie (wegen der Neigung der Mikroröhren, ca 8°) auf die speziell behandelten Wandungen und lösen dabei weitere Elektronen aus der Beschichtung. Diese treffen ihrerseits wieder auf die Röhreninnenwand und lösen kaskadenartig Elektronen heraus. Am Ende der Mikroröhren kommen so einige hundert Teilchen heraus, die durch ein einziges Elektron ausgelöst wurden (Stromverstärkung). Diese Technologie ermöglicht auch kompaktere Systeme, da das 'Elektronenbild' kurz nach der Photokathode praktisch verzerrungsfrei auf der dünnen MCP nahfokussiert wird (Paralellprojektion). Aufgrund der Bauweise nennt man diese Röhren auch 'Proximity Image Intensifier'. Das Auflösungsvermögen solcher Systeme hängt natürlich von der Anzahl der Mikroröhren ab. Ihre Leistungsfähigkeit ist wesentlich größer als die der reinen "Beschleuniger-Systeme".

AN/PVS-18 (M983)

älteres BW-Nachtzielgerät (B-8 V)
Älteres "Infrarot-Zielgerät für Handwaffen" der Bundeswehr montiert auf einem G3-Sturmgewehr

GN2 / TN-21
EU-Bi-Okulare: GN-2 (SEK, BW) und TN-21 (GIGN)

Aviator's Night Vision
US-ANVIS Binokular - wird für Nachtflüge verwendet

Blick AN/AVS-502
Moderne Nachtsichtbrillen (hier PVS-21) erlauben es, wichtige Parameter einzublenden - besonders in der militärischen Luftfahrt von Bedeutung

PVS-21 oder AN/AVS-502
Durch sog. 'Beamcombiners' ist das (unverstärkte) Gesichtsfeld bei der PVS-21 viel größer. Die geringe Bautiefe und Gewicht sorgt für Tragekomfort.

AN/AVS-502
Low Profile Night Vision Goggle AN/AVS-502 (bzw. AN/PVS-21) der 3.Generation von der Firma Litton - Das verstärkte Bild wird auf den beiden dunkel getönten Glasscheiben ('Beamcombiners') über die "normale" Sicht eingeblendet und kann sich je nach Dämmerungszustand anpassen.
Objektive sind unten (blau), IR-Aufheller (LED, darüber) zu erkennen - eine der modernsten Nachtsichtbrillen, der Anschaffungspreis entspricht in etwa einem Mittelklassewagen

Funktions-Schema Nachtsichtgerät