Вы представляете шпионский фильм. Герой взбирается по темной стене. Нет луны. Только полная темнота. Затем включаются очки ночного видения. Всё становится изумрудно-зелёным. Цель становится видимой.
Это выглядит как магия. Но это физика.
Можно ли на самом деле видеть в темноте? Да. При наличии соответствующего оборудования вы можете заметить человека на расстоянии 200 ярдов в пасмурную ночь. Это не опечатка. Это 183 метра.
Есть два способа实现 этого. Они не одинаковы. Большинство людей путают их.
- Усиление изображения усиливает существующий свет. Оно улавливает крошечные фотоны. Усиливает их до тех пор, пока ваш глаз не увидит что-то. Оно использует нижнюю часть инфракрасного спектра.
- Тепловизионное изображение обнаруживает тепло. Ему не важен свет. Оно видит верхнюю часть инфракрасного спектра. Горячие тела светятся. Холодные деревья — нет.
Прежде чем разбирать оборудование, нам нужно поговорить об источнике света. Или его отсутствии.
Понимание инфракрасного света
Инфракрасный свет невидим для человеческого глаза. Но он повсюду. Это тепловая подпись мира.
Чтобы понять, как работает ночное видение, нужно рассмотреть сам свет. В частности, необходимо понять связь между энергией и длиной волны. Более короткие волны несут больше энергии. В видимом спектре фиолетовый свет обладает наибольшей энергией, а красный — наименьшей. Непосредственно рядом с видимым светом находится инфракрасный спектр.
Этот спектр не является монолитным. Он делится на три различные категории, каждая из которых обладает своими свойствами и областями применения.
Разбор инфракрасного спектра
- Ближний инфракрасный диапазон (near-IR) находится ближе всего к видимому свету. Его длины волн варьируются от 0,7 до 1,3 микрон, что составляет от 700 до 1300 миллиардных долей метра.
- Средний инфракрасный диапазон (mid-IR) охватывает длины волн от 1,3 до 3 микрон. И ближний, и средний ИК-диапазоны представляют собой источники отраженного света, используемые в обычной электронике, такой как пульты дистанционного управления.
- Тепловой инфракрасный диапазон (thermal-IR) занимает наибольшую часть спектра, простираясь от 3 микрон до более чем 30 микрон.
Здесь важно различие. Ближний и средний ИК-диапазоны, как правило, являются отраженным светом. Тепловой ИК-диапазон — это излучаемый свет.
Излучаемый против отраженного света
Почему тепловой ИК-диапазон ведет себя иначе? Это связано с атомной активностью.
Все объекты испускают тепловое инфракрасное излучение из-за процессов, происходящих на атомном уровне. Атомы никогда не находятся в полном покое. Они постоянно вибрируют, движутся и вращаются. Даже атомы, из которых состоит ваш стул, находятся в движении. Твердые тела динамичны.
Эти атомы существуют в различных состояниях возбуждения. Это просто означает, что они обладают разными уровнями энергии.
Когда вы прикладываете значительную энергию к атому — будь то тепло, свет или электричество — атом может покинуть свой основной энергетический уровень. Он переходит на возбужденный уровень. Степень этого возбуждения полностью зависит от количества приложенной энергии.
Атомная структура и уровни энергии
Атом состоит из ядра, содержащего протоны и нейтроны, окруженного электронным облаком.
Визуализация электронов, вращающихся вокруг ядра по дискретным орбитам, помогает объяснить энергетические переходы. Хотя современная квантовая механика отвергает идею фиксированных планетарных орбит, эта модель остается полезной для понимания уровней энергии.
Рассматривайте эти орбиты как конкретные энергетические состояния. Если нагреть атом, электроны на нижних энергетических орбитах могут перейти на более высокие энергетические орбиты. Они отодвигаются дальше от ядра. Этот сдвиг энергетического состояния является причиной испускания инфракрасного излучения, особенно в тепловом диапазоне.
Когда электрон возвращается с более высокой энергетической орбиты на основное состояние, он не просто исчезает. Ему необходимо избавиться от избыточной энергии. Он делает это, испуская фотон, который по сути является пакетом света. Вы можете наблюдать эту физику в действии постоянно. Вспомните нагревательные спирали в тостере, которые становятся ярко-красными. Это красное свечение — не магия. Это атомы, возбуждённые теплом, испускающие красные фотоны по мере того, как их электроны возвращаются на свои места. Возбуждённый электрон обладает большей энергией, чем спокойный. Чтобы подняться на более высокий уровень, он поглощает энергию. Когда он падает обратно, он высвобождает это же количество энергии в виде света. Длина волны, или цвет, этого фотона полностью зависит от энергетической щели, которую прошёл электрон.
Живые существа используют энергию. Двигатели используют энергию. Даже ракета использует энергию. Где бы вы ни наблюдали потребление энергии, там присутствует и отработанное тепло. Это тепло заставляет атомы объекта колебаться, заставляя их испускать фотоны в инфракрасном спектре. Это прямая связь. Чем горячее объект, тем короче длина волны испускаемого им инфракрасного фотона. Если поднять температуру достаточно высоко, объект начинает светиться в видимом спектре. Он переходит от невидимого инфракрасного теплового следа к тусклому красному свечению, затем к оранжевому, жёлтому, синему и, в конечном итоге, к белому. Если вы хотите глубже разобраться в механике испускания фотонов, вы можете изучить принцип работы лазеров или функционирование ламп накаливания. Но приборы ночного видения и тепловизионное оборудование полагаются именно на это специфическое поведение инфракрасного излучения.
Механика теплового обнаружения
Тепловизионные камеры не видят видимый свет, как наши глаза. Они обнаруживают инфракрасное излучение, которое испускают все объекты с температурой выше абсолютного нуля. Именно поэтому тепловизионная съёмка полезна в полной темноте или сквозь дым. Камера преобразует эти невидимые инфракрасные волны в изображение, которое мы можем видеть.
Разные материалы излучают тепло по-разному. Это измеряется с помощью показателя, называемого излучательной способностью (эмиссивностью). Гладкая металлическая поверхность может отражать инфракрасное излучение вместо того, чтобы испускать своё собственное, из-за чего на тепловой камере она может выглядеть более холодной, чем есть на самом деле. Это распространённая ошибка при использовании тепловизионного оборудования для поиска неисправностей. Вы можете пропустить горячее электрическое соединение, потому что корпус слишком отражающий. Матовые поверхности, такие как дерево или пластик, излучают тепло более точно и отображаются чётко.
Разрешение теплового изображения связано не с пикселями в традиционном смысле. Оно связано с чувствительностью к температуре. Хорошая тепловая камера может обнаруживать разницы температур всего в 0,05 градуса Цельсия. Эта чувствительность позволяет вам выявить утечку тепла в стене или неисправный компонент в серверной стойке. Технология зрелая, но она не является безошибочной. Такие факторы окружающей среды, как влажность и окружающая температура, могут влиять на показания. Необходимо учитывать окружающую среду.
Как тепловизоры видят тепло
Вы, вероятно, видели цветные тепловые карты в фильмах или новостных репортажах, но реальные механизмы работают удивительно быстро. Всё начинается со специальной линзы. Эта линза улавливает инфракрасное излучение, исходящее от каждого объекта в кадре. Это не магия. Это просто физика, фокусирующая энергию.
Это излучение попадает на фазированную решётку из детекторных элементов. Представьте себе сетку. Эти датчики создают подробную карту температур, известную как термограмма. Весь процесс занимает около одной тридцатой секунды. Тридцать секунд? Нет. Тридцатитысячные доли секунды. Это почти мгновенно.
Эти данные поступают от тысяч отдельных точек в поле зрения. Каждая точка имеет значение. Детекторы видят не просто «тёплое» или «холодное». Они фиксируют точные температурные вариации. Этот температурный паттерн преобразуется в электрические импульсы. Сырые данные пока бесполезны. Им требуется перевод.
Эти импульсы направляются в блок обработки сигналов. Это печатная плата со специализированным чипом. Чип преобразует сырые данные с датчиков в информацию, понятную человеку. Он обрабатывает данные от элементов и подготавливает их для вывода на экран.
Наконец, дисплей загорается. Изображение появляется с использованием различных цветов в зависимости от интенсивности инфракрасного излучения. Более горячие участки могут быть белыми или красными. Более холодные области — синими или чёрными. Совокупность всех импульсов от всех элементов формирует итоговое изображение. Вы смотрите на живой снимок тепла.
Почему важна такая скорость? В условиях экстренного реагирования окно в одну тридцатую секунды может стать разницей между обнаружением жертвы и прохождением мимо неё. В промышленном обслуживании это позволяет выявить неисправный двигатель до того, как он вызовет пожар на заводе. Технология проста. Применение критически важно.
«Термограмма, созданная детекторными элементами, преобразуется в электрические импульсы».
Оборудование становится дешевле. Теперь к смартфонам можно подключать аксессуары, использующие аналогичные принципы. Вам больше не нужен военный комплекс, чтобы видеть тепловые сигнатуры. Порог входа снижается.
Но есть ограничения. Разрешение. Стандартные тепловизоры часто имеют гораздо меньшее количество пикселей, чем камеры видимого диапазона. Они показывают вам, где находится тепло. Но не всегда чётко показывают, что именно это. Размытое красное пятно может быть человеком. Это может быть горячая труба. Контекст имеет решающее значение.
Однако обработка сигналов улучшилась. Искусственный интеллект помогает чипам распознавать формы в тепловых данных. Это снижает неоднозначность. Вы получаете более ясную картину быстрее. Устройства следующего поколения будут не просто отображать температуру. Они будут её интерпретировать.
Куда движется эта технология? Меньшие датчики. Более высокое разрешение. Более доступные варианты входа. Технологии переходят от специализированных инструментов к повседневным аксессуарам. Вы можете носить их на себе. Вы можете носить их с собой. Наш способ восприятия мира смещается в сторону невидимого спектра.
Неохлаждаемые и охлажденные сенсоры
Большинство тепловизоров обновляют изображение со скоростью 30 кадров в секунду. Это стандартная частота. Диапазон измеряемых температур очень широк: от -4°F до 3600°F, что соответствует -20°C – 2000°C. Они фиксируют небольшие изменения температуры, обычно 0,4°F, а некоторые модели — 0,2°F. Аппаратная часть, обеспечивающая такую точность, делится на два типа.
Неохлаждаемые детекторы — это то, что вы встретите повсюду. Сенсор работает при комнатной температуре. Отсутствует шум. Устройство включается мгновенно. Аккумулятор встроен в корпус. Вы получаете изображение. Оно работает.
Криогенно охлажденные сенсоры — это совсем другая история. Они дороже. Они более хрупкие и легко выходят из строя при падении. Их элементы запечатаны и охлаждаются ниже нуля. Зачем? Для разрешения и чувствительности. Такие системы способны обнаруживать разницу в 0,2°F с расстояния более 1000 футов (300 метров). На такой дистанции можно определить, держит ли человек в руках оружие. Такой уровень детализации стоит дополнительных затрат.
Технологии улучшения изображения
Тепловизионное изображение хорошо работает в полной темноте. Оно также легко обнаруживает людей. Однако большинство приборов ночного видения использует технологию улучшения изображения. Это не то же самое.
Улучшение изображения увеличивает доступный световой поток. Оно делает картинку ярче. Оно не фиксирует тепло. Оно регистрирует фотоны. Тепловизионное изображение фиксирует инфракрасное излучение. Эта разница имеет значение при выборе оборудования.
Если вам нужно прочитать знак в темноте, поможет улучшение изображения. Если нужно найти тело в поле, поможет тепловизор. Они служат для разных целей. Технологии делят рынок пополам. Одна сторона ищет свет, другая — тепло.
Как на самом деле работает усиление изображения
Когда вы слышите «ночное видение», вы, вероятно, представляете себе классическое зеленое свечение. Это и есть усиление изображения, технически известное как приборы ночного видения (ПНВ). Эти системы не создают свет. Они используют то, что уже есть: звездный свет, лунный свет или ближний инфракрасный диапазон, и усиливают его до уровня, доступного для человеческого глаза.
Магия происходит внутри электронно-оптического преобразователя (ЭОП).
Процесс начинается с объектива. Этот передний стеклянный элемент собирает фотоны из окружающей среды. Большинство из них находятся в видимом спектре, но ЭОП достаточно чувствителен, чтобы улавливать и некоторые ближние инфракрасные лучи. После сбора свет попадает в сердце устройства: сам электронно-оптический преобразователь.
Для питания этого устройства обычно требуется две батареи типа N-Cell (D) или AA. Внутренняя схема ЭОП повышает напряжение до примерно 5000 вольт. Именно это высокое напряжение приводит в действие процесс умножения электронов.
Внутри трубки находится фотокатод. Когда фотоны попадают на него, фотокатод преобразует световую энергию в электроны. Это первый шаг в превращении света в видимое изображение.
Но одного электрона недостаточно. Системе нужны тысячи.
Здесь на сцену выходит микроканальная пластина (МКП). Представьте себе микроскопическое сито. МКП — это крошечный стеклянный диск, внедренный в миллионы волосных тонких отверстий, созданных с помощью волоконно-оптических технологий. Она находится в вакууме, зажатая между металлическими электродами. Каждое микроканал примерно в 45 раз длиннее своей ширины.
Вот в чем суть. Когда электроны от фотокатода попадают на первый электрод, импульс в 5000 вольт ускоряет их в стеклянные микроканалы. Эти каналы слегка наклонены — от 5 до 8 градусов — чтобы электроны ударялись о стенки, а не проходили прямо насквозь.
Это столкновение вызывает каскадную вторичную эмиссию. Столкновение возбуждает атомы в стекле, высвобождая дополнительные электроны. Эти новые электроны сталкиваются с другими атомами, создавая цепную реакцию. Несколько электронов входят; тысячи выходят. МКП умножает сигнал в тысячи раз, не искажая изображение.
В конце трубки эти усиленные электроны попадают на экран с люминофорным покрытием. Электроны сохраняют свое пространственное соответствие с исходными фотонами. Это сохраняет целостность изображения. Энергия возбуждает люминофоры, которые затем выделяют свои собственные фотоны.
Человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому свету. Именно поэтому результирующее изображение имеет зеленый цвет. Это не произвольно. Это биологически обусловлено.
Наконец, окуляр увеличивает и фокусирует это зеленое изображение люминофора для наблюдателя. Вы можете смотреть прямо через него. Или, в более сложных системах, сигнал направляется на электронный монитор или дисплей.
Поколения
Технология не оставалась статичной. Военный и коммерческий рынки развили электронно-оптический преобразователь в различные поколения. Это не просто маркетинговые ярлыки. Они представляют собой реальные скачки в чувствительности, разрешающей способности и долговечности.
Технология ночного видения существует уже более 40 лет. В отрасли эти устройства классифицируются по поколениям. Каждый значительный скачок в возможностях обозначает новый уровень.
Поколение 0: Активный инфракрасный диапазон
Приборы Поколения 0 являются предшественниками современных устройств ночного видения. Армия США разработала их для использования во время Второй мировой и Корейской войн. Они полагаются на активный инфракрасный диапазон. Такая система требует наличия ИК-осветителя, прикрепленного к устройству. Осветитель проецирует ближний инфракрасный свет. Он работает подобно фонарику, но его луч невидим для невооруженного глаза.
Свет отражается от объектов и возвращается в объектив. Внутри трубки анод и катод ускоряют электроны. У этого подхода есть недостатки. Ускорение электронов искажает изображение. Это также сокращает срок службы трубки. Военная стратегия быстро потерпела неудачу. Враждебные страны скопировали эту технологию. Солдаты противника использовали свои собственные приборы ночного видения (ПНВ), чтобы обнаружить ИК-луч. Быть замеченным становилось серьезным недостатком.
Поколение 1: Пассивное звездное освещение
Поколение 1 отказалось от активного проецирования. Оно использует пассивный инфракрасный диапазон. Армия США называла эту технологию Starlight (Звездный свет). Она собирает окружающий свет от луны и звезд. Это усиливало естественное отраженное инфракрасное излучение в окружающей среде. Проецируемый луч не требовался. Это давало преимущества скрытности.
Были и недостатки. Эти устройства плохо работали в пасмурные ночи или в безлунные ночи, когда не хватало окружающего света. Технически они использовали ту же трубку усиления изображения, что и Поколение 0. Катоды и аноды все еще присутствовали. Искажение изображения сохранялось. Срок службы трубки оставался проблемой.
Поколение 2: Микроканальная пластина
Поколение 2 принесло значительные аппаратные улучшения. Разрешение и производительность улучшились по сравнению с Поколением 1. Надежность существенно возросла. Отличительной особенностью была способность работать при экстремально низком уровне освещенности. Даже безлунная ночь становилась управляемой.
Ключевым добавлением стала микроканальная пластина (MCP ) в трубке усиления изображения. MCP не просто ускоряет существующие электроны. Она увеличивает общее количество электронов. Это усиление создает более яркие изображения. Искажения значительно снижаются по сравнению с предыдущими поколениями.
Поколение 3: Арсенид галлия
Поколение 3 является текущим стандартом для военных операций США. Базовая технология напоминает Поколение 2. Улучшения незаметны на первый взгляд, но оказывают значительное влияние. Разрешение и чувствительность выше.
Фотокатод теперь изготавливается из арсенида галлия. Этот материал чрезвычайно эффективно преобразует фотоны в электроны. Также используется ионный барьер на MCP. Это покрытие значительно продлевает срок службы трубки. Качество изображения становится более четким.
Поколение 4: Безпленочные и управляемые (gated)
Поколение 4, часто называемое технологией «filmless and gated» (безпленочные и управляемые), предлагает значительные улучшения. Оно отлично работает как в условиях низкой, так и высокой освещенности. Ионный барьер на MCP был удален. Это снижение фонового шума улучшает соотношение сигнал/шум. Больше электронов достигает стадии усиления. Изображения становятся ярче и менее искаженными.
Критически важным добавлением является автоматический управляемый источник питания. Эта система быстро включает и выключает напряжение на фотокатоде. ПНВ мгновенно реагирует на колебания освещенности. Пользователи могут переходить из ярко освещенных в темные среды, не ослепляясь.
Вспомните кинотроп, где агент слепнет, когда включают свет. ПНВ Поколения 4 устраняют этот эффект ослепления. Реакция происходит мгновенно.
Советы по покупке и стандарты
Многие «бюджетные» прицелы используют технологии Поколения 0 или Поколения 1. Ожидайте разочарования, если вам нужна чувствительность профессионального уровня. Приборы Поколения 2, Поколения 3 и Поколения 4 дороги. Они служат дольше при правильном уходе. Любой ПНВ может использовать ИК-осветитель в местах с почти полным отсутствием окружающего света.
Не все трубки одинаковы. Каждая трубка усиления изображения проходит строгие военные испытания. Трубки, соответствующие требованиям, являются MILSPEC (военного стандарта). Те, которые не проходят хотя бы по одному критерию, классифицируются как COMSPEC (коммерческого стандарта). Знание разницы имеет значение при сравнении технических характеристик.
Прицелы против очков против камер
При выборе оборудования для ночного видения вам предстоит сделать свой выбор. В отрасли устройства обычно делятся на три категории.
Прицелы бывают ручными или монтируются на оружие. Они монокулярные, то есть вы смотрите через один глаз. Это удобно, так как вы можете опустить устройство и мгновенно вернуться к нормальному зрению в дневных условиях. Вам не нужно ждать, пока глаза адаптируются после долгого взгляда в зеленый экран.
Очки обычно крепятся на голове. Они бинакулярные, обеспечивая бинокулярное зрение и восприятие глубины двумя глазами. Некоторые модели используют систему с одним объективом, другие — стереообъективы. Если вы перемещаетесь по темному зданию или отслеживаете дичь в лесу, непрерывный обзор имеет решающее значение. Здесь побеждают очки.
Камеры предлагают иной подход. Они выводят изображение на мониторы или записывают его непосредственно на носитель. Подумайте о стационарных установках на зданиях или вертолетах. Многие современные видеокамеры уже имеют встроенную технологию ночного видения. Речь идет о документировании и наблюдении, а не просто о визуальном осмотре.
Зачем нам нужно ночное видение
Первоначальная цель была проста: не быть подстреленным врагами, которых вы не видите. Военные по-прежнему доминируют в этой сфере. Они используют ночное видение для навигации, прицеливания и наблюдения.
Но теперь это нужно не только солдатам.
Полиция и охранные компании используют как тепловизионные камеры, так и технологии усиления изображения. Охотники и любители природы используют приборы ночного видения (ПНВ) для навигации в лесах, чтобы не споткнуться о корни деревьев. Детективы и частные детективы отслеживают объектов в темное время суток. Предприятия устанавливают стационарные камеры для мониторинга периметра.
Существует особая полезность тепловизионного изображения, которая кажется почти мистической. Оно обнаруживает нарушения. Если кто-то вырыл участок земли, чтобы закопать наркотики, деньги или тело, тепловая сигнатура нарушенной почвы отличается от окружающей земли. Вам не нужно видеть яму, чтобы знать о ее наличии. Изменения в стенах или конструкциях проявляются как температурные аномалии. Это помогло раскрыть дела, где невооруженным глазом ничего подозрительного не было видно.
Проверка фактов по часто задаваемым вопросам
Люди задают одни и те же вопросы. Вот что на самом деле говорят данные.
Работают ли очки ночного видения в полной темноте?
Да. Они полагаются на тепловую энергию. Они регистрируют тепло от объектов вокруг камеры или глаза. Для этого не требуется окружающий свет.
Можно ли получить ночное видение на телефоне?
Отчасти. Существуют приложения для Android, такие как «Night Vision Camera», которые улучшают фотографии при слабом освещении. Это программные уловки, а не настоящее оптическое ночное видение. Но они значительно улучшают качество съемки.
Как далеко могут видеть бинокли ночного видения?
Дальность имеет значение. Большинство стандартных биноклей обеспечивают хорошее изображение на расстоянии до 800 футов (примерно 244 метра). На больших расстояниях изображение становится зернистым. Проверяйте спецификации перед покупкой.
Легальны ли очки ночного видения в Канаде?
Устройства 1-го и 2-го поколения легальны. Это включает монокуляры и прицелы для винтовок. Вы можете владеть ими. Просто не используйте их для преследования людей.
Насколько хорошо ночное зрение у человека?
Мы — дневные животные. Наши глаза созданы для дневного света. Мы очень плохо видим ночью. Ночные животные всегда превосходят нас в этом.
Итоги
Мир меняется после заката. Это другая экосистема. Если вы путешествуете с палатками или охотитесь, устройство, вероятно, стоит того. Просто убедитесь, что выбираете правильный тип для конкретной задачи.
Особая благодарность компаниям ITT Industries, B.E. Meyers & Co. и Infrared, Inc. за оказанную помощь.
