Ночное видение

Два американских солдата, изображенных во время войны в Ираке 2003 года, наблюдаемые через усилитель изображения .

Ночное видение -это способность видеть в условиях низкого освещения, естественно, с скотопным зрением или через ночное визитное устройство . Ночное зрение требует как достаточного спектрального диапазона , так и достаточного диапазона интенсивности . У людей плохое ночное зрение по сравнению со многими животными, такими как кошки , собаки , лисы и кролики , отчасти потому, что человеческому глазу не хватает таптума Lucidum , ^{[ 1 ]} Ткань за сетчаткой, которая отражает свет через сетчатку, тем самым увеличивая свет, доступный для фоторецепторов.

Типы диапазонов

Спектральный диапазон

Методы в ночном использовании спектрального диапазона могут почувствовать радиацию, невидимку для человеческого наблюдателя. Человеческое зрение ограничено небольшой частью электромагнитного спектра, называемого видимым светом . Усовершенствованный спектральный диапазон позволяет зрителям воспользоваться невидимыми источниками электромагнитного излучения (например, ближнего инфракрасного или ультрафиолетового излучения). Некоторые животные, такие как мантис -креветки и форель, могут видеть, используя гораздо больше инфракрасного и/или ультрафиолетового спектра, чем люди. ^{[ 2 ]}

Диапазон интенсивности

Достаточный диапазон интенсивности - это просто способность видеть с очень небольшими количествами света. ^{[ 3 ]}

Многие животные имеют лучшее ночное зрение, чем у людей, результат одного или нескольких различий в морфологии и анатомии их глаз. Они включают в себя большую глазное яблоко, больший объектив, большую оптическую апертуру (ученики могут расширяться до физического предела век), больше стержней, чем конусов (или стержней исключительно) в сетчатке , и Tapetum lucidum .

Расширенный диапазон интенсивности достигается с помощью технологических средств с использованием интенсификатора изображения , Умножения усиления CCD или других очень низких шумов и высокочувствительных массивов фотосессии .

Биологическое ночное видение

Все фоторецепторные клетки в глазах позвоночных содержат молекулы фоторецепторного белка , который представляет собой комбинацию белкового фотопсина в клетках цветового зрения , родопсина в клетках ночного зрения и сетчатки (небольшая молекула фоторецептора). Сетчатка претерпевает необратимое изменение формы, когда она поглощает свет; Это изменение вызывает изменение формы белка, которое окружает сетчатку, и это изменение затем вызывает физиологический процесс, который приводит к зрения.

Сетчатка должна диффундировать из клеток зрения, вне глаза и циркулировать через кровь в печень, где она регенерирована. В условиях яркого света большая часть сетчатки не в фоторецепторах, а вне глаза. требуется около 45 минут темноты Для перезарядки с активной сетчаткой , но большая часть адаптации ночного видения происходит в течение первых пяти минут в темноте. ^{[ 4 ]} Адаптация приводит к максимальной чувствительности к свету. В темных условиях только клетки стержня обладают достаточной чувствительностью, чтобы реагировать и вызвать зрение.

Нормализованные спектры поглощения трех фотопсинов человека и родопсина человека (пунктир). Нарисовано после Bowmaker и Dartnall (1980). ^{[ 5 ]}

Родопсин в человеческих стержнях нечувствителен к более длинным красным длинам волн , поэтому традиционно многие люди используют красный свет, чтобы помочь сохранить ночное зрение. Красный свет лишь медленно истощает запасы родопсина в стержнях и вместо этого рассматривается красными чувствительными клетками конуса ^{[ Цитация необходима ]}.

Другая теория утверждает, что, поскольку звезды обычно излучают свет с более короткими длин волн, свет от звезд будет в сине-зеленом цветовом спектре. Следовательно, использование красного света для навигации не будет десенсибилизировать рецепторы, используемые для обнаружения звездного света. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

У многих животных есть тканевый слой, называемый Tapetum lucidum в задней части глаза, который отражает свет через сетчатку , увеличивая количество света, доступное для его захвата, но уменьшая резкость фокуса изображения. Это встречается во многих ночных животных и некоторых глубоководных животных и является причиной век. Люди и обезьяны, не хватает таптума Lucidum . ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}

У ночных млекопитающих есть стержни с уникальными свойствами, которые делают возможным расширенное ночное видение. Ядерная картина их стержней меняется вскоре после рождения, чтобы стать перевернутыми. В отличие от обычных стержней, инвертированные стержни имеют гетерохроматин в центре их ядер, а эухроматин и других транскрипционных факторов вдоль границы. Кроме того, внешний слой клеток в сетчатке ( внешний ядерный слой ) у ночных млекопитающих является толстым из -за миллионов присутствующих стержней для обработки более низких интенсивности света. Анатомия этого слоя у ночных млекопитающих такова, что ядра стержня из отдельных клеток физически сложены таким образом, что свет проходит через восемь -десять ядер, прежде чем достигать части фоторецептора клеток. Вместо того, чтобы разбросан, свет передается в каждое ядро индивидуально, сильным эффектом линзы из -за ядерной инверсии, выходящего из стека ядер и в стек из десяти фоторецептивных внешних сегментов . Чистый эффект этого анатомического изменения состоит в том, чтобы умножить чувствительность к свету сетчатки на фактор от восьми до десяти без потери фокуса. ^{[ 10 ]}

Дилатация зрачка - это биологический процесс, который вносит относительно незначительное количество ночного видения. У людей ирисы могут регулировать размер зрачка от 2 мм в ярком свете, до 8 мм в темных условиях, но это варьируется в зависимости от индивидуального и возраста, причем возраст вызывает уменьшение максимального диаметра зрачка. Тем не менее, некоторые люди способны расширить своих учеников до 9 мм в темноте, давая им лучшие возможности ночного видения ^{[ Цитация необходима ]}.

Технологии ночного видения

1974 г. Фильм армии США о развитии технологий военного ночного видения

Технологии ночного видения могут быть в целом разделены на три основные категории: интенсификация изображения , активное освещение и тепловая визуализация .

Интенсификация изображения

Это увеличивает количество полученных фотонов из различных природных источников, таких как Starlight или Moonlight. Примеры таких технологий включают ночные очки и низко освещенные камеры. В военном контексте интенсификаторы изображения часто называют «низким световым телевидением», поскольку видеосигнал часто передается на дисплей в центре управления. Они обычно интегрируются в датчик, содержащий как видимые, так и ИК -детекторы, а потоки используются независимо или в плавленовом режиме, в зависимости от миссии в соответствии с требованиями рук. ^{[ 11 ]}

Изображение интенсификатор представляет собой устройство на основе вакуумной трубки (Photomultiplier Tube), которое может генерировать изображение из очень небольшого количества фотонов (таких как свет от звезд в небе), чтобы смутно освещенная сцена можно было просмотреть в режиме реального времени в режиме реального времени обнаженным глазом через визуальный выход или хранится в качестве данных для последующего анализа. Хотя многие считают, что свет «усилен», это не так. Когда свет поражает заряженную фотокатодную пластину, электроны испускаются через вакуумную трубку и ударяют по микроканалу. Это приводит к тому, что экран изображения освещается с изображением в том же рисунке, что и свет, который поражает фотокатоду, и на длине волны человеческий глаз может видеть. Это очень похоже на CRT телевидение , но вместо цвета пистолета фотокатода делает излучение.

Говорят, что изображение становится «интенсивным», потому что видимый световой свет более яркий, чем входящий свет, и этот эффект напрямую относится к разнице в пассивных и активных очках ночного видения . В настоящее время наиболее популярным интенсивным изображением является модуль ANVIS , хотя на рынке доступны многие другие модели и размеры. Недавно военно-морской флот США объявил о намерениях приобрести двойной вариант ANVI для использования в кабине воздушных платформ. ^{[ 12 ]}

Активное освещение

Активное освещение пары технологии интенсификации визуализации с активным источником освещения в ближней инфракрасной (NIR) или коротковолновой инфракрасной (SWIR) полосе. Примеры таких технологий включают камеры с низким освещением.

Активное инфракрасное ночное визирование сочетает в себе инфракрасное освещение спектрального диапазона 700–1000 нм (прямо над видимым спектром человеческого глаза) с камерами ПЗС , чувствительными к этому свету. Полученная сцена, которая, по -видимому, темная для человеческого наблюдателя, появляется в виде монохромного изображения на нормальном устройстве отображения. ^{[ 13 ]} Поскольку активные инфракрасные системы ночного вида могут включать в себя иллюминаторы, которые производят высокие уровни инфракрасного света, полученные изображения обычно имеют более высокое разрешение, чем другие технологии ночного вида. ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]} Активное инфракрасное ночное видение в настоящее время обычно встречается в коммерческих, жилых и государственных приложениях безопасности, где оно обеспечивает эффективную ночную визуализацию в условиях низкого освещения. Однако, поскольку активный инфракрасный свет может быть обнаружен с помощью очков ночного видения, может быть риск раздать должность в тактических военных операциях.

Лазерная диапазона, закрытая визуализация, является еще одной формой активного ночного видения, которая использует высокий источник импульсного света для освещения и визуализации. Диапазон стробирования - это метод, который управляет лазерными импульсами в сочетании с скоростью затвора детекторов камеры. ^{[ 16 ]} Технология закрытой визуализации можно разделить на один выстрел , где детектор захватывает изображение из одного светового импульса, и мульти-выстрел , где детектор интегрирует световые импульсы из нескольких выстрелов, образуя изображение. Одним из ключевых преимуществ этой техники является способность выполнять распознавание цели , а не просто обнаружение, как в случае с тепловой визуализацией.

Тепловое зрение

Тепловая визуализация обнаруживает разницу температуры между фоном и объектами переднего плана. Некоторые организмы способны ощущать грубое тепловое изображение с помощью специальных органов, которые функционируют как болометры . Это обеспечивает тепловое инфракрасное восприятие у змей , которое функционирует путем обнаружения теплового излучения.

Теплоизображение камеры - отличные инструменты для ночного видения. Они обнаруживают тепловое излучение и не нуждаются в источнике освещения. Они производят изображение в самых темных ночах и могут видеть сквозь легкий туман, дождь и дым (в определенной степени). Камеры теплоизображения делают небольшие температурные различия видимыми. Они широко используются для дополнения новых или существующих сетей безопасности, а также для ночного видения на самолетах, где они обычно называют «FLIR» (для «инфракрасной инфракрасной формы»). В сочетании с дополнительными камерами (например, возможными многоспектральные датчики видимой спектра), которые используют преимущества возможностей каждой группы обнаружения. Вопреки заблуждениям, изображенным в среде, тепловые изображения не могут «видеть» через твердые объекты (например, стены), и они не могут видеть через стекло или акрил, так как оба эти материалы имеют свою термическую сигнатуру и непрозрачные до длинных волновых инфракрасных излучений Полем

Устройства ночного видения

История

Перед введением интенсификаций изображения ночные очки были единственным методом ночного видения и, таким образом, широко использовались, особенно в море. Ночные очки эпохи второй мировой войны обычно имели диаметр объектива 56 мм или более с увеличением семи или восьми. Основные недостатки ночных очков - их большой размер и вес.

Текущая технология

Бинокулярное ночное видение очков на летном шлеме. Зеленый цвет объективных линз - это отражение световых интерференционных фильтров, а не сияние.

Устройство Night Vision (NVD) - это устройство, включающее пробирку с усилителем изображения в жестком корпусе, обычно используемом вооруженными силами . В последнее время технология Night Vision стала более широкой для гражданского использования. Например, расширенные системы зрения (EV) стали доступны для самолетов, чтобы повысить ситуационную осведомленность пилотов для предотвращения несчастных случаев. Эти системы включены в новейшие пакеты авионики от таких производителей, как Cirrus и Cessna . Военно-морской флот США начал закупку варианта, интегрированного в дисплей, установленный на шлеме, произведенный Elbit Systems.

Определенный тип NVD, Goggle Night Vision (NVG) - это устройство ночного видения с двойными оврагами. Устройство может использовать любую одну трубку с усилителем с одним и тем же изображением, отправляемым на обоих глазах, или отдельную трубку с усилителем изображения для каждого глаза. Ночные очки в сочетании с линзами увеличения представляют собой бинокль ночного видения. Другие типы включают монокулярные устройства ночного видения только с одним окуляром, которые могут быть установлены на огнестрельное оружие как ночные достопримечательности. Технологии NVG и EVS становятся все более популярными среди операций на вертолете, чтобы повысить безопасность. NTSB . рассматривает EVS как рекомендуемое оборудование для функций безопасности

Ночные очки одиноки или бинокль с большим диаметром. Большие линзы могут собирать и концентрировать свет, тем самым усиливая свет чисто оптическими средствами и позволяя пользователю видеть лучше в темноте, чем невооруженным глазом. Часто ночные очки также имеют довольно большой выездный зрачок 7 мм или более, чтобы все собрали свет в глаза пользователю. Тем не менее, многие люди не могут воспользоваться этим из -за ограниченного расширения зрачка человека . Чтобы преодолеть это, солдатам иногда выпускали глазные капли атропина для расширения учеников. ^{[ когда? ]}

В настоящее время монокуляр PVS-14 является наиболее широко используемым и предпочтительным устройством ночного видения в силах НАТО. Он используется армией Соединенных Штатов и известен своей низкой стоимостью и широким спектром использования и способностями модификации. Некоторые устройства более высокого уровня, включая бинокль PVS-31 и Quad-Tube Night Vision GPNVG-18, используются группами спецназа, но являются дорогостоящими. Монокуляр, как правило, предпочтительнее развитых сил.

Системы ночного видения также могут быть установлены в транспортных средствах. Система автомобильного ночного видения используется для улучшения восприятия водителя автомобиля и просмотра расстояния в темноте или плохой погоде. Такие системы обычно используют инфракрасные камеры, иногда в сочетании с активными методами освещения, для сбора информации, которая затем отображается водителю. Такие системы в настоящее время предлагаются в качестве дополнительного оборудования на определенных премиальных транспортных средствах.

Смотрите также

Ссылки

^ Chijiiwa, Taeko; Ishibashi, Tatsuro; Inomata, Hajime (1990). «Гистологическое исследование хориоидальных меланоцитов у животных с тапетумом Lucidum cellulosum (аннотация)». Архив Грефа для клинической и экспериментальной офтальмологии . 228 (2): 161–168. doi : 10.1007/bf00935727 . PMID 2338254 . S2CID 11974069 .
^ Милиус, Сьюзен (2012). «Тест на цветовое зрение на мантис». Science News . 182 (6): 11. doi : 10.1002/scin.5591820609 . JSTOR 23351000 .
^ «Человеческий глаз и одиночные фотоны» .
^ «Сенсорный прием: человеческое зрение: структура и функция человеческого глаза». 27, с. 179 Encyclopædia Britannica, 1987
^ Bowmaker, JK; Дартналл, HJ (1 января 1980 г.). «Визуальные пигменты стержней и конусов в человеческой сетчатке» . Журнал физиологии . 298 (1): 501–511. doi : 10.1113/jphysiol.1980.sp013097 . PMC 1279132 . PMID 7359434 .
^ Лурия, См; Кобус, да (апрель 1985). «Непосредственная видимость после адаптации красной и белой» (PDF) . Подводная база, Гротон, CT: Военно -морская подводная лаборатория медицинских исследований (опубликовано 26 апреля 1985 г.). Архивировано из оригинала (PDF) 1 декабря 2012 года . Получено 25 марта 2012 года . {{cite journal}}: CITE Journal требует |journal= ( помощь )
^ Лурия, См; Кобус, да (июль 1984 г.). «Относительная эффективность красного и белого света для последующей адаптации темноты» . Подводная база, Гротон, CT: Военно -морская подводная медицинская лаборатория (опубликовано 3 июля 1984 г.). {{cite journal}}: CITE Journal требует |journal= ( помощь )
^ Форрест М. Мимс III (2013-10-03). «Как сделать и использовать ретрорефлекторы» . Делать . Получено 2017-10-21 .
^ J. Van de Kraats и D. van Norren: «Направленное и ненаправленное спектральное отражение от человеческого фовеа» J.Biomed. Оптика, 13, 024010, 2008
^ Solovei, я.; Kreysing, M.; Lanctôt, C.; Kösem, S.; Peichl, L.; Cremer, T.; и др. (16 апреля 2009 г.). «Ядерная архитектура фоторецепторных клеток стержня адаптируется к зрению в эволюции млекопитающих» . Клетка . 137 (2): 945–953. doi : 10.1016/j.cell.2009.01.052 . PMID 19379699 .
^ «Raytheon MultiPectral Targeting Systems (MTS)» . Архивировано из оригинала 2017-09-03 . Получено 2015-05-26 .
^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-04 . Получено 2015-05-26 . {{cite web}}: CS1 Maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
^ "YouTube mp3 Indir" . mp3video.org .
^ «Тепловой инфракрасный и активный инфракрас: новая технология начинает коммерциализироваться» . Архивировано из оригинала 17 января 2010 года.
^ «Системы наблюдения экстремального видеонаблюдения» . Архивировано с оригинала на 2008-04-05 . Получено 2008-01-24 .
^ J. Bentell; P. nies; J. Cloots; Дж. Вермейрен; Б. Гритенс; О. Дэвид; А. Шуркун; Р. Шнайдер. «Флип-скольжение массивов фотодиод Ingaas для закрытой визуализации с безопасными для глазными лазерами» (PDF) . {{cite journal}}: CITE Journal требует |journal= ( помощь )

Внешние ссылки

Патенты

[1] Chijiiwa, Taeko; Ishibashi, Tatsuro; Inomata, Hajime (1990). «Гистологическое исследование хориоидальных меланоцитов у животных с тапетумом Lucidum cellulosum (аннотация)». Архив Грефа для клинической и экспериментальной офтальмологии . 228 (2): 161–168. doi : 10.1007/bf00935727 . PMID 2338254 . S2CID 11974069 .

[2] Милиус, Сьюзен (2012). «Тест на цветовое зрение на мантис». Science News . 182 (6): 11. doi : 10.1002/scin.5591820609 . JSTOR 23351000 .

[3] «Человеческий глаз и одиночные фотоны» .

[Sensory-4] «Сенсорный прием: человеческое зрение: структура и функция человеческого глаза». 27, с. 179 Encyclopædia Britannica, 1987

[5] Bowmaker, JK; Дартналл, HJ (1 января 1980 г.). «Визуальные пигменты стержней и конусов в человеческой сетчатке» . Журнал физиологии . 298 (1): 501–511. doi : 10.1113/jphysiol.1980.sp013097 . PMC 1279132 . PMID 7359434 .

[6] Лурия, См; Кобус, да (апрель 1985). «Непосредственная видимость после адаптации красной и белой» (PDF) . Подводная база, Гротон, CT: Военно -морская подводная лаборатория медицинских исследований (опубликовано 26 апреля 1985 г.). Архивировано из оригинала (PDF) 1 декабря 2012 года . Получено 25 марта 2012 года . {{cite journal}}: CITE Journal требует |journal= ( помощь )

[7] Лурия, См; Кобус, да (июль 1984 г.). «Относительная эффективность красного и белого света для последующей адаптации темноты» . Подводная база, Гротон, CT: Военно -морская подводная медицинская лаборатория (опубликовано 3 июля 1984 г.). {{cite journal}}: CITE Journal требует |journal= ( помощь )

[8] Форрест М. Мимс III (2013-10-03). «Как сделать и использовать ретрорефлекторы» . Делать . Получено 2017-10-21 .

[9] J. Van de Kraats и D. van Norren: «Направленное и ненаправленное спектральное отражение от человеческого фовеа» J.Biomed. Оптика, 13, 024010, 2008

[10] Solovei, я.; Kreysing, M.; Lanctôt, C.; Kösem, S.; Peichl, L.; Cremer, T.; и др. (16 апреля 2009 г.). «Ядерная архитектура фоторецепторных клеток стержня адаптируется к зрению в эволюции млекопитающих» . Клетка . 137 (2): 945–953. doi : 10.1016/j.cell.2009.01.052 . PMID 19379699 .

[11] «Raytheon MultiPectral Targeting Systems (MTS)» . Архивировано из оригинала 2017-09-03 . Получено 2015-05-26 .

[12] «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-04 . Получено 2015-05-26 . {{cite web}}: CS1 Maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )

[13] "YouTube mp3 Indir" . mp3video.org .

[14] «Тепловой инфракрасный и активный инфракрас: новая технология начинает коммерциализироваться» . Архивировано из оригинала 17 января 2010 года.

[15] «Системы наблюдения экстремального видеонаблюдения» . Архивировано с оригинала на 2008-04-05 . Получено 2008-01-24 .

[16] J. Bentell; P. nies; J. Cloots; Дж. Вермейрен; Б. Гритенс; О. Дэвид; А. Шуркун; Р. Шнайдер. «Флип-скольжение массивов фотодиод Ingaas для закрытой визуализации с безопасными для глазными лазерами» (PDF) . {{cite journal}}: CITE Journal требует |journal= ( помощь )

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]