Узнайте как работает прибор ночного видения и на каких двух основных технологиях построена его работа, а также все о его применении.
Первое, о чем вы, вероятно, думаете, когда слышите слова “ночное видение”, – это о шпионском фильме или боевике, в котором кто-то надевает очки ночного видения, чтобы найти кого-то другого в темном здании безлунной ночью. И вы, возможно, задавались вопросом: “Действительно ли эти вещи работают? Действительно ли вы можете видеть в темноте?”
Ответ, безусловно, да. С помощью надлежащего оборудования ночного видения вы можете увидеть человека, который стоит на расстоянии более 183 м. от вас в безлунную, облачную ночь! Ночное видение может работать двумя очень разными способами, в зависимости от используемой технологии.
Что такое свет и какие его основные характеристики?
Усиление изображения – эта технология собирает крошечное количество света, включая нижнюю часть инфракрасного спектра, которая присутствует, но может быть незаметной для наших глаз, и усиливает его до такой степени, что мы можем легко наблюдать изображение.
Тепловизионное изображение – эта технология работает путем захвата верхней части инфракрасного спектра света, которая излучается объектами в виде тепла, а не просто отражается в виде света. Горячие объекты, такие как теплые тела, излучают больше этого света, чем холодные объекты, такие как деревья или здания.
В этой статье вы узнаете о том, как работает прибор ночного видения, об этих двух основных технологиях ночного видения. Мы также обсудим различные типы приборов ночного видения и их применение. Но сначала поговорим об инфракрасном свете.
Как работает прибор ночного видения: наука, которая за этим стоит
Инфракрасный свет
Инфракрасный свет – это небольшая часть светового спектра. Для того, чтобы понять, что такое ночное видение, важно кое-что знать о свете. Количество энергии в световой волне зависит от ее длины: Более короткие волны имеют большую энергию. В видимом свете больше всего энергии имеет фиолетовый цвет, а меньше всего – красный. Рядом со спектром видимого света находится инфракрасный спектр.
Инфракрасный свет можно разделить на три категории:
- Ближний инфракрасный (ближний ИК) – ближайший к видимому свету, ближний ИК имеет длину волн от 0,7 до 1,3 микрона, или от 700 миллиардных до 1,300 миллиардных долей метра.
- Средний инфракрасный (средний ИК) – средний ИК имеет длину волн от 1,3 до 3 микрон. Как ближний, так и средний инфракрасный диапазоны используются различными электронными устройствами, включая пульты дистанционного управления.
- Тепловой инфракрасный (thermal-IR) – занимает большую часть инфракрасного спектра, имеет длину волн от 3 микрон до более 30 микрон.
Ключевое отличие инфракрасного излучения от двух других заключается в том, что оно излучается объектом, а не отражается от него. Инфракрасный свет излучается объектом из-за того, что происходит на атомном уровне.
Атомы
Атомы постоянно находятся в движении. Они непрерывно вибрируют, движутся и вращаются. Даже атомы, из которых состоят стулья, на которых мы сидим, движутся. Твердые тела на самом деле находятся в движении! Атомы могут находиться в разных состояниях возбуждения. Другими словами, они могут иметь разную энергию. Если мы приложим к атому много энергии, он может покинуть так называемый основной энергетический уровень и перейти на возбужденный уровень. Уровень возбуждения зависит от количества энергии, которую мы прикладываем к атому с помощью тепла, света или электричества.
Что лучше тепловизор или прибор ночного видения?
Атом состоит из ядра (содержащего протоны и нейтроны) и электронного облака. Представьте себе, что электроны в этом облаке вращаются вокруг ядра по многим разным орбитам. Хотя более современные взгляды на атом не изображают дискретных орбит для электронов, может быть полезно думать об этих орбитах как о различных энергетических уровнях атома. Другими словами, если мы приложим к атому определенное количество тепла, мы можем ожидать, что некоторые электроны с более низких энергетических орбит перейдут на более высокие энергетические орбиты, удаляясь от ядра.
Как только электрон переходит на более высокую энергетическую орбиту, он в конце концов хочет вернуться в основное состояние. Когда это происходит, он испускает свою энергию в виде фотона – частицы света. Вы видите, как атомы постоянно высвобождают энергию в виде фотонов.
Например, когда нагревательный элемент в тостере становится ярко-красным, красный цвет вызван атомами, возбужденными теплом, которые испускают красные фотоны. Возбужденный электрон имеет больше энергии, чем расслабленный, и так же, как электрон поглотил определенное количество энергии, чтобы достичь этого возбужденного уровня, он может излучать эту энергию, чтобы вернуться в основное состояние.
Эта излучаемая энергия имеет форму фотонов (световой энергии). Излучаемый фотон имеет очень специфическую длину волны (цвет), которая зависит от энергетического состояния электрона в момент излучения фотона.
Все живое использует энергию, так же как и многие неживые предметы, такие как двигатели и ракеты. Потребление энергии генерирует тепло. В свою очередь, тепло заставляет атомы в объекте испускать фотоны в тепловом инфракрасном спектре. Чем горячее объект, тем короче длина волны инфракрасного фотона, который он излучает.
Очень горячий объект начнет излучать фотоны даже в видимом спектре, светясь красным цветом, а затем переходя к оранжевому, желтому, синему и, наконец, белому.
В системах ночного видения тепловизионное изображение использует преимущества этого инфракрасного излучения. В следующем разделе мы увидим, как это происходит.
Тепловизионное изображение и как работает тепловизор
Специальная линза фокусирует инфракрасный свет, излучаемый всеми объектами в поле зрения.
Сфокусированный свет сканируется фазированной решеткой инфракрасных детекторных элементов. Элементы детектора создают очень подробную температурную картину, которая называется термограммой. Массив детекторов получает информацию о температуре, необходимую для построения термограммы, всего за тридцатую долю секунды. Эта информация получается из нескольких тысяч точек в поле зрения детектора.
Термограмма, созданная элементами детектора, преобразуется в электрические импульсы.
Импульсы поступают на блок обработки сигналов – плату со специальной микросхемой, которая преобразует информацию с элементов в данные для отображения на дисплее.
Блок обработки сигнала отправляет информацию на дисплей, где она отображается разными цветами в зависимости от интенсивности инфракрасного излучения. Комбинация всех импульсов от всех элементов создает изображение.
Типы тепловизионных устройств
Большинство тепловизионных устройств сканируют со скоростью 30 раз в секунду. Они могут чувствовать температуру от -4 градусов по Фаренгейту (-20 градусов по Цельсию) до 3600 градусов по Фаренгейту (2000 градусов по Цельсию), и обычно могут обнаруживать изменения температуры примерно на 0,4 градуса по Фаренгейту (0,2 градуса по Цельсию).
Существует два основных типа тепловизионных устройств:
Без охлаждения – это самый распространенный тип тепловизионных устройств. Элементы инфракрасного детектора помещаются в блоке, который работает при комнатной температуре. Этот тип систем работает абсолютно бесшумно, активируется мгновенно и имеет встроенную батарею.
Системы с криогенным охлаждением – более дорогие и более подвержены повреждениям в условиях жесткой эксплуатации, в них элементы запечатаны внутри контейнера, который охлаждает их до температуры ниже 32 F (нуля градусов). Преимуществом такой системы является невероятное разрешение и чувствительность, которые достигаются благодаря охлаждению элементов. Системы с криогенным охлаждением могут “видеть” разницу в 0,2 F (0,1 C) на расстоянии более 300 м, чего достаточно, чтобы определить, держит ли человек оружие на таком расстоянии!
Хотя тепловизионное изображение отлично подходит для обнаружения людей или работы в почти абсолютной темноте, большинство приборов ночного видения используют технологию улучшения изображения.
Усиление изображения
Трубка усилителя изображения преобразует фотоны в электроны и обратно.
Технология улучшения изображения – это то, о чем большинство людей думают, когда вы говорите о ночном видении. На самом деле, системы улучшения изображения обычно называют приборами ночного видения (ПНВ). Устройства ночного видения используют специальную трубку, называемую усилителем изображения, для сбора и усиления инфракрасного и видимого света.
Вот как работает усилитель изображения:
Обычная линза, называемая объективом, улавливает окружающий свет и немного ближнего инфракрасного света.
Собранный свет направляется в трубку усилителя изображения. В большинстве ПНД блок питания трубки усилителя изображения питается от двух N-элементов или двух батареек типа “АА”. Трубка выдает высокое напряжение, около 5 000 вольт, на компоненты электронно-лучевой трубки.
Что такое DARPA? История секретного технологического агентства Пентагона
Трубка усилителя изображения имеет фотокатод, который используется для преобразования фотонов световой энергии в электроны.
Когда электроны проходят через трубку, аналогичные электроны высвобождаются из атомов в трубке, умножая исходное количество электронов в тысячи раз благодаря использованию микроканальной пластины (МКП -MCP) в трубке. MCP – это крошечный стеклянный диск с миллионами микроскопических отверстий (микроканалов), изготовленных с помощью волоконно-оптической технологии.
MCP содержится в вакууме и имеет металлические электроды по обеим сторонам диска. Каждый канал примерно в 45 раз длиннее ширины, и он работает как умножитель электронов. Когда электроны с фотокатода попадают на первый электрод MCP, они ускоряются до стеклянных микроканалов с помощью импульсов напряжением 5 000 В, посылаемых между парой электродов.
Когда электроны проходят через микроканалы, они вызывают высвобождение тысяч других электронов в каждом канале с помощью процесса, называемого каскадной вторичной эмиссией. В основном, начальные электроны сталкиваются со стенкой канала, возбуждая атомы и вызывая высвобождение других электронов. Эти новые электроны также сталкиваются с другими атомами, создавая цепную реакцию, в результате которой тысячи электронов покидают канал, в который вошли только несколько.
Интересным фактом является то, что микроканалы в MCP созданы под небольшим углом (примерно 5-8 градусов), чтобы стимулировать столкновение электронов и уменьшить обратную связь от люминофоров на выходе, как от ионов, так и от прямого света.
На конце трубки усилителя изображения электроны попадают на экран, покрытый люминофорами. Эти электроны сохраняют свое положение по отношению к каналу, через который они прошли, что обеспечивает идеальное изображение, поскольку электроны остаются в том же положении, что и исходящие фотоны. Энергия электронов заставляет люминофоры достигать возбужденного состояния и испускать фотоны. Эти люминофоры создают зеленое изображение на экране, которое стало характерным для ночного видения.
Зеленое люминофорное изображение рассматривается через другую линзу, называемую окулярной линзой, которая позволяет увеличить и сфокусировать изображение. ПНВ может быть подключен к электронному дисплею, такому как монитор, или же изображение можно просматривать непосредственно через окулярную линзу.
Поколение приборов ночного видения (NVD): классификация
Мы узнали о том, как работает прибор ночного видения. Теперь давайте поговорим о классификации самого оборудования. Приборы ночного видения бывают разных стилей, в том числе такие, которые можно устанавливать на камеры. Они существуют уже более 40 лет. Они классифицируются по поколениям. Каждое существенное изменение в технологии NVD создает новое поколение.
Поколение 0 – оригинальная система ночного видения, созданная армией США и используемая во Второй мировой и Корейской войнах, эти приборы ночного видения используют активное инфракрасное излучение. Это означает, что к прибору ночного видения присоединяется проекционный блок, называемый ИК-прожектором.
Он проецирует луч ближнего инфракрасного света, похожий на луч обычного фонарика. Невидимый невооруженным глазом, этот луч отражается от объектов и возвращается обратно к линзе ПЗС. Эти системы используют анод в сочетании с катодом для ускорения электронов.
Проблема такого подхода заключается в том, что ускорение электронов искажает изображение и значительно сокращает срок службы трубки. Другой основной проблемой этой технологии в ее первоначальном военном применении было то, что она была быстро скопирована вражескими странами, что позволило вражеским солдатам использовать собственные приборы ночного видения, чтобы видеть инфракрасный луч, проецируемый устройством.
Поколение 1 – Следующее поколение ПНВ отказалось от активного инфракрасного излучения, вместо этого используя пассивное инфракрасное излучение. Эти ПНВ, которые армия США когда-то назвала “Звездный свет”, используют окружающий свет, исходящий от луны и звезд, для увеличения нормального количества отраженного инфракрасного излучения в окружающей среде.
Это означает, что им не нужен источник проецируемого инфракрасного света. Это также означает, что они не очень хорошо работают в облачные или безлунные ночи. В ПНД 1-го поколения используется та же технология трубки усилителя изображения, что и в ПНД 0-го поколения, с катодом и анодом, поэтому искажение изображения и короткий срок службы трубки все еще остаются проблемой.
Поколение 2 – значительные усовершенствования трубок усилителей изображения привели к появлению приборов ночного видения поколения 2. Они предлагают улучшенное разрешение и производительность по сравнению с устройствами поколения 1 и являются значительно более надежными.
Самым большим преимуществом Поколения 2 является способность видеть в условиях чрезвычайно низкой освещенности, например, в безлунную ночь. Такая повышенная чувствительность достигается благодаря добавлению микроканальной пластины к трубке усилителя изображения. Поскольку MCP фактически увеличивает количество электронов, а не просто ускоряет исходящие, изображения значительно менее искажены и ярче, чем у ПНД предыдущего поколения.
Поколение 3 – Поколение 3 в настоящее время используется американскими военными. Хотя в технологии, лежащей в основе, не произошло существенных изменений по сравнению с поколением 2, эти приборы ночного видения имеют еще лучшее разрешение и чувствительность. Это связано с тем, что фотокатод изготовлен с использованием арсенида галлия, который очень эффективно преобразует фотоны в электроны. Кроме того, MCP покрыт ионным барьером, что значительно увеличивает срок службы трубки.
Поколение 4 – То, что обычно называют поколением 4 или технологией “без пленки и затвора”, демонстрирует значительное общее улучшение как в условиях низкого, так и высокого уровня освещенности. Удаление ионного барьера из MCP, который был добавлен в технологии Поколения 3, уменьшает фоновый шум и, таким образом, улучшает соотношение сигнал/шум.
Удаление ионной пленки фактически позволяет большему количеству электронов достигать каскада усиления, благодаря чему изображение становится значительно менее искаженным и более ярким. Добавление автоматической системы питания позволяет быстро включать и выключать напряжение на фотокатоде, тем самым позволяя ПНВ мгновенно реагировать на колебания условий освещения.
Эта возможность является критически важной для систем приборов ночного видения, поскольку она позволяет пользователю быстро переходить от высокой освещенности к низкой (или от низкой освещенности к высокой) без каких-либо последствий для работы.
Например, вспомним распространенную киносцену, когда агент в очках ночного видения становится “слепым”, когда кто-то включает свет поблизости. С новой функцией закрытого питания изменение освещения не будет иметь такого влияния; усовершенствованный прибор ночного видения будет мгновенно реагировать на изменение освещения.
Многие так называемые “дешевые” прицелы ночного видения используют технологию Поколения-0 или Поколения-1, и они могут разочаровать, если вы ожидаете чувствительности приборов, используемых профессионалами. Приборы ночного видения Поколения-2, Поколения-3 и Поколения-4, как правило, стоят дорого, но они прослужат долго, если за ними правильно ухаживать. Кроме того, любой NVD может выиграть от использования ИК-осветителя в очень темных местах, где почти нет окружающего света для сбора данных.
Стоит отметить, что каждая отдельная трубка усилителя изображения проходит строгие испытания на соответствие требованиям, установленным военными. Трубки, которые соответствуют, классифицируются как MILSPEC. Трубки, которые не соответствуют военным требованиям хотя бы в одной категории, классифицируются как COMSPEC.
Приборы ночного видения и их применение
Приборы ночного видения можно разделить на три большие категории:
- Прицелы – обычно ручные или установленные на оружие, монокулярные (с одним окуляром). Поскольку прицелы переносятся, а не носятся, как очки, они хорошо подходят для того, чтобы лучше рассмотреть определенный объект, а затем вернуться к обычным условиям наблюдения.
- Очки – хотя очки можно держать в руке, чаще всего их носят на голове. Очки бывают бинокулярными (с двумя окулярами) и могут иметь одну линзу или стереолинзу, в зависимости от модели. Очки отлично подходят для постоянного наблюдения, например, при передвижении в темном помещении.
- Камеры – камеры с технологией ночного видения могут передавать изображение на монитор для отображения или на видеомагнитофон для записи. Когда требуется возможность ночного видения в постоянном месте, например, на здании или как часть оборудования в вертолете, используются видеокамеры. Многие новые видеокамеры имеют встроенную функцию ночного видения.
Распространенные сферы применения ночного видения включают в себя
- Военные
- Правоохранительные органы
- Охота
- Наблюдение за дикой природой
- Наблюдение
- Охрана
- Навигация
- Обнаружение скрытых объектов
- Развлечения
Первоначальным назначением приборов ночного видения было обнаружение вражеских целей ночью. Оно все еще широко используется военными для этой цели, а также для навигации, наблюдения и наведения на цель. Полиция и служба безопасности часто используют тепловизионные технологии и технологии улучшения изображения, особенно для наблюдения. Охотники и любители природы используют тепловизоры для маневрирования ночью в лесу.
Детективы и частные расследователи используют приборы ночного видения для наблюдения за людьми, за которыми им поручено следить. Многие предприятия имеют стационарно установленные камеры с функцией ночного видения для наблюдения за окружающей средой.
Действительно удивительной способностью тепловизионного изображения является то, что оно обнаруживает, была ли территория нарушена – оно может показать, что земля была перекопана, чтобы похоронить что-то, даже если невооруженным глазом не видно никаких признаков. Правоохранители используют этот метод для обнаружения предметов, которые были спрятаны преступниками, в частности денег, наркотиков и тел. Кроме того, недавние изменения на таких участках, как стены, можно увидеть с помощью тепловизора, что дало важные зацепки в нескольких делах.
Многие люди начинают открывать для себя уникальный мир, который можно найти после наступления темноты. Если вы часто бываете в походе или на охоте, скорее всего, приборы ночного видения вам пригодятся – просто убедитесь, что вы выбрали правильный тип для своих нужд.
Источник: https://electronics.howstuffworks.com/
