Představujete si špionážní film. Hrdina vyleze na temnou zeď. Žádný měsíc. Pouze úplná tma. Poté se zapnou brýle pro noční vidění. Všechno se změní na smaragdově zelené. Cíl se stane viditelným.
Vypadá to jako magie. Ale tohle je fyzika.
Opravdu vidíte ve tmě? Ano. Se správným vybavením můžete za zatažené noci zahlédnout osobu na 200 yardů. Nejedná se o překlep. To je 183 metrů.
Toho lze dosáhnout dvěma způsoby. Nejsou stejní. Většina lidí si je plete.
- Vylepšení obrazu vylepšuje stávající světlo. Zachycuje drobné fotony. Posiluje je, dokud vaše oko něco neuvidí. Využívá spodní část infračerveného spektra.
- Termovizní zobrazení detekuje teplo. Nezajímá ho světlo. Vidí horní část infračerveného spektra. Žhavá těla září. Studené stromy nejsou.
Než zařízení rozebereme, musíme si promluvit o světelném zdroji. Nebo jeho nedostatek.
Porozumění infračervenému světlu
Infračervené světlo je pro lidské oko neviditelné. Ale on je všude. Toto je tepelný podpis světa.
Abychom pochopili, jak funguje noční vidění, musíme se podívat na samotné světlo. Zejména je nutné pochopit vztah mezi energií a vlnovou délkou. Kratší vlny nesou více energie. Ve viditelném spektru má nejvíce energie fialové světlo a nejméně červené světlo. Přímo vedle viditelného světla je infračervené spektrum.
Toto spektrum není monolitické. Je rozdělen do tří různých kategorií, z nichž každá má své vlastní vlastnosti a aplikace.
Analýza infračerveného spektra
- Near-infrared (near-IR) je nejblíže viditelnému světlu. Jeho vlnové délky se pohybují od 0,7 do 1,3 mikronů, což je 700 až 1300 miliardtin metru.
- Střední infračervené (střední IR) pokrývá vlnové délky od 1,3 do 3 mikronů. Blízké infračervené i střední infračervené záření jsou zdroje odraženého světla používané v běžné elektronice, jako jsou dálkové ovladače.
- Tepelné infračervené (termální-IR) zabírá největší část spektra, sahá od 3 mikronů do více než 30 mikronů.
Zde je důležité rozlišení. Blízké a střední infračervené oblasti jsou typicky odražené světlo. Thermal IR je vyzařované světlo.
Vyzařované versus odražené světlo
Proč se tepelné infračervené chová jinak? To je způsobeno atomovou aktivitou.
Všechny objekty vyzařují tepelné infračervené záření v důsledku procesů probíhajících na atomové úrovni. Atomy nejsou nikdy zcela v klidu. Neustále vibrují, pohybují se a rotují. Dokonce i atomy, které tvoří vaši stolici, jsou v pohybu. Pevné látky jsou dynamické.
Tyto atomy existují v různých stavech excitace. To jednoduše znamená, že mají různé energetické úrovně.
Když na atom aplikujete významnou energii – ať už je to teplo, světlo nebo elektřina – atom může opustit svou úroveň primární energie. Jde na vzrušenou úroveň. Stupeň tohoto buzení zcela závisí na množství použité energie.
Atomová struktura a energetické hladiny
Atom se skládá z jádra obsahujícího protony a neutrony, obklopené elektronovým oblakem.
Vizualizace elektronů obíhajících kolem jádra na diskrétních orbitách pomáhá vysvětlit energetické přechody. Ačkoli moderní kvantová mechanika odmítá myšlenku pevných planetárních drah, model zůstává užitečný pro pochopení energetických hladin.
Představte si tyto oběžné dráhy jako specifické energetické stavy. Pokud zahřejete atom, elektrony na nižších energetických drahách se mohou přesunout na vyšší energetické dráhy. Pohybují se dále od jádra. Tento posun energetického stavu způsobuje emisi infračerveného záření, zejména v tepelném rozsahu.
Když se elektron vrátí z oběžné dráhy s vyšší energií do základního stavu, jen tak nezmizí. Potřebuje se zbavit přebytečné energie. Dělá to tak, že emituje foton, což je v podstatě balíček světla. Tuto fyziku můžete neustále vidět v akci. Vzpomeňte si na topné spirály v toustovači, které se zbarví jasně červeně. Tato rudá záře není magie. Jsou to atomy excitované teplem, emitující červené fotony, když se jejich elektrony vracejí do svých původních poloh. Excitovaný elektron má více energie než klidný elektron. Aby se dostal na vyšší úroveň, absorbuje energii. Když padá zpět, uvolňuje stejné množství energie ve formě světla. Vlnová délka nebo barva tohoto fotonu zcela závisí na energetické mezeře, kterou elektron prošel.
Živé věci využívají energii. Motory spotřebují energii. I raketa využívá energii. Kdekoli vidíte spotřebu energie, tam je odpadní teplo. Toto teplo způsobuje, že atomy objektu vibrují, což způsobuje, že emitují fotony v infračerveném spektru. Toto je přímé spojení. Čím je objekt teplejší, tím kratší je vlnová délka infračerveného fotonu, který vyzařuje. Pokud zvýšíte teplotu dostatečně vysoko, objekt začne zářit ve viditelném spektru. Přechází od neviditelného infračerveného tepelného podpisu k matné červené záři, pak oranžové, žluté, modré a nakonec bílé. Pokud chcete hlouběji porozumět mechanice emise fotonů, můžete studovat, jak fungují lasery nebo jak fungují žárovky. Ale zařízení pro noční vidění a termovizi spoléhají na toto specifické chování infračerveného záření.
Mechanika tepelné detekce
Termovizní kamery nevidí viditelné světlo jako naše oči. Detekují infračervené záření, které vyzařují všechny objekty s teplotou nad absolutní nulou. To je důvod, proč je termovize užitečná v úplné tmě nebo v kouři. Kamera převádí tyto neviditelné infračervené vlny na obraz, který můžeme vidět.
Různé materiály vyzařují teplo různými způsoby. To se měří pomocí indikátoru zvaného emisivita. Hladký kovový povrch může odrážet infračervené záření místo toho, aby vyzařoval své vlastní, což může způsobit, že na termokameře bude vypadat chladněji, než ve skutečnosti je. Toto je běžná chyba při použití termovizního zařízení k řešení problémů. Můžete přehlédnout elektrické horké připojení, protože kryt je příliš reflexní. Matné povrchy, jako je dřevo nebo plast, vyzařují teplo přesněji a jsou zobrazeny jasně.
Rozlišení tepelného obrazu nesouvisí s pixely v tradičním slova smyslu. Je spojena s citlivostí na teplotu. Dobrá termokamera dokáže detekovat teplotní rozdíly již od 0,05 stupně Celsia. Tato citlivost vám umožňuje identifikovat únik tepla ve stěně nebo vadnou součást v serverovém racku. Technologie je vyspělá, ale není neomylná. Hodnoty mohou ovlivnit faktory prostředí, jako je vlhkost a okolní teplota. Je třeba vzít v úvahu životní prostředí.
Jak termokamery vidí teplo
Pravděpodobně jste viděli barevné tepelné mapy ve filmech nebo zprávách, ale skutečné mechanismy fungují úžasně rychle. Vše začíná speciálním objektivem. Tato čočka zachycuje infračervené záření vycházející z každého objektu v záběru. Není to magie. Je to jen fyzika zaměřená na energii.
Toto záření dopadá na fázovanou řadu prvků detektoru. Představte si mřížku. Tyto senzory vytvářejí podrobnou teplotní mapu známou jako termogram. Celý proces trvá asi jednu třicetinu sekundy. Třicet sekund? Ne. Třicet tisíc sekund. Je to téměř okamžité.
Tato data pocházejí z tisíců jednotlivých bodů v zorném poli. Na každém bodu záleží. Detektory vidí víc než jen „teplo“ nebo „studeno“. Zaznamenávají přesné změny teploty. Tento teplotní vzor se převádí na elektrické impulsy. Surová data jsou stále k ničemu. Potřebují překlad.
Tyto impulsy jsou odesílány do jednotky zpracování signálu. Jedná se o desku plošných spojů se specializovaným čipem. Čip převádí nezpracovaná data senzoru na informace čitelné pro člověka. Zpracovává data z prvků a připravuje je k zobrazení na obrazovce.
Nakonec se rozsvítí displej. Obraz se zobrazí v různých barvách v závislosti na intenzitě infračerveného záření. Teplejší oblasti mohou být bílé nebo červené. Chladnější oblasti jsou modré nebo černé. Souhrn všech impulsů ze všech prvků tvoří konečný obraz. Díváte se na živý snímek tepla.
Proč je tato rychlost důležitá? V prostředí nouzové reakce může být jedna třicátá sekunda okna rozdílem mezi zpozorováním oběti a procházením kolem ní. V průmyslové údržbě to umožňuje identifikovat vadný motor dříve, než způsobí požár v závodě. Technologie je jednoduchá. Aplikace je kritická.
“Termogram vytvořený prvky detektoru je převeden na elektrické impulsy.”
Zařízení je stále levnější. Nyní můžete připojit příslušenství pomocí podobných principů jako chytré telefony. Už nepotřebujete vojenské zařízení, abyste viděli tepelné podpisy. Vstupní práh se snižuje.
Ale existují omezení. Povolení. Standardní termokamery mají často mnohem méně pixelů než viditelné kamery. Ukazují vám kde je teplo. Ale ne vždy jasně ukazují co to je. Rozmazaná červená skvrna může být osoba. Může to být horká trubka. Kontext je kritický.
Zlepšilo se však zpracování signálu. Umělá inteligence pomáhá čipům rozpoznávat tvary v tepelných datech. To snižuje nejednoznačnost. Rychleji získáte jasnější obraz. Nová generace zařízení bude dělat víc než jen zobrazovat teplotu. Budou to interpretovat.
Kam tato technologie směřuje? Menší senzory. Vyšší rozlišení. Přístupnější možnosti vstupu. Technologie se přesouvá od specializovaných nástrojů ke každodennímu příslušenství. Můžete je nosit na sobě. Můžete je nosit s sebou. Náš způsob vnímání světa se posouvá směrem k neviditelnému spektru.
Nechlazené a chlazené senzory
Většina termokamer aktualizuje snímky rychlostí 30 snímků za sekundu. Toto je standardní frekvence. Rozsah měřených teplot je velmi široký: od -4°F do 3600°F, což odpovídá -20°C až 2000°C. Zaznamenávají malé změny teploty, typicky 0,4 °F, u některých modelů až 0,2 °F. Hardware, který tuto přesnost poskytuje, se dělí na dva typy.
Nechlazené detektory jsou něco, co uvidíte všude. Čidlo pracuje při pokojové teplotě. Žádný hluk. Zařízení se okamžitě zapne. Baterie je zabudována v pouzdře. Získáte obrázek. Funguje to.
Kryogenně chlazené senzory jsou jiný příběh. Jsou dražší. Jsou křehčí a při pádu snadno selžou. Jejich prvky jsou utěsněny a chlazeny pod nulu. za co? Pro rozlišení a citlivost. Takové systémy jsou schopny detekovat rozdíly 0,2 °F ze vzdálenosti více než 1 000 stop (300 metrů). Na takovou vzdálenost je možné zjistit, zda člověk drží v rukou zbraň. Tato úroveň detailů stojí za příplatek.
Technologie pro vylepšení obrazu
Termovize funguje dobře v úplné tmě. Také snadno detekuje lidi. Většina přístrojů pro noční vidění však využívá technologii vylepšení obrazu. Není to totéž.
Vylepšení obrazu zvyšuje dostupný světelný výkon. Díky tomu je obraz jasnější. Neuzavírá se v teple. Registruje fotony. Termovize zachycuje infračervené záření. Tento rozdíl je důležitý při výběru vybavení.
Pokud potřebujete přečíst nápis ve tmě, pomůže vám vylepšení obrazu. Pokud potřebujete najít tělo na poli, pomůže termokamera. Slouží různým účelům. Technologie rozdělují trh napůl. Jedna strana hledá světlo, druhá teplo.
Jak vlastně funguje vylepšení obrazu
Když uslyšíte „noční vidění“, pravděpodobně se vám vybaví klasická zelená záře. Jedná se o vylepšení obrazu, technicky známé jako zařízení pro noční vidění (NVD). Tyto systémy nevytvářejí světlo. Berou to, co už tam je: světlo hvězd, měsíční světlo nebo blízké infračervené záření a zesilují to na úroveň, kterou lidské oko vidí.
Kouzlo se odehrává uvnitř elektronově-optického převodníku (EOC).
Proces začíná čočkou. Tento přední skleněný prvek shromažďuje fotony z prostředí. Většina je ve viditelném spektru, ale zesilovač obrazu je dostatečně citlivý, aby zachytil i některé blízké infračervené paprsky. Jakmile se shromáždí, světlo vstoupí do srdce zařízení: do samotného elektronově-optického převodníku.
Toto zařízení obvykle vyžaduje k napájení dvě baterie N-Cell (D) nebo AA. Vnitřní obvody zesilovače obrazu zvyšují napětí na přibližně 5000 voltů. Právě toto vysoké napětí pohání proces násobení elektronů.
Uvnitř tubusu je fotokatoda. Když na něj dopadnou fotony, fotokatoda přemění světelnou energii na elektrony. Toto je první krok k přeměně světla na viditelný obraz.
Jeden elektron ale nestačí. Systém potřebuje tisíce.
Zde přichází na řadu mikrokanálová deska (MCP). Představte si mikroskopické síto. MCP je malý skleněný disk zapuštěný do milionů tenkých děr vytvořených pomocí technologie optických vláken. Je ve vakuu, sevřený mezi kovové elektrody. Každý mikrokanál je přibližně 45krát delší, než je široký.
To je podstata. Když elektrony z fotokatody dopadnou na první elektrodu, 5000voltový puls je urychlí do skleněných mikrokanálů. Tyto kanály jsou mírně nakloněny – 5 až 8 stupňů – takže elektrony narážejí spíše na stěny, než aby jimi procházely přímo.
Tato kolize způsobí kaskádovou sekundární emisi. Srážka vybudí atomy ve skle a uvolní další elektrony. Tyto nové elektrony se srazí s jinými atomy a vytvoří řetězovou reakci. Vstoupí několik elektronů; vycházejí tisíce. MCP znásobuje signál tisíckrát bez zkreslení obrazu.
Na konci trubice tyto zesílené elektrony narazí na fosforem potažené stínítko. Elektrony si zachovávají svou prostorovou korespondenci s původními fotony. Tím je zachována integrita obrazu. Energie excituje fosfory, které pak uvolňují své vlastní fotony.
Lidské oko je nejcitlivější na zelené světlo. Proto je výsledný obrázek zelený. Není to svévolné. To je podmíněno biologicky.
Nakonec okulár zvětší a zaostří tento zelený fosforový obraz pro pozorovatele. Můžete se přes to podívat. Nebo ve složitějších systémech je signál odeslán na elektronický monitor nebo displej.
Generace
Technologie nezůstala statická. Vojenský a komerční trh vyvinul elektro-optický převodník do různých generací. Nejsou to jen marketingové zkratky. Představují skutečné skoky v citlivosti, rozlišení a odolnosti.
Technologie nočního vidění existuje již více než 40 let. Průmysl klasifikuje tato zařízení podle generace. Každý významný skok ve schopnosti představuje novou úroveň.
Generace 0: Aktivní infračervené
Přístroje Generace 0 jsou předchůdci moderních přístrojů pro noční vidění. Americká armáda je vyvinula pro použití během druhé světové války a války v Koreji. Spoléhají na aktivní infračervené pásmo. Tento systém vyžaduje IR iluminátor připojený k zařízení. Iluminátor promítá blízké infračervené světlo. Funguje jako baterka, ale její paprsek je pouhým okem neviditelný.
Světlo se odráží od předmětů a vrací se do čočky. Uvnitř trubice anoda a katoda urychlují elektrony. Tento přístup má nevýhody. Zrychlení elektronů zkresluje obraz. Tím se také zkracuje životnost trubky. Vojenská strategie rychle selhala. Nepřátelské země tuto technologii zkopírovaly. Nepřátelští vojáci používali svá vlastní zařízení pro noční vidění (NVG) k detekci IR paprsku. Být si všiml se stávalo vážnou nevýhodou.
Generace 1: Pasivní hvězdné osvětlení
Generace 1 opustila aktivní projekci. Využívá pasivní infračervené pásmo. Americká armáda tuto technologii nazvala Starlight. Shromažďuje okolní světlo z měsíce a hvězd. To zvýšilo přirozené odražené infračervené záření v prostředí. Projektovaný paprsek nebyl vyžadován. To poskytovalo výhody stealth.
Byly tam i nevýhody. Tato zařízení nefungovala dobře za zamračených nocí nebo bezměsíčných nocí, kdy nebylo dostatek okolního světla. Technicky použili stejnou trubici pro vylepšení obrazu jako generace 0. Katody a anody byly stále přítomny. Zkreslení obrazu přetrvávalo. Životnost trubek zůstala problémem.
Generace 2: Mikrokanálová deska
Generace 2 přinesla významná hardwarová vylepšení. Rozlišení a výkon se ve srovnání s 1. generací zlepšily. Spolehlivost se výrazně zvýšila. Charakteristickým rysem byla schopnost pracovat při extrémně nízké úrovni osvětlení. I bezměsíčná noc se dala zvládnout.
Klíčovým doplňkem byla mikrokanálová destička (MCP ) v trubici pro zesílení obrazu. MCP nejen urychluje existující elektrony. Zvyšuje celkový počet elektronů. Toto vylepšení vytváří jasnější snímky. Ve srovnání s předchozími generacemi je zkreslení výrazně sníženo.
Generace 3: Gallium Arsenid
Generace 3 je současný standard pro vojenské operace USA. Technologie jádra připomíná generaci 2. Vylepšení jsou na první pohled jemná, ale mají výrazný dopad. Rozlišení a citlivost jsou vyšší.
Fotokatoda je nyní vyrobena z arsenidu galia. Tento materiál je extrémně účinný při přeměně fotonů na elektrony. Používá se také iontová bariéra na MCP. Tento povlak výrazně prodlužuje životnost trubky. Kvalita obrazu bude jasnější.
Generace 4: Bez filmu a uzavřená
Generace 4, často označovaná jako „bezfilmová a uzavřená“ technologie, nabízí významná vylepšení. Funguje to skvěle jak za špatných, tak i za vysokých světelných podmínek. Iontová bariéra na MCP byla odstraněna. Toto snížení šumu na pozadí zlepšuje poměr signálu k šumu. Více elektronů dosáhne stupně zesílení. Obrázky budou jasnější a méně zkreslené.
Důležitým doplňkem je automaticky řízené napájení. Tento systém rychle zapíná a vypíná napětí na fotokatodě. NVG okamžitě reaguje na výkyvy v osvětlení. Uživatelé se mohou pohybovat z jasně osvětleného prostředí do tmavého, aniž by byli oslněni.
Vzpomeňte si na filmový trop, kde agent oslepne, když se rozsvítí světla. Generace 4 NVG eliminují tento oslepující efekt. Reakce nastává okamžitě.
Nákupní tipy a standardy
Mnoho „rozpočtových“ oborů používá technologii Generace 0 nebo Generace 1. Očekávejte, že budete zklamáni, pokud hledáte citlivost na profesionální úrovni. Zařízení generace 2, generace 3 a generace 4 jsou drahá. Při správné péči vydrží déle. Jakékoli NVD může používat IR iluminátor v oblastech téměř bez okolního světla.
Ne všechny trubky jsou stejné. Každá trubice pro zesílení obrazu prochází přísným vojenským testováním. Vyhovující zkumavky jsou MILSPEC (Military Spec). Ty, které nesplňují alespoň jedno kritérium, jsou klasifikovány jako COMSPEC (komerční standard). Při porovnávání specifikací je důležité znát rozdíl.
Mířidla vs brýle vs fotoaparáty
Při výběru zařízení pro noční vidění máte na výběr. V průmyslu se zařízení obecně dělí do tří kategorií.
Mířidla jsou buď ruční, nebo namontovaná na zbraň. Jsou monokulární, což znamená, že vidíte jedním okem. To je výhodné, protože zařízení můžete spustit a okamžitě se vrátit k normálnímu dennímu vidění. Po dlouhém zírání na zelenou obrazovku nemusíte čekat, až se vaše oči přizpůsobí.
Brýle se obvykle připevňují na hlavu. Jsou binakulární, poskytují binokulární vidění a vnímání hloubky oběma očima. Některé modely používají systém jedné čočky, jiné používají stereo čočky. Ať už se pohybujete v temné budově nebo sledujete hru v lese, nepřerušovaná viditelnost je rozhodující. Tady vyhrávají body.
Fotoaparáty nabízejí jiný přístup. Zobrazují obrázky na monitorech nebo je nahrávají přímo na média. Zvažte trvalé instalace na budovách nebo helikoptérách. Mnoho moderních videokamer má již zabudovanou technologii nočního vidění. Jde o dokumentaci a pozorování, nejen o vizuální kontrolu.
Proč potřebujeme noční vidění
Původní cíl byl jednoduchý: nenechat se zastřelit nepřáteli, které nevidíte. V této oblasti stále dominuje armáda. Noční vidění využívají k navigaci, zaměřování a sledování.
Ale teď to nepotřebují jen vojáci.
Policie a bezpečnostní společnosti využívají jak termovizní kamery, tak technologie zesilování obrazu. Lovci a milovníci přírody používají zařízení pro noční vidění (NVG) k navigaci v lesích, aby se vyhnuli zakopnutí o kořeny stromů. Detektivové a soukromí detektivové sledují předměty ve tmě. Podniky instalují pevné kamery, aby monitorovaly svůj obvod.
Existuje zvláštní užitečnost termovize, která působí téměř mysticky. Zjišťuje nesrovnalosti. Pokud někdo vykopal kus země, aby zakopal drogy, peníze nebo tělo, tepelný podpis narušené půdy se liší od okolní půdy. Nemusíte vidět díru, abyste věděli, že tam je. Změny stěn nebo konstrukcí se projevují jako teplotní anomálie. To pomohlo vyřešit případy, kdy nebylo nic podezřelého vidět pouhým okem.
Časté dotazy k ověření faktů
Lidé si kladou stejné otázky. Zde je to, co data skutečně říkají.
Fungují brýle pro noční vidění v úplné tmě?
Ano. Spoléhají na tepelnou energii. Detekují teplo z předmětů v okolí fotoaparátu nebo oka. Nevyžaduje okolní světlo.
Můžete na svém telefonu získat noční vidění?
Částečně. Existují aplikace pro Android, jako je Night Vision Camera, které vylepšují fotografie při slabém osvětlení. Toto jsou softwarové triky, ne skutečné optické noční vidění. Ale výrazně zlepšují kvalitu střelby.
Jak daleko dohlédne dalekohled pro noční vidění?
Na rozsahu záleží. Většina standardních dalekohledů poskytuje dobrý obraz až do vzdálenosti 800 stop (přibližně 244 metrů). Na větší vzdálenost je obraz zrnitý. Před nákupem zkontrolujte specifikace.
Jsou brýle pro noční vidění v Kanadě legální?
Zařízení 1. a 2. generace jsou legální. Patří sem monokuláry a puškohledy. Můžete je vlastnit. Jen je nepoužívejte k obtěžování lidí.
Jak dobré je noční vidění člověka?
Jsme denní zvířata. Naše oči jsou stvořeny pro denní světlo. V noci vidíme velmi špatně. Noční zvířata nás v tomto vždy předčí.
Výsledky
Svět se po západu slunce změní. Toto je jiný ekosystém. Pokud kempujete nebo lovíte, zařízení pravděpodobně stojí za to. Jen se ujistěte, že jste vybrali správný typ pro konkrétní úkol.
Zvláštní poděkování patří ITT Industries, B.E. Meyers & Co. a Infrared, Inc. za poskytnutou pomoc.
