The evolution of design and ergonomics in thermal imaging and night vision devices

The evolution of night optics

Сучасні технології стрімко інтегрувались у повсякденне життя, витіснивши багато рішень минулих десятиліть. Більшість людей вже не пам’ятає, як виглядали прилади попередніх поколінь. Це особливо стосується тепловізорів і приладів нічного бачення, які до 1990-х років застосовувалися переважно у військовій сфері.

The first models of the 1940s and 1950s had bulky bodies and limited ergonomics, as functionality was prioritized over ease of use. Over time, engineers introduced a number of technical solutions that significantly improved the dimensions, weight, and energy efficiency of the devices.

У цьому матеріалі ми простежимо еволюцію зовнішнього вигляду нічної оптики та проаналізуємо ключові інженерні зміни, що забезпечили сучасний рівень ергономіки. Результати цього дослідження — нижче в статті.

The ergonomics of night optics depend on the size, weight, and mounting method of the device. Excessively large dimensions complicate operation, while excessively small dimensions lead to difficulties in control, in particular due to the inconvenience of pressing small buttons.

Маса пристрою визначається сумарною вагою всіх компонентів і їх розподілом у корпусі. Для досягнення балансу виробники можуть змінювати конструкцію — додавати або прибирати елементи корпусу. Важливу роль відіграє цільова аудиторія: якщо пристрій призначений для військових або користувачів з високою фізичною підготовкою, допустиме незначне збільшення ваги без втрати зручності. Для цивільних користувачів, навпаки, пріоритетом є мінімальна вага.

The mounting method also has a critical impact on ergonomics. This applies to both night vision sights mounted on weapons and devices mounted on tripods. In each case, it is necessary to ensure correct placement that does not upset the balance of the system, complicate control, or affect the ergonomics of the weapon or other equipment.

У 1950-х роках Сполучені Штати розпочали розробку власних приладів нічного бачення (ПНБ), використовуючи німецькі зразки Другої світової війни як основу. Це стало поштовхом до створення приладів другого покоління, які мали кращу чутливість і менші габарити порівняно з попередниками.

In the 1960s, models suitable for installation on small arms and armored vehicles appeared. The most common were AN/PVS-2 sights, which were mounted on modified M16 rifles. These devices were actively used during the Vietnam War, providing a significant advantage in conditions of limited visibility.

The housings of the PNBs of that period were made of aluminum alloys or plastic, without adequate protection against impact, moisture, or dust. Because of this, the design was vulnerable to mechanical damage, and soldiers had to handle the devices with care to avoid damaging the expensive equipment.

The appearance of the devices of the 1960s was generally similar to their modern counterparts, but their dimensions and weight exceeded 2 kg, which made aiming and shooting difficult. They were attached to weapons using bulky adapters that did not provide stable fixation, which created difficulties during combat operations.

Overview of night vision devices from the 1970s

У 1970-х роках з’явилося нове покоління приладів нічного бачення, деякі з яких досі використовуються в навчальних цілях або як резервні системи. Це були перші серійні пристрої другого покоління, які застосовували мікроканальні пластини (МКП) у складі електронно-оптичного перетворювача (ЕОП), що суттєво підвищило чутливість і роздільну здатність порівняно з приладами першого покоління.

Зовні ці прилади майже не відрізнялися від сучасних моделей, однак мали інші габарити. Випускалися стандартні військові приціли та біноклі, які стали компактнішими завдяки впровадженню нових схем живлення та зменшенню розмірів ЕОП. Наприклад, радянські ПНВ-57Е та американські PVS-2 демонстрували значне зменшення масогабаритних характеристик порівняно з моделями 1960-х років.

Також вироблялися мініатюрні нічні приціли, спеціально розроблені для снайперської стрільби, зокрема радянський 1ПН34. Вони вирізнялися простотою у використанні та добре збалансованою конструкцією, що зменшувала навантаження на стрільця під час прицілювання та пострілу.

The mounting of such sights on weapons remained imperfect, with side plates or fasteners with limited stability often being used. However, at that time, this was considered an acceptable compromise. The ergonomics of the devices improved thanks to the use of new materials for the body—aluminum alloys and reinforced polymers, which provided lightness, strength, and resistance to moisture and dust.

Протягом наступних 20 років після появи перших приладів нічного бачення зміни в конструкції корпусів, характеристиках та функціональності були незначними. Лише наприкінці 1990-х років з’явилися моделі третього покоління, зокрема PVS-14 (США, 1997), які стали найпоширенішими серед військових і цивільних користувачів. Ці прилади використовують ЕОП з мікроканальною пластиною та фотокатодом GaAs, що забезпечує високий рівень чутливості та роздільної здатності.

Виробники, зокрема ITT, L3Harris і Photonis, приділили особливу увагу ергономіці нових моделей. Корпуси виготовляли з ударостійкого полімеру (наприклад, полікарбонат-нейлонових композитів), що зменшило вагу до 300–350 г без шкоди для міцності. Прилади отримали зручне розташування елементів керування, універсальні кріплення типу dovetail або bayonet для шоломів і зброї, а також можливість роботи однією рукою. Це дозволило ефективно використовувати їх у динамічних умовах бою або під час пошуково-рятувальних операцій.

Корпуси проходили багатоетапне тестування на відповідність стандартам MIL-STD-810 (удар, вібрація, вологість, пил), що забезпечило високу стійкість до зовнішніх впливів. Наприклад, корпус AN/PVS-14 витримує падіння з висоти 1,5 м на бетон. Завдяки герметизації корпусів (IP67 або вище) та використанню антикорозійних покриттів зменшилася кількість відмов через вологу або пил. Це суттєво збільшило ресурс експлуатації — середній час безвідмовної роботи перевищує 10 000 годин — і знизило потребу в ремонтах, зокрема заміні пошкоджених компонентів корпусу чи електроніки.

Development of night vision device design

In the 21st century, night vision devices have undergone significant changes in design. Although these changes were not revolutionary, they have significantly affected the convenience and functionality of the devices.

Modern PNBs have become more compact, lighter, and suitable for long-term use. The housings of some models, such as the PVS-14 or DTNVS, are made of reinforced polymers (e.g., glass fiber reinforced polyamides) or 7075-T6 aluminum alloys, which provide high strength at reduced weight.

Удосконалення електронно-оптичних перетворювачів (ЕОП), таких як Photonis 4G або L3Harris Unfilmed White Phosphor, супроводжуються зменшенням габаритів та маси компонентів. Це вимагає адаптації корпусів — зміни розміщення елементів живлення, оптичних вузлів і систем кріплення. Також впроваджуються нові типи об'єктивів із покращеним світлозбиранням (наприклад, F/1.0 замість F/1.2), що впливає на геометрію корпусу.

Custom manufacturing of PNBs for specific tasks (e.g., for special forces units or UAV operators) stimulates the development of ergonomics—in particular, the introduction of complex hinged mounts, replaceable power modules (AA/CR123), and integration with FAST-type helmets. This creates the conditions for further progress in the design of housings and the functionality of devices.

Development and features of early thermal imaging cameras

Перші тепловізори стали доступними широкому загалу лише у 1960-х роках, хоча технологія інфрачервоної візуалізації розвивалась ще з 1940-х. Ранні моделі, зокрема AN/PAS-4, використовувалися армією США у В’єтнамі, але залишалися громіздкими й малоефективними для широкого застосування. Зовнішній вигляд таких пристроїв майже не змінювався протягом десятиліть: корпуси ставали трохи компактнішими, однак блоки обробки сигналу та виведення зображення залишались великими. Через високий рівень енергоспоживання більшість систем працювали лише від стаціонарного живлення або генераторів потужністю понад 1 кВт.

У 1968 році шведська компанія AGA (пізніше — частина FLIR Systems) представила тепловізор серії Thermovision, який мав форму телескопа та оснащувався окремим кріогенним охолоджувачем для підтримки роботи детектора на основі охолодженого PbSe. Пристрій був призначений для промислового та військового використання і важив понад 20 кг. У 1972 році американська компанія Texas Instruments розробила портативну модель з живленням від акумуляторів — AN/PAS-7. Це стало першим кроком до автономних систем, хоча пристрій усе ще потребував зовнішнього блоку охолодження і мав обмежений час автономної роботи (до 1 години).

It was only in the late 1970s that the first fully autonomous thermal imagers without external cooling modules appeared. For example, in 1979, Hughes Aircraft introduced the AN/PAS-13 thermal imager based on a cooled HgCdTe detector with an integrated cryogenic module. This made it possible to create mobile systems for tactical use without the need for additional equipment.

У 1970-х роках американські інженери з Texas Instruments інтегрували у тепловізори можливість фіксації зображення на фотоплівку. Це дозволяло не лише спостерігати теплову картину в реальному часі, а й здійснювати її фотографування для подальшого аналізу або документування. Подібна функціональність була реалізована, зокрема, в експериментальних моделях, що використовувалися військовими та науковими установами.

Пристрій мав відносно компактні розміри для свого часу та зовнішньо нагадував сучасні монокуляри. Корпус виготовлявся з легких, але крихких матеріалів — здебільшого алюмінієвих сплавів і пластику — що робило його вразливим до механічних пошкоджень у польових умовах.

Ergonomics remained limited: although basic balance and handheld capability were ensured, the design did not take into account aspects such as the location of controls, device weight, or comfort during prolonged use. As a result, operating thermal imagers of that period required special training and did not provide adequate comfort for the operator.

Development of ergonomics in thermal imaging devices

Протягом останніх двох десятиліть основна увага виробників тепловізійної оптики зосереджувалась на підвищенні ефективності та розширенні функціональності пристроїв. Паралельно змінювався підхід до конструкції корпусу. Із відкриттям цивільного ринку, зокрема після 2000-х років, компанії як FLIR Systems, Pulsar (Yukon Advanced Optics), AGM Global Vision почали активно вдосконалювати ергономіку тепловізорів для користувачів поза військовим сектором.

The bodies of modern models are adapted to the anatomy of the user's hand, making it easier to hold the device with one hand and reducing fatigue during prolonged observation. For example, the Pulsar Helion series has interchangeable rubber inserts and optimized control placement for use with gloves. Improved body weight balance reduces strain on the wrist and allows the device to be used continuously for several hours.

Габарити та вага приладів, орієнтованих на цивільний сегмент, суттєво зменшилися. Наприклад, FLIR Scout TK важить лише 170 г і має довжину 15 см, що значно спрощує транспортування та зберігання. У 21 столітті тепловізори стали багатофункціональними: більшість моделей оснащені відеозаписом, Wi-Fi-модулями та GPS. Корпуси виготовляються з ударостійких полімерів або магнієвих сплавів і забезпечують захист за стандартами IP66 або IP67 від пилу, вологи та механічних пошкоджень.

Modern models feature a well-thought-out ergonomic design that takes into account both technical requirements (heat dissipation, airtightness) and feedback from users—hunters, rescuers, security guards, and athletes.

Thermal imagers and night vision devices are constantly evolving. This process encompasses both internal components and the design of the housing. In the coming years, the size and weight of devices are expected to decrease—for example, modern monoculars based on Photonis ECHO image intensifiers already weigh less than 300 g. This necessitates a change in ergonomics: devices will have to be held with a few fingers rather than the entire palm, as is the case with the PVS-14 or ACTinBlack DTNVS.

Зменшення розмірів потребуватиме адаптації форми корпусу до нових способів хвату. Водночас виробники, зокрема L3Harris і Theon Sensors, впроваджують нові композитні матеріали — карбон, армовані полімери — для зниження маси без втрати міцності. Це впливає на балансування оптичної системи, особливо в приладах з великим об'єктивом або додатковими аксесуарами (наприклад, кріпленням на шолом). Тому геометрія корпусу зазнає локальних змін для збереження стабільності й зручності використання.

Significant changes in design are only possible with the introduction of fundamentally new technologies, such as new-generation digital image intensifiers or the integration of artificial intelligence for real-time image processing. For example, developments by BAE Systems and Elbit Systems in the field of digital night optics could change the architecture of devices, making them more compact and functional without the traditional electro-optical circuitry.

У перспективі можливе створення технологій, що надаватимуть людині здатність бачити в темряві без використання зовнішніх приладів. Зокрема, у 2019 році дослідники з Університету науки і технологій Китаю (USTC) та Массачусетського університету в Медфорді (США) успішно імплантували мишам наночастинки, які надавали їм здатність бачити в інфрачервоному діапазоні. Ці наночастинки зв'язувалися з фоторецепторами сітківки та зміщували спектральну чутливість ока.

У разі подальшого розвитку таких технологій, тепловізори та прилади нічного бачення (ПНБ) можуть стати допоміжними засобами, а не основними. Це вплине на конструкцію та принципи роботи ПНБ. Інженери також працюють над створенням мікроскопічних пристроїв, які можна імплантувати у зорову систему людини. Наприклад, дослідницькі групи в DARPA та Stanford University вивчають можливість інтеграції біосумісних сенсорів безпосередньо в сітківку або зоровий нерв для посилення зору в умовах низької освітленості.

Implanted night vision systems will radically change the approach to the design and dimensions of optical devices. Instead of bulky housings, future solutions may be nanoscale, opening up new possibilities for integration with biological structures. However, traditional NVGs will remain relevant for decades to come, especially in environments where high reliability, autonomy, and protection from electronic interference are required.

Ergonomics is a key parameter in the design of thermal imaging and night vision devices. It directly affects ease of use, especially during prolonged wear or intensive use in combat conditions.

З 1990-х років інженери компаній L3Harris, Elbit Systems, Theon Sensors та інших виробників вдосконалюють форму корпусів, зменшують масу пристроїв і оптимізують кріплення до шоломів і зброї. Зокрема, стандарти MIL-STD-1913 (Picatinny rail) і кріплення типу dovetail (ARMS #17, Wilcox) стали основою для уніфікованих рішень у монтажі приладів нічного бачення (ПНБ).

Modern night vision devices have ergonomics shaped by decades of practical experience in military operations. The PVS-14 form factor, developed in the US in the early 2000s, has become the benchmark for monoculars due to its compact size (less than 350 g with battery) and ease of one-handed operation. Binocular systems such as the PVS-31A (L3Harris) or DTNVS (ACTinBlack) offer an optimal balance between weight (approximately 500–550 g), weight distribution, and ease of switching between operating modes—for example, thanks to the auto shut-off function when the eyepiece is raised.

Розвиток технологій триває: використовуються нові матеріали корпусів, зокрема армовані полімери (наприклад, Torlon або нейлон з вуглеволокном), інтегруються низькопрофільні елементи керування, зменшується загальний профіль пристроїв. Це дозволяє знизити навантаження на шийний відділ користувача та підвищити ефективність роботи в польових умовах, особливо в нічних операціях тривалістю понад 6 годин.