Ночное видение - Night vision

Двое американских солдат во время войны в Ираке 2003 года, увиденные через усилитель изображения .

Ночное видение - это способность видеть в условиях низкой освещенности. Будь то биологические или технологические средства, ночное видение стало возможным благодаря комбинации двух подходов: достаточный спектральный диапазон и достаточный диапазон яркости . У людей плохое ночное зрение по сравнению со многими животными, отчасти потому, что в человеческом глазу отсутствует tapetum lucidum .

Типы диапазонов

Спектральный диапазон

Используемые в ночное время методы спектрального диапазона могут определять излучение, невидимое для человека-наблюдателя. Человеческое зрение ограничено небольшой частью электромагнитного спектра, называемой видимым светом . Расширенный спектральный диапазон позволяет зрителю использовать невидимые источники электромагнитного излучения (например, ближнее инфракрасное или ультрафиолетовое излучение). Некоторые животные, такие как креветки-богомолы и форель, могут видеть, используя гораздо больше инфракрасного и / или ультрафиолетового спектра, чем люди.

Диапазон интенсивности

Достаточный диапазон интенсивности - это просто способность видеть при очень небольшом количестве света.

Многие животные имеют лучшее ночное зрение, чем люди, в результате одного или нескольких различий в морфологии и анатомии их глаз. К ним относятся наличие большего глазного яблока, большей линзы, большей оптической апертуры (зрачки могут расширяться до физического предела век), большего количества стержней, чем колбочек (или исключительно стержней) в сетчатке , и tapetum lucidum .

Расширенный диапазон интенсивности достигается с помощью технических средств за счет использования усилителя изображения , ПЗС-матрицы с умножением усиления или других матриц фотодетекторов с очень низким уровнем шума и высокой чувствительности .

Биологическое ночное видение

Все фоторецепторные клетки в глазу позвоночных содержат молекулы фоторецепторного белка, который представляет собой комбинацию белка фотопсина в клетках цветного зрения , родопсина в клетках ночного видения и сетчатки (небольшая молекула фоторецептора). Сетчатка сетчатки необратимо изменяет свою форму при поглощении света; это изменение вызывает изменение формы белка, окружающего сетчатку, и это изменение затем вызывает физиологический процесс, который приводит к зрению.

Сетчатка должна распространяться от зрительной клетки из глаза и циркулировать через кровь в печень, где она регенерируется. В условиях яркого освещения большая часть сетчатки не находится в фоторецепторах, а находится вне глаза. Для перезарядки всех фоторецепторных белков активной сетчаткой требуется около 45 минут темноты , но большая часть адаптации к ночному видению происходит в течение первых пяти минут в темноте. Адаптация приводит к максимальной светочувствительности. В темноте только стержневые клетки обладают достаточной чувствительностью, чтобы реагировать и вызывать зрение.

Нормализованные спектры поглощения трех фотопсинов человека и родопсина человека (заштрихованы).

Родопсин в прутах человека нечувствителен к более длинным красным волнам , поэтому традиционно многие люди используют красный свет, чтобы сохранить ночное зрение. Красный свет только медленно истощает запасы родопсина в стержнях, и вместо этого его видят красные чувствительные клетки колбочек .

Другая теория утверждает, что, поскольку звезды обычно излучают свет с более короткими длинами волн, свет от звезд будет в сине-зеленом цветовом спектре. Следовательно, использование красного света для навигации не приведет к снижению чувствительности рецепторов, используемых для обнаружения звездного света.

Использование красного света для ночного видения менее эффективно для людей с красно-зеленой дальтонизмом из-за их нечувствительности к красному свету.

У многих животных есть слой ткани, называемый tapetum lucidum, в задней части глаза, который отражает свет обратно через сетчатку, увеличивая количество света, доступного для захвата, но уменьшая резкость фокуса изображения. Это встречается у многих ночных животных и некоторых глубоководных животных и является причиной блеска глаз. У людей и обезьян отсутствует тапетум люцидум .

У ночных млекопитающих есть стержни с уникальными свойствами, которые делают возможным улучшенное ночное зрение. Ядерная структура их палочек меняется вскоре после рождения и становится перевернутой. В отличие от обычных стержней, перевернутые стержни имеют гетерохроматин в центре их ядер, а эухроматин и другие факторы транскрипции вдоль границы. Кроме того, внешний слой клеток сетчатки ( внешний ядерный слой ) у ночных млекопитающих толстый из-за миллионов стержней, которые используются для обработки более низкой интенсивности света. Анатомия этого слоя у ночных млекопитающих такова, что ядра палочек отдельных клеток физически сложены таким образом, что свет проходит через восемь-десять ядер, прежде чем достигнет фоторецепторной части клеток. Вместо того, чтобы рассеиваться, свет проходит к каждому ядру индивидуально за счет сильного линзирующего эффекта из-за ядерной инверсии, выходя из стопки ядер в стопку из десяти фотоприемных внешних сегментов . Чистый эффект этого анатомического изменения заключается в увеличении светочувствительности сетчатки в восемь-десять раз без потери фокуса.

Технологии ночного видения

1974 год. Фильм армии США о развитии военной техники ночного видения.

Технологии ночного видения можно условно разделить на три основные категории: усиление изображения , активное освещение и тепловидение .

Усиление изображения

Это увеличивает количество фотонов, полученных от различных естественных источников, таких как звездный или лунный свет. Примеры таких технологий включают ночные очки и камеры для слабого освещения. В военном контексте усилители изображения часто называют «ТВ при слабом освещении», поскольку видеосигнал часто передается на дисплей в центре управления. Обычно они интегрируются в датчик, содержащий как видимые, так и инфракрасные детекторы, и потоки используются независимо или в смешанном режиме, в зависимости от требований выполняемой задачи.

Усилитель изображения - это устройство на основе вакуумной трубки (фотоумножитель), которое может генерировать изображение из очень небольшого количества фотонов (например, света звезд в небе), так что тускло освещенную сцену можно просматривать в режиме реального времени. невооруженным глазом через визуальный вывод или сохраненные как данные для последующего анализа. Хотя многие считают, что свет «усиливается», это не так. Когда свет попадает на заряженную пластину фотокатода , электроны испускаются через вакуумную трубку и попадают на пластину микроканала. Это заставляет экран изображения освещаться изображением того же рисунка, что и свет, падающий на фотокатод, и на длине волны, которую может видеть человеческий глаз. Это очень похоже на ЭЛТ - телевизор , но вместо цветовых пушек фотокатод делает излучающий.

Говорят, что изображение становится «усиленным», потому что выходной видимый свет ярче, чем падающий, и этот эффект напрямую связан с различием в пассивных и активных очках ночного видения . В настоящее время наиболее популярным усилителем изображения является вставной модуль ANVIS , хотя на рынке доступно множество других моделей и размеров. Недавно ВМС США объявили о намерении закупить двухцветный вариант ANVIS для использования в кабинах бортовых платформ.

Активное освещение

Снайперский прицел USMC M3 собран на карабине M1 . Представленный во время Корейской войны , это был ранний активный инфракрасный прибор ночного видения, работающий от большой 12-вольтовой батареи, который носился в прорезиненном брезентовом рюкзаке.
М60 бак с инфракрасным прожектором , установленным на пушках.

Активное освещение объединяет технологию усиления изображения с активным источником освещения в ближнем инфракрасном (NIR) или коротковолновом инфракрасном (SWIR) диапазоне. Примеры таких технологий включают камеры для слабого освещения.

Активное инфракрасное ночное видение сочетает в себе инфракрасное освещение в спектральном диапазоне 700–1000 нм (чуть ниже видимого спектра человеческого глаза) с камерами CCD, чувствительными к этому свету. Результирующая сцена, которая кажется темной для человека-наблюдателя, отображается как монохромное изображение на обычном устройстве отображения. Поскольку активные инфракрасные системы ночного видения могут включать в себя осветители, излучающие инфракрасный свет высокого уровня, получаемые изображения обычно имеют более высокое разрешение, чем другие технологии ночного видения. Активное инфракрасное ночное видение теперь обычно используется в коммерческих, жилых и государственных системах безопасности, где оно обеспечивает эффективную съемку в ночное время в условиях низкой освещенности. Однако, поскольку активный инфракрасный свет может быть обнаружен очками ночного видения, может существовать риск потери позиции при тактических военных операциях.

Лазерное сканирование со стробированием - это еще одна форма активного ночного видения, в которой для освещения и визуализации используется мощный импульсный источник света. Стробирование по дальности - это метод управления лазерными импульсами в сочетании с выдержкой детекторов камеры. Технологию стробированной визуализации можно разделить на однократную съемку , когда детектор захватывает изображение с помощью одного светового импульса, и многократную съемку , когда детектор объединяет световые импульсы от нескольких снимков для формирования изображения. Одним из ключевых преимуществ этого метода является способность выполнять распознавание цели, а не простое обнаружение, как в случае с тепловизором.

Тепловизионное зрение

Тепловизионное изображение определяет разницу температур между объектами заднего и переднего плана. Некоторые организмы способны воспринимать грубое тепловое изображение с помощью специальных органов, которые функционируют как болометры . Это позволяет обнаруживать тепловое инфракрасное излучение у змей , которое функционирует, обнаруживая тепловое излучение.

Тепловизионные камеры - отличные инструменты для ночного видения. Они обнаруживают тепловое излучение и не нуждаются в источнике освещения. Они создают изображение в самую темную ночь и могут видеть сквозь легкий туман, дождь и дым (в определенной степени). Тепловизионные камеры делают видимыми небольшие перепады температур. Они широко используются в дополнение к новым или существующим сетям безопасности, а также для ночного видения на самолетах, где их обычно называют «FLIR» («дальновидный инфракрасный порт»). В сочетании с дополнительными камерами (например, камерой видимого спектра или SWIR) возможны мультиспектральные датчики, которые используют преимущества возможностей каждого диапазона обнаружения. Вопреки заблуждениям, представленным в СМИ, тепловизоры не могут «видеть» сквозь твердые объекты (например, стены) и не могут видеть сквозь стекло или акрил, поскольку оба этих материала имеют свою собственную тепловую сигнатуру и непрозрачны для длинноволнового инфракрасного излучения. .

Приборы ночного видения

См. Статьи: Прибор ночного видения и тепловизионная камера.

История

До появления усилителей изображения ночные очки были единственным методом ночного видения и поэтому широко использовались, особенно на море. Ночные очки времен Второй мировой войны обычно имели диаметр линзы 56 мм и более при семи или восьми увеличениях. Основные недостатки ночных очков - их большой размер и вес.

Текущая технология

Бинокулярные очки ночного видения на летном шлеме. Зеленый цвет линз объектива - это отражение светофильтров, а не свечение.

Устройство ночного видения (ПНВ) - это устройство, содержащее усилитель изображения в жестком корпусе, обычно используемое в вооруженных силах . В последнее время технология ночного видения стала более доступной для гражданского использования. Например, для самолетов стали доступны улучшенные системы обзора (EVS), чтобы повысить ситуационную осведомленность пилотов и предотвратить несчастные случаи. Эти системы включены в новейшие пакеты авионики от таких производителей, как Cirrus и Cessna . ВМС США начали закупку варианта, встроенного в нашлемный дисплей, производства Elbit Systems.

Очки ночного видения (NVG) - особый тип ПНВ - это прибор ночного видения с двойными окулярами. Устройство может использовать либо одну трубку усилителя изображения с одинаковым изображением, отправляемую в оба глаза, либо отдельную трубку усилителя изображения для каждого глаза. Очки ночного видения в сочетании с увеличительными линзами составляют бинокли ночного видения. Другие типы включают монокулярные приборы ночного видения только с одним окуляром, которые могут быть установлены на огнестрельное оружие в качестве ночных прицелов. Технологии NVG и EVS становятся все более популярными при эксплуатации вертолетов для повышения безопасности. NTSB рассматривает EVS как рекомендуемое оборудование для функций безопасности.

Ночные очки бывают одиночными или бинокулярными с объективом большого диаметра. Большие линзы могут собирать и концентрировать свет, тем самым усиливая свет с помощью чисто оптических средств и позволяя пользователю видеть в темноте лучше, чем невооруженным глазом. Часто ночные очки также имеют довольно большой выходной зрачок 7 мм и более, чтобы весь собранный свет попадал в глаз пользователя. Однако многие люди не могут воспользоваться этим из-за ограниченного расширения человеческого зрачка . Чтобы справиться с этим, солдатам иногда вводили глазные капли с атропином для расширения зрачков.

Системы ночного видения также могут быть установлены на транспортных средствах. Автомобильная ночного видения система используется для улучшения восприятия водителя транспортного средства и , видя расстояние в темноте или плохой погоде. В таких системах обычно используются инфракрасные камеры, иногда в сочетании с методами активного освещения, для сбора информации, которая затем отображается водителю. Такие системы в настоящее время предлагаются в качестве дополнительного оборудования на некоторых автомобилях премиум-класса.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки

Патенты