Ночное зрение — это способность видеть в условиях низкой освещенности, как естественным образом с помощью скотопического зрения , так и с помощью прибора ночного видения . Ночное зрение требует как достаточного спектрального диапазона , так и достаточного диапазона интенсивности . Люди имеют плохое ночное зрение по сравнению со многими животными, такими как кошки , собаки , лисы и кролики , отчасти потому, что в человеческом глазу отсутствует tapetum lucidum , [1] ткань за сетчаткой, которая отражает свет обратно через сетчатку, тем самым увеличивая количество света, доступного фоторецепторам.
Ночью полезные спектральные методы могут ощущать излучение, невидимое для человека-наблюдателя. Человеческое зрение ограничено небольшой частью электромагнитного спектра, называемого видимым светом . Расширенный спектральный диапазон позволяет наблюдателю использовать невидимые источники электромагнитного излучения (например, ближнее инфракрасное или ультрафиолетовое излучение). Некоторые животные, такие как рак-богомол и форель, могут видеть, используя гораздо больше инфракрасного и/или ультрафиолетового спектра, чем люди. [2]
Достаточный диапазон интенсивности — это просто способность видеть при очень малых количествах света. [3]
Многие животные имеют лучшее ночное зрение, чем люди, что является результатом одного или нескольких различий в морфологии и анатомии их глаз. К ним относятся наличие большего глазного яблока, большего хрусталика, большей оптической апертуры (зрачки могут расширяться до физического предела век), большего количества палочек, чем колбочек (или только палочек) в сетчатке и tapetum lucidum .
Расширение диапазона интенсивности достигается технологическими средствами за счет использования усилителя яркости изображения , ПЗС-матрицы с умножением усиления или других матриц фотоприемников с очень низким уровнем шума и высокой чувствительностью .
Все фоторецепторные клетки в глазу позвоночных содержат молекулы фоторецепторного белка , который представляет собой комбинацию белка фотопсина в клетках цветного зрения , родопсина в клетках ночного зрения и ретиналя (маленькой фоторецепторной молекулы). Ретиналь претерпевает необратимое изменение формы, когда поглощает свет; это изменение вызывает изменение формы белка, который окружает сетчатку, и это изменение затем вызывает физиологический процесс, который приводит к зрению.
Ретиналь должен диффундировать из зрительной клетки из глаза и циркулировать через кровь в печень, где он регенерируется. В условиях яркого света большая часть сетчатки находится не в фоторецепторах, а снаружи глаза. Требуется около 45 минут темноты, чтобы все белки фоторецепторов перезарядились активным ретиналем, но большая часть адаптации ночного зрения происходит в течение первых пяти минут в темноте. [4] Адаптация приводит к максимальной чувствительности к свету. В условиях темноты только палочки обладают достаточной чувствительностью, чтобы отреагировать и вызвать зрение.
Родопсин в человеческих палочках нечувствителен к более длинным красным волнам , поэтому традиционно многие люди используют красный свет, чтобы сохранить ночное зрение. Красный свет только медленно истощает запасы родопсина в палочках, и вместо этого воспринимается красными чувствительными колбочками . [ необходима цитата ]
Другая теория утверждает, что поскольку звезды обычно излучают свет с более короткими длинами волн, свет от звезд будет в сине-зеленом цветовом спектре. Поэтому использование красного света для навигации не приведет к снижению чувствительности рецепторов, используемых для обнаружения звездного света. [6] [7]
У многих животных есть слой ткани, называемый tapetum lucidum, в задней части глаза, 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 tapetum lucidum отсутствует . [8] [9]
Ночные млекопитающие имеют палочки с уникальными свойствами, которые делают возможным улучшенное ночное зрение. Ядерный рисунок их палочек меняется вскоре после рождения, становясь инвертированным. В отличие от обычных палочек, инвертированные палочки имеют гетерохроматин в центре своих ядер и эухроматин и другие факторы транскрипции вдоль границы. Кроме того, внешний слой клеток в сетчатке ( внешний ядерный слой ) у ночных млекопитающих толстый из-за миллионов палочек, присутствующих для обработки более низкой интенсивности света. Анатомия этого слоя у ночных млекопитающих такова, что ядра палочек из отдельных клеток физически сложены так, что свет будет проходить через восемь-десять ядер, прежде чем достигнет фоторецепторной части клеток. Вместо того, чтобы рассеиваться, свет передается к каждому ядру индивидуально, с помощью сильного линзирующего эффекта из-за ядерной инверсии, выходя из стопки ядер в стопку из десяти фоторецепторных внешних сегментов . Конечный эффект этого анатомического изменения заключается в увеличении светочувствительности сетчатки в восемь-десять раз без потери фокуса. [10]
Расширение зрачка — это биологический процесс, который вносит относительно небольшой вклад в ночное зрение. У людей радужная оболочка глаза может регулировать размер зрачка от 2 мм при ярком свете до 8 мм в темноте, но это зависит от индивидуальных особенностей и возраста, с возрастом максимальный диаметр зрачка уменьшается. Однако некоторые люди способны расширять свои зрачки до более чем 9 мм в диаметре в темноте, что дает им лучшие возможности ночного зрения. [ необходима цитата ]
Технологии ночного видения можно разделить на три основные категории: усиление изображения , активное освещение и тепловидение .
Это увеличивает количество полученных фотонов из различных естественных источников, таких как звездный или лунный свет. Примерами таких технологий являются ночные очки и камеры для съемки при слабом освещении. В военном контексте усилители изображения часто называют «телевизорами при слабом освещении», поскольку видеосигнал часто передается на дисплей в центре управления. Они обычно интегрируются в датчик, содержащий как видимые, так и ИК-детекторы, и потоки используются независимо или в объединенном режиме, в зависимости от требований текущей миссии. [11]
Усилитель изображения — это устройство на основе вакуумной трубки (фотоумножительной трубки), которое может генерировать изображение из очень малого количества фотонов (например, свет от звезд на небе), так что тускло освещенную сцену можно просматривать в реальном времени невооруженным глазом с помощью визуального вывода или сохранять в виде данных для последующего анализа. Хотя многие считают, что свет «усиливается», это не так. Когда свет попадает на заряженную фотокатодную пластину, электроны испускаются через вакуумную трубку и попадают на микроканальную пластину. Это заставляет экран изображения освещаться изображением в том же порядке, что и свет, который попадает на фотокатод, и на длине волны, которую может видеть человеческий глаз. Это очень похоже на телевизор с ЭЛТ , но вместо цветных пушек излучение производит фотокатод.
Говорят, что изображение становится «усиленным», потому что выходной видимый свет ярче входящего света, и этот эффект напрямую связан с разницей в пассивных и активных очках ночного видения . В настоящее время самым популярным усилителем изображения является модуль Drop-In ANVIS, хотя на рынке доступно множество других моделей и размеров. Недавно ВМС США объявили о намерении закупить двухцветный вариант ANVIS для использования в кабине летательных аппаратов. [12]
Активное освещение объединяет технологию усиления изображения с активным источником освещения в ближнем инфракрасном (NIR) или коротковолновом инфракрасном (SWIR) диапазоне. Примерами таких технологий являются камеры с низкой освещенностью.
Активное инфракрасное ночное видение сочетает инфракрасное освещение спектрального диапазона 700–1000 нм (чуть выше видимого спектра человеческого глаза) с ПЗС- камерами, чувствительными к этому свету. Результирующая сцена, которая, по-видимому, темная для наблюдателя-человека, отображается как монохромное изображение на обычном устройстве отображения. [13] Поскольку активные инфракрасные системы ночного видения могут включать в себя осветители, которые производят высокий уровень инфракрасного света, полученные изображения, как правило, имеют более высокое разрешение, чем другие технологии ночного видения. [14] [15] Активное инфракрасное ночное видение в настоящее время широко используется в коммерческих, жилых и правительственных системах безопасности, где оно обеспечивает эффективную ночную съемку в условиях низкой освещенности. Однако, поскольку активный инфракрасный свет может быть обнаружен очками ночного видения, может возникнуть риск выдачи позиции в тактических военных операциях.
Лазерная дальномерная визуализация — это еще одна форма активного ночного видения, которая использует мощный импульсный источник света для освещения и визуализации. Дальномерная съемка — это метод, который управляет лазерными импульсами в сочетании со скоростью затвора детекторов камеры. [16] Технология дальномерной визуализации может быть разделена на одиночный снимок , когда детектор захватывает изображение из одного светового импульса, и многократный снимок , когда детектор объединяет световые импульсы из нескольких снимков для формирования изображения. Одним из ключевых преимуществ этой техники является способность выполнять распознавание цели , а не просто обнаружение, как в случае с тепловидением.
Тепловидение определяет разницу температур между фоновыми и передними объектами. Некоторые организмы способны воспринимать грубое тепловое изображение с помощью специальных органов, которые функционируют как болометры . Это позволяет змеям использовать тепловое инфракрасное зондирование , которое функционирует путем обнаружения теплового излучения.
Тепловизионные камеры являются отличными инструментами для 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 делают видимыми небольшие различия температур. Они широко используются для дополнения новых или существующих сетей безопасности, а также для ночного видения на самолетах, где их обычно называют «FLIR» (для «переднего инфракрасного излучения»). При сочетании с дополнительными камерами (например, камерой видимого спектра или SWIR) возможны многоспектральные датчики, которые используют преимущества возможностей каждой полосы обнаружения. Вопреки заблуждениям, изображаемым 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.
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 или более с увеличением в семь или восемь раз. Главными недостатками ночных очков являются их большой размер и вес.
Прибор ночного видения (ПНВ) — это устройство, включающее в себя усилитель изображения в жестком корпусе, обычно используемое военными силами . В последнее время технология ночного видения стала более широко доступна для гражданского использования. Например, улучшенные системы видения (EVS) стали доступны для самолетов, чтобы повысить ситуационную осведомленность пилотов для предотвращения аварий. Эти системы включены в новейшие пакеты авионики от таких производителей, как Cirrus и Cessna . ВМС США начали закупку варианта, интегрированного в нашлемный дисплей, производимого Elbit Systems.
Конкретный тип ПНВ, очки ночного видения (NVG) — это прибор ночного видения с двумя окулярами. Устройство может использовать либо одну электронно-оптическую трубку с одинаковым изображением, отправляемым на оба глаза, либо отдельную электронно-оптическую трубку для каждого глаза. Очки ночного видения в сочетании с увеличительными линзами представляют собой бинокли ночного видения. Другие типы включают монокулярные приборы ночного видения только с одним окуляром, которые могут быть установлены на огнестрельном оружии в качестве ночных прицелов. Технологии NVG и EVS становятся все более популярными в вертолетных операциях для повышения безопасности. NTSB рассматривает EVS в качестве рекомендуемого оборудования для обеспечения безопасности.
Ночные очки бывают одинарными или бинокулярными с большим диаметром объектива. Большие линзы могут собирать и концентрировать свет, таким образом усиливая свет чисто оптическими средствами и позволяя пользователю лучше видеть в темноте, чем невооруженным глазом. Часто ночные очки также имеют довольно большой выходной зрачок в 7 мм или более, чтобы весь собранный свет попадал в глаз пользователя. Однако многие люди не могут воспользоваться этим из-за ограниченного расширения человеческого зрачка . Чтобы преодолеть это, солдатам иногда выдавали атропиновые глазные капли для расширения зрачков. [ когда? ]
В настоящее время монокуляр PVS-14 является наиболее широко используемым и предпочтительным прибором ночного видения в силах НАТО. Он используется армией США и известен своей низкой стоимостью и широким спектром применения и возможностью модификации. Некоторые более дорогие устройства, включая бинокль PVS-31 и четырехтрубный ночной прицел GPNVG-18, используются группами спецназа, но они дороги. Монокуляры, как правило, предпочитают развитые силы.
Системы ночного видения также могут быть установлены в транспортных средствах. Автомобильная система ночного видения используется для улучшения восприятия водителя транспортного средства и дальности видения 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 некоторых автомобилях премиум-класса.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )