Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Ночное видение (значения) .
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 технические 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 . [1]

Типы диапазонов [ править ]

Спектральный диапазон [ править ]

Электромагнитный спектр , с видимыми части выделен

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. [2]

Диапазон интенсивности [ править ]

Достаточный диапазон интенсивности - это просто способность видеть при очень небольшом количестве света. [3]

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 палочек, чем колбочек (или исключительно палочек) в сетчатке , и tapetum lucidum .

Расширенный диапазон интенсивности достигается с помощью технологических 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 [ править ]

Дополнительная информация: Адаптация (глаз) § Ускорение адаптации к темноте и Скотопическое зрение.

Все фоторецепторные клетки глаза позвоночных содержат молекулы фоторецепторного протеина, который представляет собой комбинацию протеина 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, который окружает 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 находится не в фоторецепторах, а за пределами 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. [4] В результате адаптации достигается максимальная светочувствительность. 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 человеческих стержнях нечувствителен к более длинным красным волнам , поэтому традиционно многие люди используют красный свет, чтобы сохранить ночное зрение. Красный свет лишь медленно истощает запасы родопсина в стержнях, и вместо этого его видят красные чувствительные клетки колбочек [ необходима ссылка ] .

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. [5] [6]

Использование красного света для ночного видения менее эффективно для людей с красно-зеленой цветовой слепотой из-за их нечувствительности к красному свету. [ требуется цитата для проверки ]

У многих животных в задней части глаза есть слой ткани, называемый tapetum lucidum, 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 Tapetum lucidum . [7] [8]

У ночных млекопитающих есть стержни с уникальными свойствами, которые делают возможным улучшенное ночное зрение. Ядерный узор их палочек меняется вскоре после рождения и становится перевернутым. 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 толстая из-за миллионов стержней, которые используются для обработки более низких интенсивностей 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 . В результате этого анатомического изменения светочувствительность сетчатки увеличится в восемь-десять раз без потери фокуса. [9]

Технологии ночного видения [ править ]

Воспроизвести медиа
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 .

Интенсификация изображения [ править ]

Основная статья: Усилитель изображения

Это увеличивает количество фотонов, полученных от различных природных 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. [10]

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 с помощью визуального вывода или сохраненные в виде данных для последующего анализа. Хотя многие считают, что свет «усиливается», это не так. Когда свет падает на заряженную пластину фотокатода , электроны испускаются через вакуумную трубку и попадают на пластину микроканала. Это приводит к тому, что экран изображения освещается изображением по той же схеме, 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.

Считается, 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. [11]

Активное освещение [ править ]

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, выглядит как монохромное изображение на обычном устройстве отображения. [12] Поскольку активные инфракрасные системы ночного видения могут включать осветители, которые излучают высокий уровень инфракрасного света, получаемые изображения обычно имеют более высокое разрешение, чем другие технологии ночного видения. [13] [14] 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.

Стробируемая лазерная визуализация - это еще одна форма активного ночного видения, в которой для освещения и визуализации используется мощный импульсный источник света. Стробирование по дальности - это метод, который управляет лазерными импульсами в сочетании с выдержкой детекторов камеры. [15] 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.

Тепловизор [ править ]

См. Также: Термографическая камера и Передний инфракрасный порт.

Тепловидение 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 излучениеи не нужен источник 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 для дополнения новых или существующих сетей безопасности, а также для ночного видения на самолетах, где их обычно называют «FLIR» (от «дальнего инфракрасного порта»). 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), а также не могут видеть сквозь стекло или акрил,поскольку оба эти материала имеют свою собственную тепловую сигнатуру и непрозрачны для длинноволнового инфракрасного излучения.

Приборы ночного видения [ править ]

См. Статьи: Прибор ночного видения и тепловизионная камера.

История [ править ]

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 - это их большой размер и вес.

Современные технологии [ править ]

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, улучшенные системы обзора (EVS) стали доступны для самолетов, 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 устанавливаться 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. [ когда? ]

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.

См. Также [ править ]

  • Критерии Джонсона
  • Телевизор с низким уровнем освещенности
  • Прибор ночного видения
  • Тепловизионное устройство
  • Термографическая камера

Ссылки [ править ]

  1. ^ Chijiiwa, Таеко; Исибаши, Тацуро; Иномата, Хадзиме (1990). «Гистологическое исследование меланоцитов хориоидеи у животных с tapetum lucidum cellulosum (аннотация)». Архив клинической и экспериментальной офтальмологии Грефе . 228 (2): 161–168. DOI : 10.1007 / BF00935727 . PMID  2338254 .
  2. Перейти ↑ Milius, Susan (2012). "Тест цветового зрения креветки-богомола". Новости науки . 182 (6): 11. DOI : 10.1002 / scin.5591820609 . JSTOR 23351000 . 
  3. ^ "Человеческий глаз и отдельные фотоны" .
  4. ^ "Сенсорное восприятие: человеческое зрение: структура и функции человеческого глаза" том. 27, стр. 179 Британская энциклопедия, 1987 г.
  5. ^ Лурия, SM; Кобус Д.А. (апрель 1985 г.). «Непосредственная видимость после красно-белой адаптации» (PDF) . База подводных лодок, Гротон, Коннектикут: Морская лаборатория медицинских исследований подводных лодок (опубликовано 26 апреля 1985 г.). Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  6. ^ Лурия, SM; Кобус Д.А. (июль 1984 г.). «ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ КРАСНОГО И БЕЛОГО СВЕТА ДЛЯ ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ТЕМНОЙ АДАПТАЦИИ» . База подводных лодок, Гротон, Коннектикут: Морская лаборатория медицинских исследований подводных лодок (опубликовано 3 июля 1984 г.). Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  7. ^ Форрест М. Мимс III (2013-10-03). «Как сделать и использовать ретрорефлекторы» . Сделайте . Проверено 21 октября 2017 .
  8. ^ Дж. Ван де Краатс и Д. ван Норрен: «Направленное и ненаправленное спектральное отражение от ямки человека» Дж. Биомед. Оптика, 13, 024010, 2008
  9. ^ Соловей, I .; Крейсинг, М .; Lanctôt, C .; Kösem, S .; Peichl, L .; Cremer, T .; и другие. (16 апреля 2009 г.). «Ядерная архитектура стержневых фоторецепторных клеток адаптируется к зрению в эволюции млекопитающих» . Cell . 137 (2): 945–953. DOI : 10.1016 / j.cell.2009.01.052 . PMID 19379699 . 
  10. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2017-09-03 . Проверено 26 мая 2015 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  11. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 04 марта 2016 года . Проверено 26 мая 2015 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  12. ^ «Информация CCTV» . www.cctv-information.co.uk .[ постоянная мертвая ссылка ]
  13. ^ «Тепловое инфракрасное излучение против активного инфракрасного: новая технология начинает коммерциализироваться» . Архивировано из оригинала на 17 января 2010 года.
  14. ^ "Экстремальные системы видеонаблюдения" . Архивировано из оригинала на 2008-04-05 . Проверено 24 января 2008 .
  15. ^ Дж. Бентелл; П. Нис; Дж. Клутс; Ж. Вермейрен; Б. Гритенс; О. Дэвид; А. Шуркун; Р. Шнайдер. «ФОТОДИОДНЫЕ Массивы InGAaS с перевернутым чипом для стробирования изображений с помощью безопасных для глаз лазеров» (PDF) . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )

Внешние ссылки [ править ]

  • Управление ночного видения и электронных датчиков - Форт Белвуар, Вирджиния
  • Демонстрация автомобильного ночного видения
  • База данных тепловизионных камер

Патенты [ править ]

  • US D248860 - Карманный прицел ночного видения
  • US 4707595 - Проектор невидимого светового луча и система ночного видения
  • US 4991183 - Осветители целей и системы, использующие их
  • US 6075644 - Панорамные очки ночного видения
  • Патент США 7,173,237
  • US 6158879 - Инфракрасный отражатель и система освещения