Dowiedz się, jak działa noktowizor, jakie dwie główne technologie za nim stoją i jakie są jego zastosowania.
Pierwszą rzeczą, o której prawdopodobnie myślisz, gdy słyszysz słowa “noktowizor”, jest film szpiegowski lub film akcji, w którym ktoś zakłada gogle noktowizyjne, aby znaleźć kogoś innego w ciemnym budynku w bezksiężycową noc. Być może zastanawiałeś się: “Czy te rzeczy naprawdę działają? Czy naprawdę można widzieć w ciemności?”.
Odpowiedź jest zdecydowanie twierdząca. Z odpowiednim sprzętem noktowizyjnym możesz zobaczyć osobę stojącą ponad 183 m od ciebie w bezksiężycową, pochmurną noc! Noktowizor może działać na dwa różne sposoby, w zależności od zastosowanej technologii.
Wzmocnienie obrazu – ta technologia zbiera niewielkie ilości światła, w tym dolną część widma podczerwieni, która jest obecna, ale może nie być widoczna dla naszych oczu, i wzmacnia ją do punktu, w którym możemy łatwo obserwować obraz.
Obrazowanie termowizyjne – technologia ta działa poprzez przechwytywanie górnej części widma podczerwieni światła, które jest emitowane przez obiekty jako ciepło, a nie po prostu odbijane jako światło. Gorące obiekty, takie jak ciepłe ciała, emitują więcej tego światła niż zimne obiekty, takie jak drzewa lub budynki.
W tym artykule dowiesz się, jak działa noktowizor i poznasz dwie główne technologie noktowizyjne. Omówimy również różne typy urządzeń noktowizyjnych i ich zastosowania. Ale najpierw porozmawiajmy o świetle podczerwonym.
Jak działa noktowizor: nauka, która się za tym kryje
Światło podczerwone
Światło podczerwone to niewielka część widma światła. Aby zrozumieć, czym jest noktowizor, ważne jest, aby wiedzieć coś o świetle. Ilość energii w fali świetlnej zależy od jej długości: Krótsze fale mają więcej energii. W świetle widzialnym najwięcej energii ma fiolet, a najmniej czerwień. Obok spektrum światła widzialnego znajduje się spektrum podczerwieni.
Światło podczerwone można podzielić na trzy kategorie:
- Bliska podczerwień (NIR) – najbliższa światłu widzialnemu, NIR ma długość fali od 0,7 do 1,3 mikrona, czyli od 700 miliardowych do 1300 miliardowych części metra.
- Średnia podczerwień (mid-IR) – średnia podczerwień ma długość fali od 1,3 do 3 mikronów. Zarówno bliska, jak i średnia podczerwień są wykorzystywane przez różne urządzenia elektroniczne, w tym piloty zdalnego sterowania.
- Podczerwień termiczna (thermal-IR) – zajmuje większość spektrum podczerwieni, o długości fali od 3 mikronów do ponad 30 mikronów.
Kluczową różnicą między podczerwienią a pozostałymi dwoma jest to, że jest ona emitowana przez obiekt, a nie odbijana od niego. Światło podczerwone jest emitowane przez obiekt z powodu tego, co dzieje się na poziomie atomowym.
Atomy
Atomy są w ciągłym ruchu. Nieustannie wibrują, poruszają się i obracają. Nawet atomy tworzące krzesła, na których siedzimy, poruszają się. Ciała stałe są w rzeczywistości w ruchu! Atomy mogą znajdować się w różnych stanach pobudzenia. Innymi słowy, mogą mieć różne energie. Jeśli przyłożymy do atomu dużą ilość energii, może on opuścić tak zwany podstawowy poziom energii i przejść do poziomu wzbudzonego. Poziom wzbudzenia zależy od ilości energii, jaką dostarczymy do atomu za pomocą ciepła, światła lub elektryczności.
Atom składa się z jądra (zawierającego protony i neutrony) oraz chmury elektronów. Wyobraźmy sobie, że elektrony w tej chmurze krążą wokół jądra po wielu różnych orbitach. Chociaż bardziej nowoczesne widoki atomu nie przedstawiają dyskretnych orbit elektronów, pomocne może być myślenie o tych orbitach jako o różnych poziomach energetycznych atomu. Innymi słowy, jeśli zastosujemy pewną ilość ciepła do atomu, możemy oczekiwać, że niektóre elektrony z orbit o niższej energii przesuną się na orbity o wyższej energii, oddalając się od jądra.
Gdy elektron przejdzie na orbitę o wyższej energii, ostatecznie chce powrócić do stanu podstawowego. Gdy to nastąpi, uwalnia swoją energię w postaci fotonu, cząstki światła. Atomy uwalniają energię w postaci fotonów przez cały czas.
Na przykład, gdy element grzejny w tosterze zmienia kolor na jaskrawoczerwony, czerwony kolor jest spowodowany przez atomy wzbudzone przez ciepło uwalniające czerwone fotony. Wzbudzony elektron ma więcej energii niż zrelaksowany elektron i tak jak elektron zaabsorbował pewną ilość energii, aby osiągnąć ten wzbudzony poziom, może uwolnić tę energię, aby powrócić do stanu podstawowego.
Wyemitowana energia przyjmuje postać fotonów (energii świetlnej). Emitowany foton ma bardzo specyficzną długość fali (kolor), która zależy od stanu energetycznego elektronu w momencie emisji fotonu.
Wszystkie żywe istoty zużywają energię, podobnie jak wiele obiektów nieożywionych, takich jak silniki i rakiety. Zużycie energii generuje ciepło. Z kolei ciepło powoduje, że atomy w obiekcie emitują fotony w termicznym spektrum podczerwieni. Im gorętszy obiekt, tym krótsza jest długość fali emitowanego przez niego fotonu podczerwieni.
Bardzo gorący obiekt zacznie emitować fotony nawet w widzialnym spektrum, świecąc na czerwono, a następnie przechodząc do pomarańczowego, żółtego, niebieskiego i ostatecznie białego.
W systemach noktowizyjnych obrazowanie termowizyjne wykorzystuje to promieniowanie podczerwone. W następnej sekcji zobaczymy, jak to działa.
Termowizja i sposób działania kamery termowizyjnej:
Specjalny obiektyw skupia światło podczerwone emitowane przez wszystkie obiekty w polu widzenia.
Skupione światło jest skanowane przez fazowy układ detektorów podczerwieni. Elementy detektora tworzą bardzo szczegółowy wzór temperatury zwany termogramem. Układ detektorów odbiera informacje o temperaturze potrzebne do utworzenia termogramu w ciągu zaledwie jednej trzydziestej sekundy. Informacje te są uzyskiwane z kilku tysięcy punktów w polu widzenia detektora.
Termogram utworzony przez elementy detektora jest przekształcany w impulsy elektryczne.
Impulsy są wysyłane do jednostki przetwarzania sygnału, płytki ze specjalnym chipem, który konwertuje informacje z elementów na dane do wyświetlenia.
Jednostka przetwarzania sygnału wysyła informacje do wyświetlacza, gdzie są one wyświetlane w różnych kolorach w zależności od intensywności promieniowania podczerwonego. Połączenie wszystkich impulsów ze wszystkich elementów tworzy obraz.
Co to jest barometr i jak jest wykorzystywany do przewidywania pogody?
Rodzaje urządzeń termowizyjnych
Większość urządzeń termowizyjnych skanuje z częstotliwością 30 razy na sekundę. Mogą one wykrywać temperatury od -4 stopni Fahrenheita (-20 stopni Celsjusza) do 3600 stopni Fahrenheita (2000 stopni Celsjusza) i zazwyczaj mogą wykrywać zmiany temperatury o około 0,4 stopnia Fahrenheita (0,2 stopnia Celsjusza).
Istnieją dwa główne typy urządzeń termowizyjnych:
Niechłodzone – jest to najczęściej spotykany typ urządzenia termowizyjnego. Elementy detektora podczerwieni znajdują się w jednostce, która działa w temperaturze pokojowej. Ten typ systemu jest całkowicie cichy, aktywuje się natychmiast i ma wbudowaną baterię.
Systemy chłodzone kriogenicznie są droższe i bardziej podatne na uszkodzenia w trudnych warunkach, z elementami zamkniętymi wewnątrz pojemnika, który chłodzi je do temperatury poniżej 32 F (zero stopni). Zaletą takiego systemu jest niesamowita rozdzielczość i czułość uzyskana dzięki chłodzeniu elementów. Systemy chłodzone kriogenicznie mogą “dostrzec” różnicę 0,2 F (0,1 C) w odległości ponad 300 metrów, co wystarcza do określenia, czy dana osoba trzyma broń w tej odległości!
Podczas gdy termowizja jest świetna do wykrywania ludzi lub pracy w niemal całkowitej ciemności, większość urządzeń noktowizyjnych wykorzystuje technologię poprawy obrazu.
Wzmocnienie obrazu
Lampa wzmacniająca obraz przekształca fotony w elektrony i z powrotem.
Technologia wzmacniania obrazu jest tym, o czym większość ludzi myśli, gdy mówi się o noktowizji. W rzeczywistości systemy intensyfikacji obrazu są powszechnie określane jako urządzenia noktowizyjne (NVD). Urządzenia noktowizyjne wykorzystują specjalną tubę zwaną wzmacniaczem obrazu do zbierania i wzmacniania światła podczerwonego i widzialnego.
Oto jak działa wzmacniacz obrazu:
Zwykła soczewka zwana obiektywem zbiera światło otoczenia i trochę światła bliskiej podczerwieni.
Zebrane światło jest przesyłane do lampy wzmacniacza obrazu. W większości dysków twardych zasilacz lampy wzmacniacza obrazu jest zasilany przez dwie baterie typu N lub dwie baterie AA. Lampa dostarcza wysokie napięcie, około 5000 V, do komponentów kineskopu.
Lampa wzmacniająca obraz ma fotokatodę, która służy do przekształcania fotonów energii świetlnej w elektrony.
Gdy elektrony przechodzą przez tubę, podobne elektrony są uwalniane z atomów w tubie, zwielokrotniając początkową liczbę elektronów tysiące razy dzięki zastosowaniu płytki mikrokanalikowej (MCP) w tubie. MCP to niewielki szklany dysk z milionami mikroskopijnych otworów (mikrokanałów) wykonanych przy użyciu technologii światłowodowej.
MCP jest utrzymywany w próżni i posiada metalowe elektrody po obu stronach dysku. Każdy kanał jest około 45 razy dłuższy niż jego szerokość i działa jak mnożnik elektronów. Gdy elektrony z fotokatody uderzają w pierwszą elektrodę MCP, są przyspieszane do szklanych mikrokanałów przez impulsy o napięciu 5000 V wysyłane między parą elektrod.
Gdy elektrony przechodzą przez mikrokanały, powodują uwalnianie tysięcy innych elektronów w każdym kanale w procesie zwanym wtórną emisją kaskadową. Zasadniczo, początkowe elektrony zderzają się ze ścianą kanału, wzbudzając atomy i powodując uwolnienie innych elektronów. Te nowe elektrony również zderzają się z innymi atomami, tworząc reakcję łańcuchową, w wyniku której tysiące elektronów opuszczają kanał, do którego dostało się tylko kilka.
Ciekawostką jest fakt, że mikrokanały w MCP są zaprojektowane pod niewielkim kątem (około 5-8 stopni), aby stymulować zderzenia elektronów i zmniejszyć sprzężenie zwrotne z luminoforów na wyjściu, zarówno z jonów, jak i bezpośredniego światła.
Na końcu rury wzmacniacza obrazu elektrony uderzają w ekran pokryty luminoforem. Elektrony te zachowują swoją pozycję w stosunku do kanału, przez który przeszły, co zapewnia doskonały obraz, ponieważ elektrony pozostają w tej samej pozycji, co oryginalne fotony. Energia elektronów powoduje, że luminofory osiągają stan wzbudzony i emitują fotony. Te luminofory wytwarzają zielony obraz na ekranie, który stał się charakterystyczny dla noktowizorów.
Obraz z zielonego luminoforu jest oglądany przez inną soczewkę, zwaną soczewką okularową, która umożliwia powiększenie i skupienie obrazu. NVG można podłączyć do wyświetlacza elektronicznego, takiego jak monitor, lub obraz można oglądać bezpośrednio przez soczewkę okularu.
Generacje urządzeń noktowizyjnych (NVD): klasyfikacja
Dowiedzieliśmy się już, jak działa noktowizor. Porozmawiajmy teraz o klasyfikacji samego sprzętu. Urządzenia noktowizyjne są dostępne w różnych stylach, w tym takie, które można zamontować na kamerach. Istnieją już od ponad 40 lat. Są one klasyfikowane według generacji. Każda większa zmiana w technologii NVD tworzy nową generację.
Generacja 0 – oryginalny system noktowizyjny stworzony przez armię amerykańską i używany podczas II wojny światowej i wojny koreańskiej, te noktowizory wykorzystują aktywne promieniowanie podczerwone. Oznacza to, że do noktowizora dołączona jest jednostka projekcyjna zwana oświetlaczem podczerwieni.
Emituje on wiązkę światła bliskiej podczerwieni, podobną do tej emitowanej przez zwykłą latarkę. Niewidoczna gołym okiem wiązka odbija się od obiektów i powraca do obiektywu CCD. Systemy te wykorzystują anodę w połączeniu z katodą do przyspieszania elektronów.
Problem z tym podejściem polega na tym, że przyspieszenie elektronów zniekształca obraz i znacznie skraca żywotność lampy. Innym poważnym problemem związanym z tą technologią w jej pierwotnym zastosowaniu wojskowym było to, że została ona szybko skopiowana przez wrogie kraje, umożliwiając żołnierzom wroga korzystanie z własnych noktowizorów, aby zobaczyć wiązkę podczerwieni wyświetlaną przez urządzenie.
Generacja 1 – Kolejna generacja UAS odeszła od aktywnej podczerwieni, zamiast tego wykorzystując pasywną podczerwień. Nazwane przez armię amerykańską “Starlight”, te ABL wykorzystują światło otoczenia z księżyca i gwiazd, aby zwiększyć normalną ilość odbitego promieniowania podczerwonego w środowisku.
Oznacza to, że nie potrzebują one źródła emitowanego światła podczerwonego. Oznacza to również, że nie działają one zbyt dobrze w pochmurne lub bezksiężycowe noce. Dyski twarde generacji 1 wykorzystują tę samą technologię lamp wzmacniających obraz, co dyski twarde generacji 0, z katodą i anodą, więc zniekształcenia obrazu i krótka żywotność lamp nadal stanowią problem.
Generacja 2 – Znaczące ulepszenia lamp wzmacniaczy obrazu zaowocowały powstaniem noktowizorów generacji 2. Oferują one lepszą rozdzielczość i wydajność w porównaniu z urządzeniami generacji 1 i są znacznie bardziej niezawodne.
Największą zaletą generacji 2 jest możliwość widzenia w ekstremalnie słabych warunkach oświetleniowych, takich jak bezksiężycowa noc. Ta zwiększona czułość jest osiągana poprzez dodanie płytki mikrokanałowej do tuby wzmacniacza obrazu. Ponieważ MCP faktycznie zwiększa liczbę elektronów, a nie tylko przyspiesza wyjście, obrazy są znacznie mniej zniekształcone i jaśniejsze niż w przypadku HDPE poprzedniej generacji.
Generacja 3 – Generacja 3 jest obecnie używana przez wojsko USA. Chociaż nie wprowadzono znaczących zmian w podstawowej technologii w porównaniu do generacji 2, te noktowizory mają jeszcze lepszą rozdzielczość i czułość. Wynika to z faktu, że fotokatoda jest wykonana z arsenku galu, który bardzo wydajnie przekształca fotony w elektrony. Ponadto MCP jest pokryty barierą jonową, co znacznie wydłuża żywotność lampy.
Generacja 4 – Powszechnie określana jako Generacja 4 lub technologia “filmu i migawki”, wykazuje znaczną ogólną poprawę zarówno w warunkach słabego, jak i silnego oświetlenia. Usunięcie bariery jonowej z MCP, która została dodana w technologii generacji 3, zmniejsza szum tła, a tym samym poprawia stosunek sygnału do szumu.
Usunięcie warstwy jonowej w rzeczywistości pozwala większej liczbie elektronów dotrzeć do etapu wzmocnienia, co skutkuje znacznie mniej zniekształconym i jaśniejszym obrazem. Dodanie automatycznego systemu zasilania pozwala na szybkie włączanie i wyłączanie napięcia fotokatody, umożliwiając CCD natychmiastową reakcję na zmienne warunki oświetleniowe.
Ta funkcja ma kluczowe znaczenie dla systemów noktowizyjnych, ponieważ pozwala użytkownikowi szybko przełączać się z wysokiego na niskie oświetlenie (lub z niskiego na wysokie) bez żadnego wpływu na wydajność.
Na przykład, pomyśl o typowej scenie filmowej, w której agent noszący gogle noktowizyjne staje się “ślepy”, gdy ktoś włącza światło w pobliżu. Dzięki nowej funkcji zasilania w obwodzie zamkniętym zmiana oświetlenia nie będzie miała takiego efektu; zaawansowane urządzenie noktowizyjne natychmiast zareaguje na zmianę oświetlenia.
Wiele tak zwanych “tanich” lunet noktowizyjnych wykorzystuje technologię generacji 0 lub generacji 1 i mogą one rozczarowywać, jeśli oczekujesz czułości urządzeń używanych przez profesjonalistów. Urządzenia noktowizyjne generacji 2, 3 i 4 są zazwyczaj drogie, ale będą działać przez długi czas, jeśli będą odpowiednio konserwowane. Dodatkowo, każdy NVD może korzystać z oświetlacza podczerwieni w bardzo ciemnych miejscach, gdzie jest mało lub nie ma światła otoczenia do zbierania danych.
Warto zauważyć, że każda pojedyncza tuba wzmacniacza obrazu jest poddawana rygorystycznym testom w celu zapewnienia zgodności z wymaganiami określonymi przez wojsko. Lampy spełniające te wymagania są klasyfikowane jako MILSPEC. Tuby, które nie spełniają wymagań wojskowych w co najmniej jednej kategorii, są klasyfikowane jako COMSPEC.
Urządzenia noktowizyjne i ich zastosowanie
Urządzenia noktowizyjne można podzielić na trzy szerokie kategorie:
- Celowniki – zwykle ręczne lub montowane na broni, monokularowe (z jednym okularem). Ponieważ lunety są noszone, a nie noszone jak okulary, dobrze nadają się do lepszego przyjrzenia się konkretnemu obiektowi, a następnie powrotu do normalnych warunków widzenia.
- Okulary – choć okulary można trzymać w dłoni, najczęściej nosi się je na głowie. Okulary są dwuokularowe (z dwoma okularami) i mogą mieć pojedynczą soczewkę lub soczewkę stereo, w zależności od modelu. Okulary świetnie nadają się do ciągłej obserwacji, na przykład podczas poruszania się w ciemnym pomieszczeniu.
- Kamery – Kamery z technologią noktowizyjną mogą przesyłać obraz do monitora w celu wyświetlenia lub do rejestratora wideo w celu nagrania. Gdy noktowizor jest wymagany w stałej lokalizacji, na przykład na budynku lub jako część wyposażenia helikoptera, używane są kamery wideo. Wiele nowszych kamer ma wbudowany noktowizor.
Typowe zastosowania noktowizorów obejmują
- Wojsko
- Egzekwowanie prawa
- Polowanie
- Nadzór nad dzikimi zwierzętami
- Nadzór
- Bezpieczeństwo
- Nawigacja
- Wykrywanie ukrytych obiektów
- Rozrywka
Pierwotnym celem urządzeń noktowizyjnych było wykrywanie wrogich celów w nocy. Nadal są one szeroko wykorzystywane przez wojsko do tego celu, a także do nawigacji, nadzoru i celowania. Policja i służby bezpieczeństwa często korzystają z technologii termowizyjnych i technologii poprawy obrazu, zwłaszcza do nadzoru. Myśliwi i entuzjaści przyrody używają kamer termowizyjnych do manewrowania w lesie w nocy.
Detektywi i prywatni detektywi używają urządzeń noktowizyjnych, aby mieć oko na osoby, które mają śledzić. Wiele firm zainstalowało na stałe kamery noktowizyjne, aby monitorować swoje otoczenie.
Naprawdę niesamowitą zdolnością termowizji jest to, że ujawnia, czy obszar został naruszony – może pokazać, że ziemia została rozkopana, aby coś zakopać, nawet jeśli gołym okiem nie widać żadnych śladów. Organy ścigania wykorzystują tę metodę do identyfikacji przedmiotów ukrytych przez przestępców, w tym pieniędzy, narkotyków i ciał. Ponadto ostatnie zmiany w obszarach takich jak ściany można zobaczyć za pomocą termowizji, co dostarczyło ważnych wskazówek w kilku sprawach.
Wiele osób zaczyna odkrywać wyjątkowy świat, który można znaleźć po zmroku. Jeśli często wędrujesz lub polujesz, istnieje duże prawdopodobieństwo, że urządzenia noktowizyjne okażą się przydatne – po prostu upewnij się, że wybrałeś odpowiedni typ dla swoich potrzeb.
