Дізнайтеся як працює прилад нічного бачення та на яких двох основних технологіях побудована його робота, а також все про його застосування.
Перше, про що ви, мабуть, думаєте, коли чуєте слова “нічне бачення”, – це про шпигунський фільм або бойовик, в якому хтось надягає окуляри нічного бачення, щоб знайти когось іншого в темній будівлі безмісячної ночі. І ви, можливо, задавалися питанням: “Чи справді ці речі працюють? Чи дійсно ви можете бачити в темряві?”
Відповідь, безумовно, так. За допомогою належного обладнання нічного бачення ви можете побачити людину, яка стоїть на відстані понад 183 м. від вас у безмісячну, хмарну ніч! Нічне бачення може працювати двома дуже різними способами, залежно від використовуваної технології.
Що краще тепловізор чи прилад нічного бачення?
Посилення зображення – ця технологія збирає крихітну кількість світла, включаючи нижню частину інфрачервоного спектру, яка присутня, але може бути непомітною для наших очей, і підсилює його до такої міри, що ми можемо легко спостерігати зображення.
Тепловізійне зображення – ця технологія працює шляхом захоплення верхньої частини інфрачервоного спектра світла, яка випромінюється об’єктами у вигляді тепла, а не просто відбивається у вигляді світла. Гарячі об’єкти, такі як теплі тіла, випромінюють більше цього світла, ніж холодні об’єкти, такі як дерева або будівлі.
У цій статті ви дізнаєтеся про те, як працює прилад нічного бачення, про ці дві основні технології нічного бачення. Ми також обговоримо різні типи приладів нічного бачення та їх застосування. Але спочатку поговоримо про інфрачервоне світло.
Як працює прилад нічного бачення: наука, яка за цим стоїть
Інфрачервоне світло
Інфрачервоне світло – це невелика частина світлового спектру. Для того, щоб зрозуміти, що таке нічне бачення, важливо дещо знати про світло. Кількість енергії у світловій хвилі залежить від її довжини: Коротші хвилі мають більшу енергію. У видимому світлі найбільше енергії має фіолетовий колір, а найменше – червоний. Поруч зі спектром видимого світла знаходиться інфрачервоний спектр.
Інфрачервоне світло можна розділити на три категорії:
- Ближній інфрачервоний (ближній ІЧ) – найближчий до видимого світла, ближній ІЧ має довжину хвиль від 0,7 до 1,3 мікрона, або від 700 мільярдних до 1,300 мільярдних часток метра.
- Середній інфрачервоний (середній ІЧ) – середній ІЧ має довжину хвиль від 1,3 до 3 мікрон. Як ближній, так і середній інфрачервоний діапазони використовуються різними електронними пристроями, включаючи пульти дистанційного керування.
- Тепловий інфрачервоний (thermal-IR) – займає більшу частину інфрачервоного спектру, має довжину хвиль від 3 мікрон до понад 30 мікрон.
Ключова відмінність інфрачервоного випромінювання від двох інших полягає в тому, що воно випромінюється об’єктом, а не відбивається від нього. Інфрачервоне світло випромінюється об’єктом через те, що відбувається на атомному рівні.
Атоми
Атоми постійно перебувають у русі. Вони безперервно вібрують, рухаються і обертаються. Навіть атоми, з яких складаються стільці, на яких ми сидимо, рухаються. Тверді тіла насправді перебувають у русі! Атоми можуть перебувати в різних станах збудження. Іншими словами, вони можуть мати різну енергію. Якщо ми прикладемо до атома багато енергії, він може покинути так званий основний енергетичний рівень і перейти на збуджений рівень. Рівень збудження залежить від кількості енергії, яку ми підводимо до атома за допомогою тепла, світла або електрики.
Атом складається з ядра (що містить протони і нейтрони) та електронної хмари. Уявіть собі, що електрони в цій хмарі обертаються навколо ядра по багатьох різних орбітах. Хоча більш сучасні погляди на атом не зображують дискретних орбіт для електронів, може бути корисно думати про ці орбіти як про різні енергетичні рівні атома. Іншими словами, якщо ми прикладемо до атома певну кількість тепла, ми можемо очікувати, що деякі електрони з нижчих енергетичних орбіт перейдуть на вищі енергетичні орбіти, віддаляючись від ядра.
Як тільки електрон переходить на більш високу енергетичну орбіту, він зрештою хоче повернутися в основний стан. Коли це відбувається, він випускає свою енергію у вигляді фотона – частинки світла. Ви бачите, як атоми вивільняють енергію у вигляді фотонів постійно.
Наприклад, коли нагрівальний елемент у тостері стає яскраво-червоним, червоний колір спричинений атомами, збудженими теплом, які випускають червоні фотони. Збуджений електрон має більше енергії, ніж розслаблений, і так само, як електрон поглинув певну кількість енергії, щоб досягти цього збудженого рівня, він може випустити цю енергію, щоб повернутися в основний стан.
Ця випромінювана енергія має форму фотонів (світлової енергії). Випромінюваний фотон має дуже специфічну довжину хвилі (колір), яка залежить від енергетичного стану електрона в момент випромінювання фотона.
Все живе використовує енергію, так само як і багато неживих предметів, таких як двигуни та ракети. Споживання енергії генерує тепло. У свою чергу, тепло змушує атоми в об’єкті випускати фотони в тепловому інфрачервоному спектрі. Чим гарячіший об’єкт, тим коротша довжина хвилі інфрачервоного фотона, який він випромінює.
Дуже гарячий об’єкт почне випромінювати фотони навіть у видимому спектрі, світячись червоним кольором, а потім переходячи до помаранчевого, жовтого, синього і, зрештою, білого.
У системах нічного бачення тепловізійне зображення використовує переваги цього інфрачервоного випромінювання. У наступному розділі ми побачимо, як це відбувається.
Тепловізійне зображення та як працює тепловізор:
Спеціальна лінза фокусує інфрачервоне світло, випромінюване всіма об’єктами в полі зору.
Сфокусоване світло сканується фазованою решіткою інфрачервоних детекторних елементів. Елементи детектора створюють дуже детальну температурну картину, яка називається термограмою. Масив детекторів отримує інформацію про температуру, необхідну для побудови термограми, лише за тридцяту долю секунди. Ця інформація отримується з декількох тисяч точок в полі зору детектора.
Термограма, створена елементами детектора, перетворюється в електричні імпульси.
Імпульси надходять на блок обробки сигналів – плату зі спеціальною мікросхемою, яка перетворює інформацію з елементів у дані для відображення на дисплеї.
Блок обробки сигналу надсилає інформацію на дисплей, де вона відображається різними кольорами залежно від інтенсивності інфрачервоного випромінювання. Комбінація всіх імпульсів від усіх елементів створює зображення.
Типи тепловізійних пристроїв
Більшість тепловізійних пристроїв сканують зі швидкістю 30 разів на секунду. Вони можуть відчувати температуру від -4 градусів за Фаренгейтом (-20 градусів за Цельсієм) до 3600 градусів за Фаренгейтом (2000 градусів за Цельсієм), і зазвичай можуть виявляти зміни температури приблизно на 0,4 градуса за Фаренгейтом (0,2 градуса за Цельсієм).
Що таке тепловізор та як він працює?
Існує два основних типи тепловізійних пристроїв:
Без охолодження – це найпоширеніший тип тепловізійних пристроїв. Елементи інфрачервоного детектора містяться в блоці, який працює при кімнатній температурі. Цей тип систем працює абсолютно безшумно, активується миттєво і має вбудовану батарею.
Системи з кріогенним охолодженням – більш дорогі і більш схильні до пошкоджень в умовах жорсткої експлуатації, в них елементи запечатані всередині контейнера, який охолоджує їх до температури нижче 32 F (нуля градусів). Перевагою такої системи є неймовірна роздільна здатність і чутливість, які досягаються завдяки охолодженню елементів. Системи з кріогенним охолодженням можуть “бачити” різницю в 0,2 F (0,1 C) на відстані понад 300 м, чого достатньо, щоб визначити, чи тримає людина зброю на такій відстані!
Хоча тепловізійне зображення чудово підходить для виявлення людей або роботи в майже абсолютній темряві, більшість приладів нічного бачення використовують технологію покращення зображення.
Посилення зображення
Трубка підсилювача зображення перетворює фотони на електрони і назад.
Технологія покращення зображення – це те, про що більшість людей думають, коли ви говорите про нічне бачення. Насправді, системи покращення зображення зазвичай називають приладами нічного бачення (ПНБ). Пристрої нічного бачення використовують спеціальну трубку, яка називається підсилювачем зображення, для збору та підсилення інфрачервоного та видимого світла.
Ось як працює підсилювач зображення:
Звичайна лінза, яка називається об’єктивом, вловлює навколишнє світло і трохи ближнього інфрачервоного світла.
Зібране світло надсилається до трубки підсилювача зображення. У більшості ПНД блок живлення трубки підсилювача зображення живиться від двох N-елементів або двох батарейок типу “АА”. Трубка видає високу напругу, близько 5 000 вольт, на компоненти електронно-променевої трубки.
Що таке DARPA? Історія секретного технологічного агентства Пентагону
Трубка підсилювача зображення має фотокатод, який використовується для перетворення фотонів світлової енергії в електрони.
Коли електрони проходять через трубку, аналогічні електрони вивільняються з атомів у трубці, примножуючи початкову кількість електронів у тисячі разів завдяки використанню мікроканальної пластини (МКП -MCP ) у трубці. MCP – це крихітний скляний диск з мільйонами мікроскопічних отворів (мікроканалів), виготовлених за допомогою волоконно-оптичної технології.
MCP міститься у вакуумі і має металеві електроди по обидва боки диска. Кожен канал приблизно в 45 разів довший за ширину, і він працює як помножувач електронів. Коли електрони з фотокатода потрапляють на перший електрод MCP, вони прискорюються до скляних мікроканалів за допомогою імпульсів напругою 5 000 В, що надсилаються між парою електродів.
Коли електрони проходять через мікроканали, вони спричиняють вивільнення тисяч інших електронів у кожному каналі за допомогою процесу, який називається каскадною вторинною емісією. В основному, початкові електрони зіштовхуються зі стінкою каналу, збуджуючи атоми і викликаючи вивільнення інших електронів. Ці нові електрони також зіштовхуються з іншими атомами, створюючи ланцюгову реакцію, в результаті якої тисячі електронів залишають канал, куди увійшли лише кілька.
Цікавим фактом є те, що мікроканали в MCP створені під невеликим кутом (приблизно 5-8 градусів), щоб стимулювати зіткнення електронів і зменшити зворотний зв’язок від люмінофорів на виході, як від іонів, так і від прямого світла.
На кінці трубки підсилювача зображення електрони потрапляють на екран, покритий люмінофорами. Ці електрони зберігають своє положення по відношенню до каналу, через який вони пройшли, що забезпечує ідеальне зображення, оскільки електрони залишаються в тому ж положенні, що й вихідні фотони. Енергія електронів змушує люмінофори досягати збудженого стану і випускати фотони. Ці люмінофори створюють зелене зображення на екрані, яке стало характерним для нічного бачення.
Зелене люмінофорне зображення розглядається через іншу лінзу, яка називається окулярною лінзою, що дозволяє збільшити і сфокусувати зображення. ПНБ може бути підключений до електронного дисплея, такого як монітор, або ж зображення можна переглядати безпосередньо через окулярну лінзу.
Чому вночі ми майже не розрізняємо кольори?
Покоління приладів нічного бачення (NVD): класифікація
Ми дізналися про те, як працює прилад нічного бачення. Тепер давайте поговоримо про класифікацію самого обладнання. Прилади нічного бачення бувають різних стилів, в тому числі такі, які можна встановлювати на камери. Вони існують вже понад 40 років. Вони класифікуються за поколіннями. Кожна суттєва зміна в технології NVD створює нове покоління.
Покоління 0 – оригінальна система нічного бачення, створена армією США і використовувана у Другій світовій та Корейській війнах, ці прилади нічного бачення використовують активне інфрачервоне випромінювання. Це означає, що до приладу нічного бачення приєднується проекційний блок, який називається ІЧ-прожектор.
Він проектує промінь ближнього інфрачервоного світла, схожий на промінь звичайного ліхтарика. Невидимий неозброєним оком, цей промінь відбивається від об’єктів і повертається назад до лінзи ПЗЗ. Ці системи використовують анод у поєднанні з катодом для прискорення електронів.
Проблема такого підходу полягає в тому, що прискорення електронів спотворює зображення і значно скорочує термін служби трубки. Іншою основною проблемою цієї технології в її первісному військовому застосуванні було те, що вона була швидко скопійована ворожими країнами, що дозволило ворожим солдатам використовувати власні прилади нічного бачення, щоб бачити інфрачервоний промінь, який проектується пристроєм.
Покоління 1 – Наступне покоління ПНБ відійшло від активного інфрачервоного випромінювання, натомість використовуючи пасивне інфрачервоне випромінювання. Ці ПНБ, які армія США колись назвала “Зоряне світло”, використовують навколишнє світло, що надходить від місяця і зірок, для збільшення нормальної кількості відбитого інфрачервоного випромінювання в навколишньому середовищі.
Це означає, що їм не потрібне джерело проектованого інфрачервоного світла. Це також означає, що вони не дуже добре працюють у хмарні або безмісячні ночі. У ПНД 1-го покоління використовується та ж технологія трубки підсилювача зображення, що і в ПНД 0-го покоління, з катодом і анодом, тому спотворення зображення і короткий термін служби трубки все ще залишаються проблемою.
Покоління 2 – значні вдосконалення трубок підсилювачів зображення призвели до появи приладів нічного бачення покоління 2. Вони пропонують покращену роздільну здатність і продуктивність порівняно з пристроями покоління 1 і є значно надійнішими.
Найбільшою перевагою Покоління 2 є здатність бачити в умовах надзвичайно низької освітленості, наприклад, у безмісячну ніч. Така підвищена чутливість досягається завдяки додаванню мікроканальної пластини до трубки підсилювача зображення. Оскільки MCP фактично збільшує кількість електронів, а не просто прискорює вихідні, зображення значно менш спотворені і яскравіші, ніж у ПНД попереднього покоління.
Покоління 3 – Покоління 3 в даний час використовується американськими військовими. Хоча в технології, що лежить в основі, не відбулося суттєвих змін порівняно з поколінням 2, ці прилади нічного бачення мають ще кращу роздільну здатність і чутливість. Це пов’язано з тим, що фотокатод виготовлений з використанням арсеніду галію, який дуже ефективно перетворює фотони на електрони. Крім того, MCP покритий іонним бар’єром, що значно збільшує термін служби трубки.
Покоління 4 – Те, що зазвичай називають поколінням 4 або технологією “без плівки і затвора”, демонструє значне загальне покращення як в умовах низького, так і високого рівня освітленості. Видалення іонного бар’єру з MCP, який був доданий в технології Покоління 3, зменшує фоновий шум і, таким чином, покращує співвідношення сигнал/шум.
Видалення іонної плівки фактично дозволяє більшій кількості електронів досягати каскаду підсилення, завдяки чому зображення стає значно менш спотвореним і яскравішим. Додавання автоматичної системи живлення дозволяє швидко вмикати і вимикати напругу на фотокатоді, тим самим дозволяючи ПНБ миттєво реагувати на коливання умов освітлення.
Ця можливість є критично важливою для систем приладів нічного бачення, оскільки вона дозволяє користувачеві швидко переходити від високої освітленості до низької (або від низької освітленості до високої) без жодних наслідків для роботи.
Наприклад, згадаймо поширену кіносцену, коли агент в окулярах нічного бачення стає “сліпим”, коли хтось вмикає світло поблизу. З новою функцією закритого живлення зміна освітлення не матиме такого впливу; вдосконалений прилад нічного бачення миттєво реагуватиме на зміну освітлення.
Багато так званих “дешевих” прицілів нічного бачення використовують технологію Покоління-0 або Покоління-1, і вони можуть розчарувати, якщо ви очікуєте чутливості приладів, що використовуються професіоналами. Прилади нічного бачення Покоління-2, Покоління-3 і Покоління-4, як правило, коштують дорого, але вони прослужать довго, якщо за ними правильно доглядати. Крім того, будь-який NVD може виграти від використання ІЧ-освітлювача в дуже темних місцях, де майже немає навколишнього світла для збору даних.
Варто зазначити, що кожна окрема трубка підсилювача зображення проходить суворі випробування на відповідність вимогам, встановленим військовими. Трубки, які відповідають, класифікуються як MILSPEC. Трубки, які не відповідають військовим вимогам хоча б в одній категорії, класифікуються як COMSPEC.
Прилади нічного бачення та їх застосування
Прилади нічного бачення можна розділити на три великі категорії:
- Приціли – зазвичай ручні або встановлені на зброю, монокулярні (з одним окуляром). Оскільки приціли переносяться, а не носяться, як окуляри, вони добре підходять для того, щоб краще розглянути певний об’єкт, а потім повернутися до звичайних умов спостереження.
- Окуляри – хоча окуляри можна тримати в руці, найчастіше їх носять на голові. Окуляри бувають бінокулярними (з двома окулярами) і можуть мати одну лінзу або стереолінзу, залежно від моделі. Окуляри відмінно підходять для постійного спостереження, наприклад, при пересуванні в темному приміщенні.
- Камери – камери з технологією нічного бачення можуть передавати зображення на монітор для відображення або на відеомагнітофон для запису. Коли потрібна можливість нічного бачення в постійному місці, наприклад, на будівлі або як частина обладнання в гелікоптері, використовуються відеокамери. Багато нових відеокамер мають вбудовану функцію нічного бачення.
Поширені сфери застосування нічного бачення включають в себе
- Військові
- Правоохоронні органи
- Полювання
- Спостереження за дикою природою
- Спостереження
- Охорона
- Навігація
- Виявлення прихованих об’єктів
- Розваги
Початковим призначенням приладів нічного бачення було виявлення ворожих цілей вночі. Воно все ще широко використовується військовими для цієї мети, а також для навігації, спостереження і наведення на ціль. Поліція і служба безпеки часто використовують тепловізійні технології і технології покращення зображення, особливо для спостереження. Мисливці та любителі природи використовують тепловізори для маневрування вночі в лісі.
Детективи і приватні розслідувачі використовують прилади нічного бачення для спостереження за людьми, за якими їм доручено стежити. Багато підприємств мають стаціонарно встановлені камери з функцією нічного бачення для спостереження за навколишнім середовищем.
Дійсно дивовижною здатністю тепловізійного зображення є те, що воно виявляє, чи була територія порушена – воно може показати, що земля була перекопана, щоб поховати щось, навіть якщо неозброєним оком не видно жодних ознак. Правоохоронці використовують цей метод для виявлення предметів, які були заховані злочинцями, зокрема грошей, наркотиків і тіл. Крім того, нещодавні зміни на таких ділянках, як стіни, можна побачити за допомогою тепловізора, що дало важливі зачіпки в кількох справах.
Багато людей починають відкривати для себе унікальний світ, який можна знайти після настання темряви. Якщо ви часто буваєте в поході або на полюванні, швидше за все, прилади нічного бачення стануть вам у пригоді – просто переконайтеся, що ви обрали правильний тип для своїх потреб.
