Ночное видение

Двое американских солдат во время войны в Ираке в 2003 году через усилитель изображения .

Ночное видение — это способность видеть в условиях низкой освещенности либо естественным образом с помощью скотопического зрения , либо с помощью прибора ночного видения . Ночное видение 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 у человеческого глаза отсутствует тапетум люцидум . ^[1] ткань позади сетчатки, которая отражает свет обратно через сетчатку, тем самым увеличивая количество света, доступного фоторецепторам.

Типы диапазонов

Спектральный диапазон

Методы ночного спектрального диапазона могут улавливать излучение, невидимое для человека-наблюдателя. Человеческое зрение ограничено небольшой частью электромагнитного спектра, называемой видимым светом . Расширенный спектральный диапазон позволяет зрителю использовать преимущества невидимых источников электромагнитного излучения (например, ближнего инфракрасного или ультрафиолетового излучения). Некоторые животные, такие как креветки-богомолы и форель, могут видеть, используя гораздо больше инфракрасного и/или ультрафиолетового спектра, чем люди. ^[2]

Диапазон интенсивности

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

У многих животных ночное зрение лучше, чем у людей, что является результатом одного или нескольких различий в морфологии и анатомии их глаз. К ним относятся большее глазное яблоко, большая линза, большая оптическая апертура (зрачки могут расширяться до физического предела век), большее количество палочек, чем колбочек (или исключительно палочек) в сетчатке и тапетум люцидум .

Расширенный диапазон интенсивности достигается технологическими средствами за счет использования усилителя изображения с умножением усиления , ПЗС-матрицы с очень низким уровнем шума и высокой чувствительностью или других матриц фотодетекторов .

Биологическое ночное видение

Все фоторецепторные клетки в глазах позвоночных содержат молекулы фоторецепторного белка , который представляет собой комбинацию белка фотопсина в клетках цветового зрения , родопсина в клетках ночного видения и ретиналя (небольшая молекула фоторецептора). Ретиналь претерпевает необратимое изменение формы при поглощении света; это изменение вызывает изменение формы белка, окружающего сетчатку, и это изменение затем вызывает физиологический процесс, который приводит к зрению.

Сетчатка должна диффундировать из 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 вне глаза. белков фоторецепторов активной сетчаткой требуется около 45 минут в темноте всех Для подзарядки , но большая часть адаптации к ночному зрению происходит в течение первых пяти минут в темноте. ^[4] Результатом адаптации является максимальная чувствительность к свету. В темноте только палочки обладают достаточной чувствительностью, чтобы отреагировать и вызвать зрение.

Нормированные спектры поглощения трех фотопсинов человека и родопсина человека (пунктир). Нарисовано по мотивам Боумейкера и Дартнелла (1980). ^[5]

Родопсин в палочках человека 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 палочках, и вместо этого его видят чувствительные к красному цвету колбочки. ^{[ нужна ссылка ]}.

Другая теория утверждает, что, поскольку звезды обычно излучают свет с более короткими длинами волн, свет звезд будет в сине-зеленом цветовом спектре. Следовательно, использование красного света для навигации не приведет к снижению чувствительности рецепторов, используемых для обнаружения света звезд. ^[6]^[7]

есть слой ткани, называемый тапетум люцидум У многих животных в задней части глаза , который отражает свет обратно через сетчатку , увеличивая количество света, доступного для улавливания, но снижая резкость фокуса изображения. Он встречается у многих ночных животных и некоторых глубоководных животных и является причиной блеска глаз. У людей и обезьян отсутствует тапетум люцидум . ^[8]^[9]

У ночных млекопитающих есть палочки с уникальными свойствами, которые позволяют улучшить ночное зрение. Ядерная структура их палочек вскоре после рождения меняется и становится инвертированной. В отличие от обычных палочек, инвертированные палочки имеют гетерохроматин в центре ядра и эухроматин и другие транскрипционные факторы вдоль границы. Кроме того, внешний слой клеток сетчатки ( внешний ядерный слой ) у ночных млекопитающих толстый из-за миллионов палочек, обрабатывающих более низкую интенсивность света. Анатомия этого слоя у ночных млекопитающих такова, что ядра палочек отдельных клеток физически сложены так, что свет проходит через восемь-десять ядер, прежде чем достичь фоторецепторной части клеток. Вместо того, чтобы рассеиваться, свет передается каждому ядру индивидуально за счет сильного эффекта линзирования из-за ядерной инверсии, проходя из стопки ядер в стопку из десяти фоторецепторных внешних сегментов . Конечным эффектом этого анатомического изменения является увеличение светочувствительности сетчатки в восемь-десять раз без потери фокуса. ^[10]

Расширение зрачков — это биологический процесс, который вносит относительно небольшой вклад в ночное зрение. У людей радужная оболочка может регулировать размер зрачка от 2 мм при ярком свете до 8 мм в темноте, но это зависит от человека и возраста, причем с возрастом максимальный диаметр зрачка уменьшается. Однако некоторые люди способны расширять свои зрачки до диаметра более 9 мм в темноте, что дает им лучшие возможности ночного видения. ^{[ нужна ссылка ]}.

Технологии ночного видения

1974 года Фильм армии США о разработке военной технологии ночного видения.

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

Усиление изображения

Это увеличивает количество полученных фотонов из 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 «телевизорами при слабом освещении», поскольку видеосигнал часто передается на дисплей в центре управления. Обычно они интегрируются в датчик, содержащий как видимые, так и ИК-детекторы, а потоки используются независимо или в объединенном режиме, в зависимости от требований текущей миссии. ^[11]

Усилитель изображения представляет собой устройство на основе вакуумной трубки (фотоумножитель), которое может генерировать изображение из очень небольшого количества фотонов (например, света звезд на небе), так что тускло освещенную сцену можно просматривать в режиме реального времени. невооруженным глазом посредством визуального вывода или сохраняются 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 микроканальную пластину. Это приводит к тому, что на экране изображения появляется изображение 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 цветных пушек излучение осуществляет фотокатод.

Говорят, что изображение становится «усиленным», потому что выходной видимый свет ярче, чем входящий, и этот эффект напрямую связан с разницей в пассивных и активных очках ночного видения . В настоящее время наиболее популярным электронно-оптическим преобразователем 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 кабине бортовых платформ. ^[12]

Активное освещение

Активное освещение сочетает в себе 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 спектрального диапазона 700–1000 нм (чуть выше видимого спектра человеческого глаза) с ПЗС- камерами, чувствительными к этому свету. Получающаяся в результате сцена, которая для человека-наблюдателя кажется темной, на обычном устройстве отображения выглядит как монохромное изображение. ^[13] Поскольку активные инфракрасные системы ночного видения могут включать в себя осветители, излучающие высокий уровень инфракрасного света, получаемые изображения обычно имеют более высокое разрешение, чем другие технологии ночного видения. ^[14]^[15] Активное инфракрасное ночное видение в настоящее время широко используется в коммерческих, жилых и государственных системах безопасности, где оно обеспечивает эффективное изображение в ночное время в условиях низкой освещенности. Однако, поскольку активный инфракрасный свет может быть обнаружен очками ночного видения, может возникнуть риск выдачи позиции в тактических военных операциях.

Визуализация с лазерным диапазоном — это еще одна форма активного ночного видения, в которой для освещения и визуализации используется мощный импульсный источник света. Стробирование диапазона — это метод, который управляет лазерными импульсами в сочетании с выдержкой детекторов камеры. ^[16] Технологию стробируемой визуализации можно разделить на однократную , когда детектор захватывает изображение из одного светового импульса, и многокадровую , когда детектор объединяет световые импульсы от нескольких снимков для формирования изображения. Одним из ключевых преимуществ этого метода является возможность осуществлять распознавание целей , а не просто их обнаружение, как в случае с тепловидением.

Тепловое зрение

Тепловидение обнаруживает разницу температур между объектами заднего и переднего плана. Некоторые организмы способны воспринимать грубое тепловое изображение с помощью специальных органов, которые действуют как болометры . Это позволяет змеям определять тепловое инфракрасное излучение , которое функционирует путем обнаружения теплового излучения.

Тепловизионные камеры являются отличным инструментом ночного видения. Они обнаруживают тепловое излучение и не нуждаются в источнике освещения. Они создают изображение в самые темные ночи и могут видеть сквозь легкий туман, дождь и дым (в определенной степени). Тепловизионные камеры позволяют увидеть небольшие разницы температур. Они широко используются в качестве дополнения к новым или существующим сетям безопасности, а также для ночного видения на самолетах, где их обычно называют «FLIR» (что означает «передовой инфракрасный порт»). В сочетании с дополнительными камерами (например, камерой видимого спектра или SWIR) возможны мультиспектральные датчики, которые используют преимущества возможностей каждой полосы обнаружения. Вопреки заблуждениям, распространяемым в средствах массовой информации, тепловизоры не могут «видеть» сквозь твердые объекты (например, стены), а также не могут видеть сквозь стекло или акрил, поскольку оба этих материала имеют собственную тепловую сигнатуру и непрозрачны для длинноволнового инфракрасного излучения. .

Приборы ночного видения

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 линз 56 мм и более и увеличение в семь или восемь раз. Основными недостатками ночных очков являются их большие размеры и вес.

Современные технологии

Бинокулярные очки ночного видения на летном шлеме. Зеленый цвет линз объектива — это отражение светоинтерференционных фильтров, а не свечение.

Прибор ночного видения (ПНВ) — это устройство, содержащее электронно-оптический преобразователь в жестком корпусе, обычно используемое в вооруженных силах . В последнее время технологии ночного видения стали более доступными для гражданского использования. Например, для самолетов стали доступны улучшенные системы технического зрения (EVS), позволяющие 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, интегрированного в нашлемный дисплей, производства Elbit Systems.

Особый тип ПНВ, очки ночного видения (ПНВ), представляют собой прибор ночного видения с двумя окулярами. Устройство может использовать либо одну ЭОП с одинаковым изображением, передаваемым в оба глаза, либо отдельную ЭОП для каждого глаза. Очки ночного видения в сочетании с увеличительными линзами представляют собой бинокль ночного видения. Другие типы включают монокулярные устройства ночного видения только с одним окуляром, которые можно устанавливать на огнестрельное оружие в качестве ночных прицелов. Технологии NVG и EVS становятся все более популярными при эксплуатации вертолетов в целях повышения безопасности. NTSB . рассматривает EVS в качестве рекомендуемого оборудования для обеспечения безопасности

Ночные очки бывают одиночными или бинокулярными с объективом большого диаметра. 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 выходной зрачок (7 мм и более), чтобы весь собранный свет попадал в глаза пользователя. Однако многие люди не могут этим воспользоваться из-за ограниченного расширения человеческого зрачка . Чтобы преодолеть эту проблему, солдатам иногда давали глазные капли с атропином для расширения зрачков. ^{[ когда? ]}

В настоящее время монокуляр ПВС-14 является наиболее широко используемым и предпочтительным прибором ночного видения в силах НАТО. Он используется армией США и известен своей низкой стоимостью, широким спектром применения и возможностью модификации. Некоторые устройства более высокого класса, включая бинокль PVS-31 и четырехтрубный прибор ночного видения GPNVG-18, используются группами спецназа, но они дорогостоящие. Монокуляры обычно предпочитают развитые силы.

Системы ночного видения также могут быть установлены на транспортных средствах. Автомобильная система ночного видения используется для улучшения восприятия водителя транспортного средства и улучшения видимости на расстоянии в темноте или в плохую погоду. Такие системы обычно используют 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

Ссылки

^ Чиджиива, Таэко; Исибаши, Тацуро; Иномата, Хадзиме (1990). «Гистологическое исследование меланоцитов хориоидеи у животных с тапетумом lucidum cellulosum (реферат)». Архив клинической и экспериментальной офтальмологии Грефе . 228 (2): 161–168. дои : 10.1007/BF00935727 . ПМИД 2338254 . S2CID 11974069 .
^ Милиус, Сьюзен (2012). «Тест цветового зрения креветок-богомолов». Новости науки . 182 (6): 11. дои : 10.1002/scin.5591820609 . JSTOR 23351000 .
^ «Человеческий глаз и одиночные фотоны» .
^ «Сенсорная рецепция: человеческое зрение: структура и функции человеческого глаза», том. 27, с. 179 Британская энциклопедия, 1987 г.
^ Боумейкер, Дж. К.; Дартналл, HJ (1 января 1980 г.). «Зрительные пигменты палочек и колбочек сетчатки человека» . Журнал физиологии . 298 (1): 501–511. дои : 10.1113/jphysicalol.1980.sp013097 . ПМЦ 1279132 . ПМИД 7359434 .
^ Лурия, С.М.; Кобус, Д.А. (апрель 1985 г.). «Немедленная видимость после красно-белой адаптации» (PDF) . База подводных лодок, Гротон, Коннектикут: Лаборатория медицинских исследований подводных лодок ВМФ (опубликовано 26 апреля 1985 г.). Архивировано из оригинала (PDF) 1 декабря 2012 года . Проверено 25 марта 2012 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Лурия, С.М.; Кобус, Д.А. (июль 1984 г.). «ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ КРАСНОГО И БЕЛОГО СВЕТА ДЛЯ ПОСЛЕДУЮЩЕЙ АДАПТАЦИИ В ТЕМНЕ» . База подводных лодок, Гротон, Коннектикут: Лаборатория медицинских исследований подводных лодок ВМФ (опубликовано 3 июля 1984 г.). {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Форрест М. Мимс III (3 октября 2013 г.). «Как сделать и использовать световозвращатели» . Делать . Проверено 21 октября 2017 г.
^ Дж. ван де Краат и Д. ван Норрен: «Направленное и ненаправленное спектральное отражение от ямки человека» J.Biomed. Оптика, 13, 024010, 2008 г.
^ Соловей И.; Крейсинг, М.; Ланкто, К.; Кёсем, С.; Пейхл, Л.; Кремер, Т.; и др. (16 апреля 2009 г.). «Ядерная архитектура стержневых фоторецепторных клеток адаптируется к зрению в эволюции млекопитающих» . Клетка . 137 (2): 945–953. дои : 10.1016/j.cell.2009.01.052 . ПМИД 19379699 .
^ «Мультиспектральные системы наведения (МТС) Raytheon» . Архивировано из оригинала 3 сентября 2017 г. Проверено 26 мая 2015 г.
^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 26 мая 2015 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
^ "YouTube mp3-файл" . mp3video.org .
^ «Тепловое инфракрасное излучение против активного инфракрасного излучения: новая технология начинает коммерциализироваться» . Архивировано из оригинала 17 января 2010 года.
^ «Экстремальные системы видеонаблюдения» . Архивировано из оригинала 5 апреля 2008 г. Проверено 24 января 2008 г.
^ Дж. Бентелл; П. Нис; Дж. Клотс; Ж. Вермейрен; Б. Гритенс; О. Дэвид; А. Шуркун; Р. Шнайдер. «ФОТОДИОДНЫЕ МАССИВЫ InGAaS С ФЛИП-ЧИПОМ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ С БЕЗОПАСНЫМИ ДЛЯ ГЛАЗ ЛАЗЕРАМИ» (PDF) . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

Внешние ссылки

Патенты

[1] Чиджиива, Таэко; Исибаши, Тацуро; Иномата, Хадзиме (1990). «Гистологическое исследование меланоцитов хориоидеи у животных с тапетумом lucidum cellulosum (реферат)». Архив клинической и экспериментальной офтальмологии Грефе . 228 (2): 161–168. дои : 10.1007/BF00935727 . ПМИД 2338254 . S2CID 11974069 .

[2] Милиус, Сьюзен (2012). «Тест цветового зрения креветок-богомолов». Новости науки . 182 (6): 11. дои : 10.1002/scin.5591820609 . JSTOR 23351000 .

[3] «Человеческий глаз и одиночные фотоны» .

[Sensory-4] «Сенсорная рецепция: человеческое зрение: структура и функции человеческого глаза», том. 27, с. 179 Британская энциклопедия, 1987 г.

[5] Боумейкер, Дж. К.; Дартналл, HJ (1 января 1980 г.). «Зрительные пигменты палочек и колбочек сетчатки человека» . Журнал физиологии . 298 (1): 501–511. дои : 10.1113/jphysicalol.1980.sp013097 . ПМЦ 1279132 . ПМИД 7359434 .

[6] Лурия, С.М.; Кобус, Д.А. (апрель 1985 г.). «Немедленная видимость после красно-белой адаптации» (PDF) . База подводных лодок, Гротон, Коннектикут: Лаборатория медицинских исследований подводных лодок ВМФ (опубликовано 26 апреля 1985 г.). Архивировано из оригинала (PDF) 1 декабря 2012 года . Проверено 25 марта 2012 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[7] Лурия, С.М.; Кобус, Д.А. (июль 1984 г.). «ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ КРАСНОГО И БЕЛОГО СВЕТА ДЛЯ ПОСЛЕДУЮЩЕЙ АДАПТАЦИИ В ТЕМНЕ» . База подводных лодок, Гротон, Коннектикут: Лаборатория медицинских исследований подводных лодок ВМФ (опубликовано 3 июля 1984 г.). {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[8] Форрест М. Мимс III (3 октября 2013 г.). «Как сделать и использовать световозвращатели» . Делать . Проверено 21 октября 2017 г.

[9] Дж. ван де Краат и Д. ван Норрен: «Направленное и ненаправленное спектральное отражение от ямки человека» J.Biomed. Оптика, 13, 024010, 2008 г.

[10] Соловей И.; Крейсинг, М.; Ланкто, К.; Кёсем, С.; Пейхл, Л.; Кремер, Т.; и др. (16 апреля 2009 г.). «Ядерная архитектура стержневых фоторецепторных клеток адаптируется к зрению в эволюции млекопитающих» . Клетка . 137 (2): 945–953. дои : 10.1016/j.cell.2009.01.052 . ПМИД 19379699 .

[11] «Мультиспектральные системы наведения (МТС) Raytheon» . Архивировано из оригинала 3 сентября 2017 г. Проверено 26 мая 2015 г.

[12] «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 26 мая 2015 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )

[13] "YouTube mp3-файл" . mp3video.org .

[14] «Тепловое инфракрасное излучение против активного инфракрасного излучения: новая технология начинает коммерциализироваться» . Архивировано из оригинала 17 января 2010 года.

[15] «Экстремальные системы видеонаблюдения» . Архивировано из оригинала 5 апреля 2008 г. Проверено 24 января 2008 г.

[16] Дж. Бентелл; П. Нис; Дж. Клотс; Ж. Вермейрен; Б. Гритенс; О. Дэвид; А. Шуркун; Р. Шнайдер. «ФОТОДИОДНЫЕ МАССИВЫ InGAaS С ФЛИП-ЧИПОМ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ С БЕЗОПАСНЫМИ ДЛЯ ГЛАЗ ЛАЗЕРАМИ» (PDF) . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]