Обзор возможностей ночного видения
Ночное зрение - это способность видеть в условиях недостаточной освещенности. Оно может быть достигнуто как естественным путем (с помощью скотопического зрения), так и с помощью приборов ночного видения.
Для эффективного ночного видения необходимы два ключевых фактора:
- Достаточный спектральный диапазон - способность обнаруживать инфракрасный или другой невидимый свет.
- Достаточный диапазон интенсивности - чувствительность к очень слабым источникам света.
Человеческий глаз имеет ограниченные возможности ночного видения по сравнению с некоторыми животными (например, кошками, лисами или кроликами). Это связано с отсутствием tapetum lucidum, отражающего слоя за сетчаткой, который повышает чувствительность к свету в темноте.
Спектральный диапазон
Технологии ночного видения используют невидимые человеческому глазу полосы электромагнитного спектра. Нормальное человеческое зрение ограничено видимым светом, который охватывает узкую часть спектра.
Расширенный спектральный диапазон позволяет приборам ночного видения обнаруживать и использовать излучение в ближнем инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Это позволяет наблюдать за объектами в условиях недостаточной освещенности или полной темноты, когда человеческий глаз не способен распознать изображение.
Обратите внимание: некоторые животные, например креветки-богомолы или форель, способны видеть в более широких диапазонах спектра, включая инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Это демонстрирует потенциал, который может быть реализован с помощью технологий ночного видения.
Диапазон интенсивности
Адекватный диапазон интенсивности - это способность видеть при очень слабом освещении.
Многие животные обладают лучшим ночным зрением, чем люди, благодаря особенностям морфологии и анатомии их глаз. К таким особенностям относятся:
- увеличенный размер глазного яблока
- увеличенный объектив
- более широкая оптическая апертура (зрачки могут расширяться до физических пределов век)
- преобладание палочек над колбочками или наличие исключительно палочек в сетчатке
- наличие tapetum lucidum, отражающей структуры, которая повышает светочувствительность
Увеличение диапазона интенсивности ночного видения достигается с помощью технологий:
- электронно-оптический преобразователь (ЭОП) - устройство, улучшающее изображение при слабом освещении
- ПЗС с умножением коэффициента усиления (ПЗС с умножением коэффициента усиления)
- массивы фотоприемников с очень низким уровнем шума и высокой чувствительностью
Полезно знать, что интенсивность изображения приборов ночного видения напрямую зависит от чувствительности фотоприемников и эффективности усиления сигнала.
Биологическое ночное зрение
Все фоторецепторные клетки глаза позвоночных содержат молекулы фоторецепторного белка, который состоит из белка (фотопсина или родопсина) и молекулы сетчатки. Фотопсин присутствует в клетках, отвечающих за цветовое зрение (колбочки), а родопсин - в клетках, отвечающих за ночное зрение (палочки). Ретинал - это небольшая молекула, которая меняет свою форму при поглощении света, что приводит к изменению структуры белка и запускает физиологический процесс зрения.
После активации ретиналь покидает фоторецепторную клетку, попадает в кровоток и транспортируется в печень, где восстанавливается. В условиях яркого света большая часть ретиналя находится вне глаза, поэтому фоторецепторам требуется до 45 минут, чтобы полностью восстановить чувствительность к темноте. Однако большая часть адаптации к темноте происходит в течение первых 5 минут.
В темноте только палочки обладают достаточной чувствительностью, чтобы обеспечить зрение. Родопсин, содержащийся в палочках, не реагирует на длинные волны красного света. Именно поэтому красный свет традиционно используется для сохранения ночного зрения - он активирует только колбочки, не истощая родопсин в палочках.
Существует также гипотеза, что звездный свет, имеющий более короткие длины волн (в сине-зеленом спектре), оказывает меньшее влияние на чувствительность к красному свету, поэтому использование красного освещения позволяет сохранить способность видеть звезды.
У многих животных есть tapetum lucidum- слой ткани за сетчаткой, который отражает свет обратно через фоторецепторы, повышая светочувствительность.
Зрачок человека расширяется в темноте, чтобы улучшить ночное зрение. В некоторых условиях его диаметр может достигать 9 мм, хотя такое расширение редко происходит без применения мидриатиков.
У ночных млекопитающих палочки имеют уникальное строение: ядерная структура клеток перевернута - гетерохроматин расположен в центре ядра, а эухроматин - на периферии. Кроме того, внешний ядерный слой сетчатки у этих животных гораздо толще из-за высокой плотности палочек. Прежде чем попасть в фоторецепторную часть клетки, свет проходит через 8-10 ядер, а инверсия ядер создает эффект линзы, которая направляет свет без рассеивания. Это увеличивает светочувствительность сетчатки в 8-10 раз без потери фокусировки.
Технологии ночного видения
Технологии ночного видения делятся на три основные категории:
- Улучшение изображения
- Активная подсветка
- Тепловізійна технологія
Улучшение изображения
Усилитель изображения - это устройство на основе вакуумной электронной лампы, в частности фотоэлектронного умножителя, которое позволяет формировать изображение даже в условиях очень низкой освещенности (например, при свете звезд). Такое изображение можно наблюдать в режиме реального времени или сохранять для последующего анализа.
Важно: Хотя часто говорят, что свет "усиливается", на самом деле он не усиливается. Когда фотоны попадают на заряженную пластину фотокатода, она испускает электроны. Эти электроны проходят через вакуумную трубку и попадают на микроканальную пластину, которая заставляет экран светиться в соответствии с входящей световой картиной в диапазоне, видимом человеческим глазом.
Усиление означает, что выходное изображение намного ярче входного, что позволяет видеть в темноте. Именно это отличает пассивные приборы ночного видения (ПНВ), использующие естественный свет, от активных, которым требуется дополнительная подсветка.
Полезно знать: принцип работы усилителя изображения аналогичен принципу работы ЭЛТ-телевизора, но вместо электронных пушек используется фотокатод.
Наиболее распространенным типом усилителя изображения является модуль ANVIS (Aviator's Night Vision Imaging System), который легко интегрируется в нашлемные системы. Существует также множество других моделей и форм-факторов. Недавно ВМС США объявили о намерении приобрести двухцветную версию ANVIS для использования в кабинах самолетов.
Цифровые технологии ночного видения
Цифровые приборы ночного видения основаны на высокочувствительных КМОП-сенсорах с обратной засветкой, также известных как sCMOS (scientific CMOS). Чувствительность таких датчиков может превышать чувствительность человеческого глаза.
Активная инфракрасная подсветка
Активная подсветка сочетает в себе технологию усиления изображения с источником инфракрасного излучения в ближнем инфракрасном (NIR) или коротковолновом инфракрасном (SWIR) диапазоне. Примером таких систем являются камеры для съемки в условиях недостаточной освещенности.
Активные инфракрасные приборы ночного видения используют освещение в спектральном диапазоне 700-1000 нм - за пределами видимого для человеческого глаза спектра. Камеры или ПЗС-матрицы, чувствительные к этому излучению, формируют монохромное изображение, которое выводится на обычный дисплей.
Важно: Благодаря возможности использования мощных ИК-осветителей, активные системы ночного видения обеспечивают более высокое разрешение изображения, чем другие технологии ночного видения.
Такие системы широко используются в коммерческих, жилых и общественных системах безопасности, обеспечивая эффективную видеозапись в условиях низкой освещенности. Обратите внимание, что активная ИК-подсветка может быть обнаружена приборами ночного видения, что создает риск раскрытия позиции во время военных операций.
Лазерная дальномерная съемка - еще один тип активного ночного видения. Он использует мощный импульсный источник света и синхронизирует импульсы с выдержкой детектора камеры. Существует два режима:
- Одиночный импульс - камера делает снимки в одном импульсе;
- Множественная интеграция - камера накапливает свет от нескольких импульсов для формирования изображения.
Преимущество: эта технология позволяет не только обнаруживать объекты, но и идентифицировать их (распознавание целей).
Приборы ночного видения
До появления электронно-оптических преобразователей (ЭОП) единственным способом наблюдения ночью были так называемые "ночные бинокли" - оптические приборы с большой апертурой. Во время Второй мировой войны они имели диаметр объектива 56 мм и более и обеспечивали увеличение в 7-8 раз.
Важно: Основными недостатками таких устройств были их большие размеры и вес, что ограничивало их мобильность и удобство использования, особенно в сухопутных операциях. В то же время они широко использовались на флоте.
Современные технологии
Современный прибор ночного видения (ПНВ) - это устройство, содержащее закаленную катодно-лучевую трубку. Такие приборы активно используются военными подразделениями, но в последнее время технология стала доступна и для гражданского использования.
Полезно знать:Системы улучшенного зрения (EVS) интегрируются в авионику современных самолетов (например, Cirrus или Cessna) для повышения ситуационной осведомленности пилота и предотвращения аварий. ВМС США также начали закупать варианты таких систем для интеграции в авиационную технику.
Очки ночного видения - это отдельный тип ПНВ, которые обеспечивают бинокулярное изображение с широким полем зрения и могут использоваться как пехотой, так и авиацией.
PVS-14 - один из самых распространенных монокулярных приборов ночного видения, используемых как в военном, так и в гражданском секторе.
Беспилотные летательные аппараты также используются в автомобильной промышленности. Автомобильные системы ночного видения используют инфракрасные камеры, иногда в сочетании с активным освещением, для улучшения видимости водителя в темноте или при плохой погоде. Такие системы предлагаются в качестве опции в некоторых моделях автомобилей премиум-класса.
Обзор возможностей ночного видения
Ночное зрение - это способность видеть в условиях недостаточной освещенности. Оно может быть достигнуто как естественным путем (с помощью скотопического зрения), так и с помощью приборов ночного видения.
Для эффективного ночного видения необходимы два ключевых фактора:
- Достаточный спектральный диапазон - способность обнаруживать инфракрасный или другой невидимый свет.
- Достаточный диапазон интенсивности - чувствительность к очень слабым источникам света.
Человеческий глаз имеет ограниченные возможности ночного видения по сравнению с некоторыми животными (например, кошками, лисами или кроликами). Это связано с отсутствием tapetum lucidum, отражающего слоя за сетчаткой, который повышает чувствительность к свету в темноте.
Спектральный диапазон
Технологии ночного видения используют невидимые человеческому глазу полосы электромагнитного спектра. Нормальное человеческое зрение ограничено видимым светом, который охватывает узкую часть спектра.
Расширенный спектральный диапазон позволяет приборам ночного видения обнаруживать и использовать излучение в ближнем инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Это позволяет наблюдать за объектами в условиях недостаточной освещенности или полной темноты, когда человеческий глаз не способен распознать изображение.
Обратите внимание: некоторые животные, например креветки-богомолы или форель, способны видеть в более широких диапазонах спектра, включая инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Это демонстрирует потенциал, который может быть реализован с помощью технологий ночного видения.
Диапазон интенсивности
Адекватный диапазон интенсивности - это способность видеть при очень слабом освещении.
Многие животные обладают лучшим ночным зрением, чем люди, благодаря особенностям морфологии и анатомии их глаз. К таким особенностям относятся:
- увеличенный размер глазного яблока
- увеличенный объектив
- более широкая оптическая апертура (зрачки могут расширяться до физических пределов век)
- преобладание палочек над колбочками или наличие исключительно палочек в сетчатке
- наличие tapetum lucidum, отражающей структуры, которая повышает светочувствительность
Увеличение диапазона интенсивности ночного видения достигается с помощью технологий:
- электронно-оптический преобразователь (ЭОП) - устройство, улучшающее изображение при слабом освещении
- ПЗС с умножением коэффициента усиления (ПЗС с умножением коэффициента усиления)
- массивы фотоприемников с очень низким уровнем шума и высокой чувствительностью
Полезно знать, что интенсивность изображения приборов ночного видения напрямую зависит от чувствительности фотоприемников и эффективности усиления сигнала.
Биологическое ночное зрение
Все фоторецепторные клетки глаза позвоночных содержат молекулы фоторецепторного белка, который состоит из белка (фотопсина или родопсина) и молекулы сетчатки. Фотопсин присутствует в клетках, отвечающих за цветовое зрение (колбочки), а родопсин - в клетках, отвечающих за ночное зрение (палочки). Ретинал - это небольшая молекула, которая меняет свою форму при поглощении света, что приводит к изменению структуры белка и запускает физиологический процесс зрения.
После активации ретиналь покидает фоторецепторную клетку, попадает в кровоток и транспортируется в печень, где восстанавливается. В условиях яркого света большая часть ретиналя находится вне глаза, поэтому фоторецепторам требуется до 45 минут, чтобы полностью восстановить чувствительность к темноте. Однако большая часть адаптации к темноте происходит в течение первых 5 минут.
В темноте только палочки обладают достаточной чувствительностью, чтобы обеспечить зрение. Родопсин, содержащийся в палочках, не реагирует на длинные волны красного света. Именно поэтому красный свет традиционно используется для сохранения ночного зрения - он активирует только колбочки, не истощая родопсин в палочках.
Существует также гипотеза, что звездный свет, имеющий более короткие длины волн (в сине-зеленом спектре), оказывает меньшее влияние на чувствительность к красному свету, поэтому использование красного освещения позволяет сохранить способность видеть звезды.
У многих животных есть tapetum lucidum- слой ткани за сетчаткой, который отражает свет обратно через фоторецепторы, повышая светочувствительность.
Зрачок человека расширяется в темноте, чтобы улучшить ночное зрение. В некоторых условиях его диаметр может достигать 9 мм, хотя такое расширение редко происходит без применения мидриатиков.
У ночных млекопитающих палочки имеют уникальное строение: ядерная структура клеток перевернута - гетерохроматин расположен в центре ядра, а эухроматин - на периферии. Кроме того, внешний ядерный слой сетчатки у этих животных гораздо толще из-за высокой плотности палочек. Прежде чем попасть в фоторецепторную часть клетки, свет проходит через 8-10 ядер, а инверсия ядер создает эффект линзы, которая направляет свет без рассеивания. Это увеличивает светочувствительность сетчатки в 8-10 раз без потери фокусировки.
Технологии ночного видения
Технологии ночного видения делятся на три основные категории:
- Улучшение изображения
- Активная подсветка
- Тепловізійна технологія
Улучшение изображения
Усилитель изображения - это устройство на основе вакуумной электронной лампы, в частности фотоэлектронного умножителя, которое позволяет формировать изображение даже в условиях очень низкой освещенности (например, при свете звезд). Такое изображение можно наблюдать в режиме реального времени или сохранять для последующего анализа.
Важно: Хотя часто говорят, что свет "усиливается", на самом деле он не усиливается. Когда фотоны попадают на заряженную пластину фотокатода, она испускает электроны. Эти электроны проходят через вакуумную трубку и попадают на микроканальную пластину, которая заставляет экран светиться в соответствии с входящей световой картиной в диапазоне, видимом человеческим глазом.
Усиление означает, что выходное изображение намного ярче входного, что позволяет видеть в темноте. Именно это отличает пассивные приборы ночного видения (ПНВ), использующие естественный свет, от активных, которым требуется дополнительная подсветка.
Полезно знать: принцип работы усилителя изображения аналогичен принципу работы ЭЛТ-телевизора, но вместо электронных пушек используется фотокатод.
Наиболее распространенным типом усилителя изображения является модуль ANVIS (Aviator's Night Vision Imaging System), который легко интегрируется в нашлемные системы. Существует также множество других моделей и форм-факторов. Недавно ВМС США объявили о намерении приобрести двухцветную версию ANVIS для использования в кабинах самолетов.
Цифровые технологии ночного видения
Цифровые приборы ночного видения основаны на высокочувствительных КМОП-сенсорах с обратной засветкой, также известных как sCMOS (scientific CMOS). Чувствительность таких датчиков может превышать чувствительность человеческого глаза.
Активная инфракрасная подсветка
Активная подсветка сочетает в себе технологию усиления изображения с источником инфракрасного излучения в ближнем инфракрасном (NIR) или коротковолновом инфракрасном (SWIR) диапазоне. Примером таких систем являются камеры для съемки в условиях недостаточной освещенности.
Активные инфракрасные приборы ночного видения используют освещение в спектральном диапазоне 700-1000 нм - за пределами видимого для человеческого глаза спектра. Камеры или ПЗС-матрицы, чувствительные к этому излучению, формируют монохромное изображение, которое выводится на обычный дисплей.
Важно: Благодаря возможности использования мощных ИК-осветителей, активные системы ночного видения обеспечивают более высокое разрешение изображения, чем другие технологии ночного видения.
Такие системы широко используются в коммерческих, жилых и общественных системах безопасности, обеспечивая эффективную видеозапись в условиях низкой освещенности. Обратите внимание, что активная ИК-подсветка может быть обнаружена приборами ночного видения, что создает риск раскрытия позиции во время военных операций.
Лазерная дальномерная съемка - еще один тип активного ночного видения. Он использует мощный импульсный источник света и синхронизирует импульсы с выдержкой детектора камеры. Существует два режима:
- Одиночный импульс - камера делает снимки в одном импульсе;
- Множественная интеграция - камера накапливает свет от нескольких импульсов для формирования изображения.
Преимущество: эта технология позволяет не только обнаруживать объекты, но и идентифицировать их (распознавание целей).
Приборы ночного видения
До появления электронно-оптических преобразователей (ЭОП) единственным способом наблюдения ночью были так называемые "ночные бинокли" - оптические приборы с большой апертурой. Во время Второй мировой войны они имели диаметр объектива 56 мм и более и обеспечивали увеличение в 7-8 раз.
Важно: Основными недостатками таких устройств были их большие размеры и вес, что ограничивало их мобильность и удобство использования, особенно в сухопутных операциях. В то же время они широко использовались на флоте.
Современные технологии
Современный прибор ночного видения (ПНВ) - это устройство, содержащее закаленную катодно-лучевую трубку. Такие приборы активно используются военными подразделениями, но в последнее время технология стала доступна и для гражданского использования.
Полезно знать:Системы улучшенного зрения (EVS) интегрируются в авионику современных самолетов (например, Cirrus или Cessna) для повышения ситуационной осведомленности пилота и предотвращения аварий. ВМС США также начали закупать варианты таких систем для интеграции в авиационную технику.
Очки ночного видения - это отдельный тип ПНВ, которые обеспечивают бинокулярное изображение с широким полем зрения и могут использоваться как пехотой, так и авиацией.
PVS-14 - один из самых распространенных монокулярных приборов ночного видения, используемых как в военном, так и в гражданском секторе.
Беспилотные летательные аппараты также используются в автомобильной промышленности. Автомобильные системы ночного видения используют инфракрасные камеры, иногда в сочетании с активным освещением, для улучшения видимости водителя в темноте или при плохой погоде. Такие системы предлагаются в качестве опции в некоторых моделях автомобилей премиум-класса.
Смотри также
- Критерии Джонсона - это метод оценки эффективности систем ночного видения по их способности обнаруживать/распознавать/идентифицировать цели.
- Видеонаблюдение в условиях недостаточной освещенности (LLLTV) - видеонаблюдение, оптимизированное для работы в условиях низкой освещенности.
- Прибор ночного видения (ПНВ) - оптико-электронная система для видения в темноте.
Полезно знать: научные источники
- Чиджиива, Т.; Ишибаши, Т.; Иномата, Х. (1990). Исследования хороидальных меланоцитов у животных с tapetum lucidum cellulosum. Архив Грейфа по клинической и экспериментальной офтальмологии , 228(2): 161-168.
- Милиус, С. (2012). Креветки-богомолы и тест на цветовосприятие. Новости науки (DOI: 10.1002/scin.5591820609) . Альтернатива для чтения: версия на ScienceNews.org
- "Человеческий глаз и одиночные фотоны" - это исследование восприятия одиночных фотонов человеческим глазом. Nature Communications (2016) .
- "Сенсорная рецепция: Зрение человека" - строение и функции человеческого глаза (для ознакомления): Энциклопедия Британника - Человеческий глаз .
- Bowmaker, J.K.; Dartnall, H.J. (1980). Зрительные пигменты палочек и колбочек в сетчатке человека. Журнал физиологии (полный текст, PMC) . DOI: 10.1113/jphysiol.1980.sp013097
- Luria, S.M.; Kobus, D.A. (1985). Немедленная видимость после адаптации к красному и белому свету (промежуточный отчет). Лаборатория медицинских исследований подводных лодок ВМС / NTRS PDF .
Смотри также
- Критерии Джонсона - это метод оценки эффективности систем ночного видения по их способности обнаруживать/распознавать/идентифицировать цели.
- Видеонаблюдение в условиях недостаточной освещенности (LLLTV) - видеонаблюдение, оптимизированное для работы в условиях низкой освещенности.
- Прибор ночного видения (ПНВ) - оптико-электронная система для видения в темноте.
Полезно знать: научные источники
- Чиджиива, Т.; Ишибаши, Т.; Иномата, Х. (1990). Исследования хороидальных меланоцитов у животных с tapetum lucidum cellulosum. Архив Грейфа по клинической и экспериментальной офтальмологии , 228(2): 161-168.
- Милиус, С. (2012). Креветки-богомолы и тест на цветовосприятие. Новости науки (DOI: 10.1002/scin.5591820609) . Альтернатива для чтения: версия на ScienceNews.org
- "Человеческий глаз и одиночные фотоны" - это исследование восприятия одиночных фотонов человеческим глазом. Nature Communications (2016) .
- "Сенсорная рецепция: Зрение человека" - строение и функции человеческого глаза (для ознакомления): Энциклопедия Британника - Человеческий глаз .
- Bowmaker, J.K.; Dartnall, H.J. (1980). Зрительные пигменты палочек и колбочек в сетчатке человека. Журнал физиологии (полный текст, PMC) . DOI: 10.1113/jphysiol.1980.sp013097
- Luria, S.M.; Kobus, D.A. (1985). Немедленная видимость после адаптации к красному и белому свету (промежуточный отчет). Лаборатория медицинских исследований подводных лодок ВМС / NTRS PDF .
Технологии и принципы ночного видения