Ночное видение - Википедия - Night vision

Для использования в других целях см. Ночное видение (значения).
Два Американец солдат, изображенных во время Война в Ираке 2003 г. видно через усилитель изображения.

Ночное видение это способность видеть в условиях низкой освещенности. Будь то биологический или же технологический значит, ночное видение стало возможным благодаря комбинации двух подходов: спектральный диапазон, и достаточно диапазон интенсивности. У людей плохое ночное зрение по сравнению со многими животными, отчасти потому, что человеческий глаз не хватает Tapetum lucidum.[1]

Типы диапазонов

Спектральный диапазон

В электромагнитный спектр, с видимая часть выделил

Используемые в ночное время методы спектрального диапазона могут определять излучение, невидимое для человека-наблюдателя. Человеческое зрение ограничено небольшой частью электромагнитный спектр называется видимый свет. Расширенный спектральный диапазон позволяет зрителю использовать невидимые источники электромагнитного излучения (такие как ближнийинфракрасный или же ультрафиолетовый радиация). Некоторые животные, такие как креветка-богомол 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]

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, большего оптического отверстие (зрачки могут расширяться до физического предела век), стержней больше, чем колбочек (или исключительно стержней) в сетчатка, а Tapetum lucidum.

Расширенный диапазон интенсивности достигается технологическими средствами за счет использования усилитель изображения, умножение усиления CCD, или другие очень малошумящие и высокочувствительные матрицы фотоприемники.

Биологическое ночное видение

Дальнейшая информация: Адаптация (глаз) § Ускорение адаптации к темноте, и Скотопическое видение

Все фоторецепторные клетки в глазу позвоночных содержат молекулы фоторецепторный белок который представляет собой комбинацию белка фотопсин в клетки цветового зрения, родопсин в камеры ночного видения, и сетчатка (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 этого требуется около 45 минут темноты. все белков фоторецепторов, которые должны заряжаться активной сетчаткой, но большая часть ночного видения приспособление происходит в течение первых пяти минут в темноте.[4] Адаптация приводит к максимальной светочувствительности. 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 стержнях человека нечувствителен к более длинным красным длины волн, 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 чувствительные к красному. конические клетки[нужна цитата ].

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-зеленая дальтонизм, из-за их нечувствительности к красному свету.[нужна цитата для проверки ]

У многих животных есть слой ткани, называемый Tapetum lucidum в задней части глаз который отражает свет обратно через сетчатку, увеличивая количество света, доступного для захвата, но уменьшая резкость фокуса изображения. Это можно найти во многих ночной образ жизни животные и некоторые глубокое море животных, и является причиной блеска глаз. Людям и обезьянам не хватает 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 и 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 по отдельности за счет сильного линзирующего эффекта из-за ядерной инверсии, выходя из стопки ядер в стопку из десяти фоторецепторов. внешние сегменты. В результате этого анатомического изменения светочувствительность сетчатки увеличится в восемь-десять раз без потери фокуса.[9]

Технологии ночного видения

1974 Армия США фильм о развитии военной техники ночного видения

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

Усиление изображения

Основная статья: Усилитель изображения

Это увеличивает количество фотонов, полученных от различных естественных источников, таких как Звездный свет 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 заряженный фотокатод На пластине электроны испускаются через вакуумную трубку и ударяются о пластину микроканала. Это заставляет экран изображения освещаться изображением того же рисунка, что и свет, падающий на фотокатод, и на длине волны, которую может видеть человеческий глаз. Это очень похоже на ЭЛТ телевидение, но вместо цветных пушек излучающими является фотокатод.

Говорят, что изображение становится «усиленным», потому что выходной видимый свет ярче, чем падающий, и этот эффект напрямую связан с разницей в пассивном и активном очки ночного видения. В настоящее время самым популярным усилителем изображения является вставной ANVIS модуль, 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.[11]

Активное освещение

USMC Снайперский прицел М3 собран на Карабин М1. Представлено во время Корейская война Это был ранний активный инфракрасный прибор ночного видения, работающий от большой 12-вольтовой батареи, который носился в прорезиненном брезентовом рюкзаке.
An Танк М60 с установленным на пушке инфракрасным прожектором.

Активное освещение объединяет технологию усиления изображения с активным источником освещения в ближний инфракрасный (NIR) или коротковолновый инфракрасный (SWIR) диапазон. 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 CCD камеры, чувствительные 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 в себя осветители, которые излучают инфракрасный свет высокого уровня, 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] Технологии стробированной визуализации можно разделить на одиночный выстрел, где детектор фиксирует изображение от одиночного светового импульса, и многоцелевой, где детектор объединяет световые импульсы от нескольких выстрелов для формирования изображения. Одно из ключевых преимуществ этой техники - возможность выполнять распознавание цели а не простое обнаружение, как в случае с тепловизором.

Тепловизионное зрение

Смотрите 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 тепловому инфракрасное зондирование у змей, который функционирует, обнаруживая тепловое излучение.

Тепловизионные камеры отличные инструменты для ночного видения. Они обнаруживают тепловое излучение и 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

Смотрите статьи: Прибор ночного видения и Тепловизионная камера

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 линзы 56 мм и более с увеличением семи или восьми. Основные недостатки ночных очков - это их большой размер и вес.

Текущая технология

Бинокулярные очки ночного видения на летном шлеме. Зеленый цвет линз объектива - это отражение светофильтров, а не свечение.

Устройство ночного видения (NVD) - это устройство, содержащее трубку усилителя изображения в жестком корпусе, обычно используемое вооруженные силы. 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 быть установлены на огнестрельное оружие в качестве ночных прицелов. Технологии NVG и EVS становятся все более популярными при эксплуатации вертолетов для повышения безопасности. В NTSB рассматривает EVS как рекомендованное оборудование для обеспечения безопасности.

Ночные очки одиночные или бинокль 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 размер. выпускной ученик 7 мм или более, чтобы весь собранный свет попадал в глаза пользователя. Однако многие люди не могут воспользоваться этим из-за ограниченного расширения человеческого тела. ученица. Чтобы преодолеть это, иногда выпускали солдат атропин глазные капли для расширения зрачков.[когда? ]

Системы ночного видения также могут быть установлены на транспортных средствах. An автомобильное ночное видение Система используется для улучшения восприятия водителем транспортного средства и улучшения видимости расстояния 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.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Чидзива, Таэко; 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. Дои:10.1007 / BF00935727. PMID  2338254.
  2. ^ Милиус, Сьюзен (2012). "Тест цветового зрения креветки-богомола". Новости науки. 182 (6): 11. Дои: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. ^ Luria, S.M .; Кобус, Д.А. (Апрель 1985 г.). «Немедленная 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 | журнал = (помощь)
  6. ^ Luria, S.M .; 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 | журнал = (помощь)
  7. ^ Форрест М. Мимс III (2013-10-03). «Как сделать и использовать ретрорефлекторы». Делать. Получено 2017-10-21.
  8. ^ Й. ван де Краатс и Д. ван Норрен: «Направленное и ненаправленное спектральное отражение от ямки человека» Дж. Биомед. Оптика, 13, 024010, 2008
  9. ^ Соловей, И .; 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 процессе эволюции млекопитающих». Клетка. 137 (2): 945–953. Дои:10.1016 / j.cell.2009.01.052. PMID  19379699.
  10. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2017-09-03. Получено 2015-05-26.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  11. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-04. Получено 2015-05-26.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  12. ^ «Информация о видеонаблюдении». www.cctv-information.co.uk.[постоянная мертвая ссылка ]
  13. ^ «Тепловое инфракрасное излучение против активного инфракрасного: начало коммерциализации новой технологии». Архивировано из оригинал 17 января 2010 г.
  14. ^ «Экстремальные системы видеонаблюдения». Архивировано из оригинал на 2008-04-05. Получено 2008-01-24.
  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 | журнал = (помощь)

внешняя ссылка

Патенты