Технології та принципи нічного бачення

Огляд можливостей нічного бачення

Нічне бачення — це здатність бачити в умовах слабкого освітлення. Воно може бути досягнуте як природним шляхом (за рахунок скотопічного зору), так і за допомогою пристроїв нічного бачення.

Для ефективного нічного бачення необхідні два ключові чинники:

• Достатній спектральний діапазон — здатність вловлювати інфрачервоне або інше невидиме світло.
• Достатній діапазон інтенсивності — чутливість до дуже слабких джерел світла.

Людське око має обмежені можливості нічного бачення у порівнянні з деякими тваринами (наприклад, кішками, лисицями чи кроликами). Це пов’язано з відсутністю у людини tapetum lucidum — світловідбивного шару за сітківкою, який підвищує чутливість до світла в темряві.

Спектральний діапазон

Технології нічного бачення використовують діапазони електромагнітного спектра, які є невидимими для людського ока. Звичайний зір людини обмежений лише видимим світлом, яке охоплює вузьку частину спектра.

Розширений спектральний діапазон дозволяє пристроям нічного бачення виявляти та використовувати випромінювання у ближньому інфрачервоному або ультрафіолетовому діапазонах. Це дає змогу спостерігати об'єкти в умовах недостатнього освітлення або повної темряви, де людське око не здатне розпізнати зображення.

Зверніть увагу: Деякі тварини, наприклад, мантіс-креветки або форелі, мають здатність бачити в ширших діапазонах спектра, включаючи інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання. Це демонструє потенціал, який можна реалізувати за допомогою технологій нічного бачення.

Діапазон інтенсивності

Достатній діапазон інтенсивності — це здатність бачити при дуже низькому рівні освітлення.

У багатьох тварин нічний зір кращий, ніж у людини, що зумовлено особливостями морфології та анатомії очей. До таких особливостей належать:

• більший розмір очного яблука
• збільшена лінза
• ширша оптична апертура (зіниці можуть розширюватися до фізичних меж повік)
• переважання паличок над колбочками або виключна наявність паличок у сітківці
• наявність тапетум люцидум — відбивної структури, що посилює світлочутливість

Підвищення діапазону інтенсивності у нічному баченні досягається за допомогою технологій:

• електронно-оптичного перетворювача (ЕОП) — пристрою, що підсилює зображення при слабкому освітленні
• ПЗЗ-матриць з множинним посиленням (gain multiplication CCD)
• масивів фотодетекторів з дуже низьким рівнем шуму та високою чутливістю

Корисно знати: інтенсивність зображення в приладах нічного бачення напряму залежить від чутливості фотодетекторів та ефективності підсилення сигналу.

Біологічне нічне бачення

Усі фоторецепторні клітини в оці хребетних містять молекули фоторецепторного білка, який складається з білка (фотопсину або родопсину) та молекули ретиналю. У клітинах, відповідальних за кольоровий зір (колбочках), присутній фотопсин, а в клітинах, що відповідають за нічний зір (палички), — родопсин. Ретиналь — це невелика молекула, яка змінює свою форму при поглинанні світла, що призводить до зміни структури білка та запуску фізіологічного процесу зору.

Після активації ретиналь залишає фоторецепторну клітину, потрапляє в кров і транспортується до печінки, де відновлюється. За умов яскравого освітлення більшість ретиналю знаходиться поза межами ока, тому повне відновлення чутливості фоторецепторів до темряви займає до 45 хвилин. Проте більшість адаптації до темряви відбувається вже протягом перших 5 хвилин.

У темряві лише палички мають достатню чутливість для забезпечення зору. Родопсин, що міститься в паличках, не реагує на довгі хвилі червоного світла. Саме тому червоне світло традиційно використовується для збереження нічного зору — воно активує лише колбочки, не виснажуючи родопсин у паличках.

Існує також гіпотеза, що зоряне світло, маючи коротші довжини хвиль (у синьо-зеленому спектрі), меншою мірою впливає на чутливість до червоного світла, тому використання червоного освітлення дозволяє зберігати здатність бачити зірки.

У багатьох тварин наявний tapetum lucidum — шар тканини за сітківкою, який відбиває світло назад через фоторецептори, посилюючи чутливість до світла.

Зіниця людини розширюється в темряві для покращення нічного зору. У деяких умовах вона може досягати діаметра до 9 мм, хоча без застосування мідріатиків така дилатація є рідкісною.

У нічних ссавців палички мають унікальну будову: ядерна структура клітин інвертована — гетерохроматин розташований у центрі ядра, а еухроматин — на периферії. Крім того, зовнішній ядерний шар сітківки у таких тварин значно товстіший через високу щільність паличок. Світло проходить через 8–10 ядер перед досягненням фоторецепторної частини клітини, причому інверсія ядер створює ефект лінзи, що спрямовує світло без розсіювання. Це підвищує світлочутливість сітківки у 8–10 разів без втрати фокусування.

Технології нічного бачення

Технології нічного бачення умовно поділяються на три основні категорії:

• Підсилення зображення
• Активна ілюмінація
• Тепловізійна технологія (не згадана в цьому фрагменті, але часто вважається третьою категорією)

Підсилення зображення

Підсилювач зображення — це пристрій на основі вакуумної електронної трубки, зокрема фотопомножувача, який дозволяє формувати зображення навіть за умов дуже слабкого освітлення (наприклад, при світлі зірок). Таке зображення можна спостерігати в реальному часі або зберігати для подальшого аналізу.

Важливо: хоча часто говорять про "підсилення світла", насправді світло не підсилюється. Коли фотони падають на заряджену фотокатодну пластину, вона випромінює електрони. Ці електрони проходять через вакуумну трубку і потрапляють на мікроканальну пластину, що спричиняє світіння екрану у відповідності до шаблону вхідного світла в діапазоні, видимому для людського ока.

Підсилення полягає в тому, що вихідне зображення є значно яскравішим за вхідне, що і дозволяє бачити у темряві. Саме це відрізняє пасивні прилади нічного бачення (ПНБ), які використовують природне світло, від активних, які потребують додаткового підсвічування.

Корисно знати: принцип дії підсилювача зображення схожий на роботу ЕПТ-телевізора (CRT), але замість електронних гармат використовується фотокатод.

Найпоширенішим типом підсилювача зображення є модуль ANVIS (Aviator's Night Vision Imaging System), що легко вбудовується в шоломні системи. Також існує безліч інших моделей і форм-факторів. Нещодавно ВМС США оголосили про намір закупити двокольорову версію ANVIS для використання в авіаційних кабінах.

Цифрові технології нічного бачення

Цифрове нічне бачення базується на високочутливих CMOS-сенсорах із підсвічуванням (back-illuminated), також відомих як sCMOS (scientific CMOS). Такі сенсори мають чутливість, що може перевищувати чутливість людського ока.

Активне інфрачервоне підсвічування

Активне підсвічування поєднує технологію підсилення зображення з джерелом інфрачервоного випромінювання у діапазоні ближнього (NIR) або короткохвильового (SWIR) ІЧ-діапазону. Прикладами таких систем є камери з низьким рівнем освітлення.

Активне інфрачервоне нічне бачення використовує підсвічування в спектральному діапазоні 700–1 000 нм — трохи за межами видимого спектру для людського ока. Камери або ПЗЗ-сенсори (CCD), чутливі до цього випромінювання, формують монохромне зображення, яке виводиться на звичайний дисплей.

Важливо: завдяки можливості використовувати потужні ІЧ-освітлювачі, системи активного нічного бачення забезпечують вищу роздільну здатність зображення порівняно з іншими технологіями нічного бачення.

Такі системи широко застосовуються у комерційній, житловій та державній сфері безпеки, забезпечуючи ефективну відеофіксацію в умовах низької освітленості. Зверніть увагу: активне ІЧ-підсвічування може бути виявлене за допомогою приладів нічного бачення, що створює ризик розкриття позиції під час військових операцій.

Лазерна дальнометрія з імпульсною підсвіткою (laser range gated imaging) — ще один різновид активного нічного бачення. Вона використовує потужне імпульсне джерело світла та синхронізує імпульси з витримкою затвора детектора камери. Існують два режими:

• Одиночний імпульс — камера фіксує зображення з одного імпульсу;
• Багаторазова інтеграція — камера накопичує світло з кількох імпульсів для формування зображення.

Перевага: ця технологія дозволяє не лише виявляти об’єкти, але й здійснювати їхню ідентифікацію (target recognition).

Прилади нічного бачення

До появи електронно-оптичних перетворювачів (ЕОП) єдиним способом нічного спостереження були так звані "нічні біноклі" — оптичні прилади з великою апертурою. У період Другої світової війни вони мали діаметр об'єктива 56 мм і більше та забезпечували збільшення 7–8 разів.

Важливо: основними недоліками таких приладів були значні габарити та вага, що обмежувало їх мобільність і зручність використання, особливо в сухопутних операціях. Водночас вони широко застосовувалися в морському флоті.

Сучасні технології

Сучасний прилад нічного бачення (ПНБ) — це пристрій, який містить ЕОП у жорсткому корпусі. Такі прилади активно використовуються військовими підрозділами, однак останнім часом технологія стала доступною і для цивільного використання.

Корисно знати: системи покращеного бачення (enhanced vision systems, EVS) інтегруються в авіоніку сучасних літаків (наприклад, Cirrus або Cessna) для підвищення ситуаційної обізнаності пілотів і запобігання аваріям. ВМС США також розпочали закупівлю варіантів таких систем для інтеграції в авіаційне обладнання.

Окремим типом ПНБ є нічні окуляри (night vision goggles), які забезпечують бінокулярне зображення з широким полем зору та можуть використовуватись як у піхоті, так і в авіації.

ПНБ типу PVS-14 є одним із найпоширеніших монокулярних приладів нічного бачення, який використовується як у військовому, так і в цивільному секторі.

Також ПНБ знаходять застосування в автомобільній галузі. Автомобільні системи нічного бачення використовують інфрачервоні камери, іноді в поєднанні з активною підсвіткою, для покращення видимості водія в умовах темряви або поганої погоди. Такі системи доступні як опція в деяких моделях автомобілів преміум-класу.