Ви уявляєте шпигунський фільм. Герой підіймається темною стіною. Немає місяця. Лише повна темрява. Потім включаються окуляри нічного бачення. Все стає смарагдово-зеленим. Ціль стає видимою.
Це виглядає як магія. Але ж це фізика.
Чи можна насправді бачити у темряві? Так. За наявності відповідного обладнання ви можете помітити людину на відстані 200 ярдів у похмуру ніч. Це не помилка. Це 183 метри.
Є два способи实现 цього. Вони однакові. Більшість людей плутають їх.
- Посилення зображення посилює існуюче світло. Воно вловлює крихітні фотони. Підсилює їх доти, доки ваше око не побачить щось. Воно використовує нижню частину спектру інфрачервоного.
- Тепловізійне зображення виявляє тепло. Йому не важливе світло. Воно бачить верхню частину інфрачервоного діапазону. Гарячі тіла світяться. Холодні дерева – ні.
Перед тим, як розбирати обладнання, нам потрібно поговорити про джерело світла. Або його відсутність.
Розуміння інфрачервоного світла
Інфрачервоне світло невидиме для людського ока. Але він усюди. Це тепловий підпис світу.
Щоб зрозуміти, як працює нічне бачення, потрібно розглянути саме світло. Зокрема, необхідно зрозуміти зв’язок між енергією та довжиною хвилі. Коротші хвилі несуть більше енергії. У видимому спектрі фіолетове світло має найбільшу енергію, а червоне — найменшу. Безпосередньо поряд з видимим світлом знаходиться інфрачервоний спектр.
Цей спектр не є монолітним. Він ділиться на три різні категорії, кожна з яких має свої властивості та сфери застосування.
Розбір інфрачервоного спектру
- Близький інфрачервоний діапазон (near-IR) знаходиться найближче до видимого світла. Його довжини хвиль варіюються від 0,7 до 1,3 мікрон, що становить від 700 до 1300 мільярдних часток метра.
- Середній інфрачервоний діапазон (mid-IR) охоплює довжини хвиль від 1,3 до 3 мікронів. І ближній, і середній ІЧ-діапазони є джерелами відбитого світла, що використовуються в звичайній електроніці, такій як пульти дистанційного керування.
- Тепловий інфрачервоний діапазон (thermal-IR) займає найбільшу частину спектра, сягаючи від 3 мікрон до більш ніж 30 мікрон.
Тут важлива відмінність. Близький та середній ІЧ-діапазони, як правило, є відбитим світлом. Тепловий ІЧ-діапазон – це випромінюється світло.
Випромінений проти відбитого світла
Чому тепловий ІЧ-діапазон поводиться інакше? Це з атомної активністю.
Всі об’єкти випромінюють теплове інфрачервоне випромінювання через процеси, що відбуваються на атомному рівні. Атоми ніколи не перебувають у повному спокої. Вони постійно вібрують, рухаються та обертаються. Навіть атоми, з яких складається ваш стілець, перебувають у русі. Тверді тіла динамічні.
Ці атоми існують у різних станах збудження. Це просто означає, що вони мають різні рівні енергії.
Коли ви прикладаєте значну енергію до атома — чи це тепло, світло чи електрика — атом може залишити свій основний енергетичний рівень. Він переходить на збуджений рівень. Ступінь цього збудження залежить від кількості прикладеної енергії.
Атомна структура та рівні енергії
Атом складається з ядра, що містить протони та нейтрони, оточеного електронною хмарою.
Візуалізація електронів, що обертаються навколо ядра по дискретних орбітах, допомагає пояснити енергетичні переходи. Хоча сучасна квантова механіка відкидає ідею фіксованих планетарних орбіт, ця модель залишається корисною розуміння рівнів енергії.
Розглядайте ці орбіти як конкретні енергетичні стани. Якщо нагріти атом, електрони на нижніх енергетичних орбітах можуть перейти більш високі енергетичні орбіти. Вони відсуваються далі від ядра. Цей зсув енергетичного стану є причиною випромінювання інфрачервоного випромінювання, особливо в тепловому діапазоні.
Коли електрон повертається з вищої енергетичної орбіти на основний стан, він просто зникає. Йому необхідно позбутися надмірної енергії. Він робить це, випускаючи фототон, який по суті є пакетом світла. Ви можете спостерігати цю фізику у дії постійно. Згадайте нагрівальні спіралі у тостері, які стають яскраво-червоними. Це червоне свічення – не магія. Це атоми, збуджені теплом, що випромінюють червоні фотони в міру того, як їх електрони повертаються на свої місця. Збуджений електрон має більшу енергію, ніж спокійний. Щоб піднятися більш високий рівень, він поглинає енергію. Коли він падає назад, він вивільняє цю кількість енергії у вигляді світла. Довжина хвилі, або колір цього фотона повністю залежить від енергетичної щілини, яку пройшов електрон.
Живі істоти використовують енергію. Двигуни використовують енергію. Навіть ракета використовує енергію. Де б ви не спостерігали споживання енергії, там є і відпрацьоване тепло. Це тепло змушує атоми об’єкта вагатися, змушуючи їх випускати фотони в інфрачервоному діапазоні. Це прямий зв’язок. Чим гарячіший об’єкт, тим коротша довжина хвилі інфрачервоного фотона, що випускається ним. Якщо підняти температуру досить високо, об’єкт починає світитись у видимому спектрі. Він переходить від невидимого інфрачервоного теплового сліду до тьмяного червоного свічення, потім до помаранчевого, жовтого, синього і, зрештою, до білого. Якщо ви хочете глибше розібратися в механіці випромінювання фотонів, ви можете вивчити принцип лазерів або функціонування ламп розжарювання. Але прилади нічного бачення та тепловізійне обладнання покладаються саме на цю специфічну поведінку інфрачервоного випромінювання.
Механіка теплового виявлення
Тепловізійні камери не бачать видимого світла, як наші очі. Вони виявляють інфрачервоне випромінювання, яке випускають усі об’єкти з температурою вище за абсолютного нуля. Саме тому тепловізійна зйомка корисна у повній темряві чи крізь дим. Камера перетворює ці невидимі інфрачервоні хвилі на зображення, яке ми можемо бачити.
Різні матеріали випромінюють тепло по-різному. Це вимірюється з допомогою показника, званого випромінювальною здатністю (емісивністю). Гладка металева поверхня може відображати інфрачервоне випромінювання замість того, щоб випускати своє власне, через що на тепловій камері вона може виглядати холоднішою, ніж є насправді. Це поширена помилка під час використання тепловізійного обладнання для пошуку несправностей. Ви можете пропустити гаряче електричне з’єднання, тому що корпус занадто відбиває. Матові поверхні, такі як дерево або пластик, випромінюють тепло більш точно та відображаються чітко.
Роздільна здатність теплового зображення пов’язана не з пікселями в традиційному сенсі. Воно пов’язане із чутливістю до температури. Хороша теплова камера може виявляти різниці температур лише 0,05 градуса Цельсія. Ця чутливість дозволяє виявити витік тепла у стіні або несправний компонент у серверній стійці. Технологія зріла, але вона не є безпомилковою. Такі фактори навколишнього середовища, як вологість та навколишня температура, можуть впливати на показання. Необхідно враховувати довкілля.
Як тепловізори бачать тепло
Ви, ймовірно, бачили кольорові теплові карти у фільмах або репортажах новин, але реальні механізми працюють напрочуд швидко. Все починається зі спеціальної лінзи. Ця лінза вловлює інфрачервоне випромінювання, що походить від кожного об’єкта в кадрі. Не магія. Це просто фізика, яка фокусує енергію.
Це випромінювання потрапляє на фазовані ґрати з детекторних елементів. Уявіть собі сітку. Ці датчики створюють докладну карту температур, відому як термограма. Весь процес займає близько тридцятої секунди. Тридцять секунд? Ні. Тридцятитисячні частки секунди. Це майже миттєво.
Ці дані надходять від тисяч окремих точок у полі зору. Кожна точка має значення. Детектори бачать не просто «тепле» чи «холодне». Вони фіксують точні температурні варіації. Цей температурний патерн перетворюється на електричні імпульси. Сирі дані поки що марні. Їм потрібний переклад.
Ці імпульси скеровуються в блок обробки сигналів. Це друкована плата із спеціалізованим чіпом. Чіп перетворює сирі дані з датчиків на інформацію, зрозумілу людині. Він обробляє дані від елементів та готує їх для виведення на екран.
Нарешті, дисплей спалахує. Зображення з’являється з використанням різних кольорів, залежно від інтенсивності інфрачервоного випромінювання. Гарячі ділянки можуть бути білими або червоними. Холодніші області — синіми або чорними. Сукупність всіх імпульсів від усіх елементів формує підсумкове зображення. Ви дивитеся на живий знімок тепла.
Чому така швидкість важлива? В умовах екстреного реагування вікно в одну тридцяту секунди може стати різницею між виявленням жертви та проходженням повз неї. У промисловому обслуговуванні це дозволяє виявити несправний двигун перед тим, як він викличе пожежу на заводі. Технологія проста. Застосування є критично важливим.
«Термограма, створена детекторними елементами, перетворюється на електричні імпульси».
Устаткування дешевшає. Тепер до смартфонів можна підключати аксесуари, які використовують аналогічні принципи. Вам більше не потрібний військовий комплекс, щоб бачити теплові сигнатури. Поріг входу знижується.
Але є обмеження. Дозвіл. Стандартні тепловізори часто мають набагато менше пікселів, ніж камери видимого діапазону. Вони показують вам, де знаходиться тепло. Але не завжди чітко показують, що саме це. Розмита червона пляма може бути людиною. Це може бути гаряча труба. Контекст має вирішальне значення.
Проте обробка сигналів покращала. Штучний інтелект допомагає чіпам розпізнавати форми теплових даних. Це знижує неоднозначність. Ви отримуєте більш ясну картину швидше. Пристрої наступного покоління не просто відображатимуть температуру. Вони її інтерпретуватимуть.
Куди рухається ця розробка? Найменші датчики. Вища роздільна здатність. Більш доступні варіанти входу. Технології переходять від спеціалізованих інструментів до повсякденних аксесуарів. Ви можете носити їх у себе. Ви можете носити їх із собою. Наш спосіб сприйняття світу зміщується у бік невидимого спектра.
Неохолоджувані та охолоджені сенсори
Більшість тепловізорів оновлюють зображення зі швидкістю 30 кадрів за секунду. Це стандартна частота. Діапазон вимірюваних температур дуже широкий: від -4°F до 3600°F, що відповідає -20°C – 2000°C. Вони фіксують невеликі зміни температури зазвичай 0,4°F, а деякі моделі – 0,2°F. Апаратна частина, що забезпечує таку точність, поділяється на два типи.
Неохолоджувані детектори – це те, що ви зустрінете всюди. Сенсор працює за кімнатної температури. Немає шуму. Пристрій вмикається миттєво. Акумулятор вбудований у корпус. Ви отримуєте зображення. Воно працює.
Кріогенно охолоджені сенсори – це зовсім інша історія. Вони дорожчі. Вони більш тендітні і легко виходять з ладу при падінні. Їхні елементи запечатані та охолоджуються нижче нуля. Навіщо? Для дозволу та чутливості. Такі системи здатні виявляти різницю 0,2°F з відстані більше 1000 футів (300 метрів). На такій дистанції можна визначити, чи людина тримає в руках зброю. Такий рівень деталізації коштує додаткових витрат.
Технології покращення зображення
Тепловізійне зображення добре працює у повній темряві. Воно також легко знаходить людей. Однак більшість приладів нічного бачення використовують технологію покращення зображення. Це не те саме.
Поліпшення зображення збільшує доступний світловий потік. Воно робить картинку яскравішою. Воно не фіксує тепло. Воно реєструє фотони. Тепловізійне зображення фіксує інфрачервоне випромінювання. Ця різниця має значення при виборі обладнання.
Якщо вам потрібно прочитати знак у темряві, допоможе покращити зображення. Якщо потрібно знайти тіло у полі, допоможе тепловізор. Вони служать для різних цілей. Технології ділять ринок навпіл. Один бік шукає світло, інший — тепло.
Як насправді працює посилення зображення
Коли ви чуєте «нічне бачення», ви, мабуть, уявляєте собі класичне зелене свічення. Це посилення зображення, технічно відоме як прилади нічного бачення (ПНО). Ці системи не створюють світло. Вони використовують те, що вже є: зоряне світло, місячне світло або ближній інфрачервоний діапазон і посилюють його до рівня, доступного для людського ока.
Магія відбувається всередині електронно-оптичного перетворювача (ЕОП).
Процес починається з об’єктива. Цей передній скляний елемент збирає фотони із навколишнього середовища. Більшість з них знаходяться у видимому спектрі, але ЕОП досить чутливий, щоб уловлювати і деякі ближні інфрачервоні промені. Після збирання світло потрапляє у серце пристрою: сам електронно-оптичний перетворювач.
Для живлення цього пристрою зазвичай потрібні дві батареї типу N-Cell (D) або AA. Внутрішня схема ЕОП підвищує напругу приблизно до 5000 вольт. Саме ця висока напруга приводить у дію процес множення електронів.
Усередині трубки знаходиться фотокатод. Коли фотони потрапляють на нього, фотокатод перетворює світлову енергію на електрони. Це перший крок у перетворенні світла на видиме зображення.
Але одного електрона недостатньо. Системі потрібні тисячі.
Тут на сцену виходить мікроканальна пластина (МКП). Уявіть мікроскопічне сито. МКП – це крихітний скляний диск, впроваджений у мільйони тонких волосяних отворів, створених за допомогою волоконно-оптичних технологій. Вона знаходиться у вакуумі, затиснута між металевими електродами. Кожне мікроканал приблизно в 45 разів довше за свою ширину.
Ось у чому суть. Коли електрони від фотокатода потрапляють на перший електрод, імпульс 5000 вольт прискорює їх у скляні мікроканали. Ці канали трохи нахилені — від 5 до 8 градусів — щоб електрони вдарялися об стінки, а не проходили прямо наскрізь.
Це зіткнення викликає каскадну вторинну емісію. Зіткнення збуджує атоми у склі, вивільняючи додаткові електрони. Ці нові електрони зіштовхуються коїться з іншими атомами, створюючи ланцюгову реакцію. Декілька електронів входять; тисячі виходять. МКП множить сигнал у тисячі разів, не спотворюючи зображення.
Наприкінці трубки ці посилені електрони потрапляють на екран із люмінофорним покриттям. Електрони зберігають свою просторову відповідність із вихідними фотонами. Це зберігає цілісність зображення. Енергія збуджує люмінофори, які потім виділяють свої власні фотони.
Людське око найбільш чутливе до зеленого світла. Саме тому результуюче зображення має зелений колір. Це не довільно. Це біологічно обумовлено.
Нарешті, окуляр збільшує та фокусує це зелене зображення люмінофора для спостерігача. Ви можете дивитися прямо через нього. Або, у складніших системах, сигнал направляється на електронний монітор або дисплей.
Покоління
Технологія не залишалася статичною. Військовий та комерційний ринки розвинули електронно-оптичний перетворювач у різні покоління. Це не просто рекламні ярлики. Вони являють собою реальні стрибки у чутливості, що дозволяє і довговічності.
Технологія нічного бачення існує вже понад 40 років. У галузі ці пристрої класифікуються за поколінь. Кожен значний стрибок у можливостях означає новий рівень.
Покоління 0: Активний інфрачервоний діапазон
Прилади Покоління 0 є попередниками сучасних пристроїв нічного бачення. Армія США розробила їх для використання під час Другої світової та корейської воєн. Вони покладаються на активний інфрачервоний діапазон. Така система вимагає наявності ІЧ-освітлювача, прикріпленого до пристрою. Освітлювач проектує ближнє інфрачервоне світло. Він працює подібно до ліхтарика, але його промінь невидимий для неозброєного ока.
Світло відбивається від об’єктів і повертається до об’єктиву. Усередині трубки анод та катод прискорюють електрони. Цей підхід має недоліки. Прискорення електронів спотворює зображення. Це також скорочує термін служби трубки. Військова стратегія швидко зазнала невдачі. Ворожі країни скопіювали цю технологію. Солдати противника використовували власні прилади нічного бачення (ПНО), щоб виявити ІЧ-промінь. Бути поміченим ставало серйозним недоліком.
Покоління 1: Пасивне зіркове освітлення
Покоління 1 відмовилося від активного проектування. Воно використовує пасивний інфрачервоний діапазон. Армія США називала цю технологію Starlight (Зоряне світло). Вона збирає навколишнє світло від місяця та зірок. Це посилювало природне відбите інфрачервоне випромінювання у навколишньому середовищі. Проектований промінь не був потрібний. Це давало переваги скритності.
Були й недоліки. Ці пристрої погано працювали в похмурі ночі або безмісячні ночі, коли не вистачало навколишнього світла. Технічно вони використовували ту саму трубку посилення зображення, що й Покоління 0. Катоди та аноди все ще були присутні. Спотворення зображення зберігалося. Термін служби трубки залишався проблемою.
Покоління 2: Мікроканальна пластина
Покоління 2 принесло значні апаратні покращення. Дозвіл та продуктивність покращилися в порівнянні з Поколінням 1. Надійність суттєво зросла. Відмінною особливістю була здатність працювати за екстремально низького рівня освітленості. Навіть безмісячна ніч ставала керованою.
Ключовим додаванням стала мікроканальна пластина (MCP ) у трубці посилення зображення. MCP не просто прискорює наявні електрони. Вона збільшує загальну кількість електронів. Це посилення створює яскравіші зображення. Спотворення значно знижуються в порівнянні з попередніми поколіннями.
Покоління 3: Арсенід галію
Покоління 3 є поточним стандартом для військових операцій США. Базова технологія нагадує покоління 2. Поліпшення непомітні на перший погляд, але мають значний вплив. Роздільна здатність і чутливість вище.
Фотокатод тепер виготовляється з арсеніду галію. Цей матеріал надзвичайно ефективно перетворює фотони на електрони. Також використається іонний бар’єр на MCP. Це покриття значно подовжує термін служби трубки. Якість зображення стає більш чіткою.
Покоління 4: Безплівкові та керовані (gated)
Покоління 4, що часто називається технологією «filmless and gated» (безплівкові та керовані), пропонує значні покращення. Воно відмінно працює як в умовах низького, так і високого освітлення. Іонний бар’єр на MCP було видалено. Це зниження фонового шуму покращує співвідношення сигнал/шум. Більше електронів сягає стадії посилення. Зображення стають яскравішими і менш спотвореними.
Критично важливим додаванням є автоматичне кероване джерело живлення. Ця система швидко включає та вимикає напругу на фотокатоді. ПНВ миттєво реагує на коливання освітленості. Користувачі можуть переходити з яскраво освітлених у темні середовища, не засліплюючи.
Згадайте кінотроп, де агент сліпне, коли вмикають світло. ПНО Покоління 4 усувають цей ефект засліплення. Реакція відбувається миттєво.
Поради щодо купівлі та стандарти
Багато «бюджетних» прицілів використовують технології Покоління 0 або Покоління 1. Чекайте на розчарування, якщо вам потрібна чутливість професійного рівня. Прилади Покоління 2, Покоління 3 та Покоління 4 дороги. Вони служать довше при правильному догляді. Будь-який ПНО може використовувати ІЧ-освітлювач у місцях з майже повною відсутністю навколишнього світла.
Не всі трубки однакові. Кожна трубка посилення зображення проходить суворі випробування. Трубки, що відповідають вимогам, є MILSPEC (військового стандарту). Ті, які не проходять хоча б за одним критерієм, класифікуються як COMSPEC (комерційного стандарту). Знання різниці має значення у порівнянні технічних характеристик.
Приціли проти окулярів проти камер
При виборі обладнання для нічного бачення вам належить зробити власний вибір. У галузі пристрої зазвичай поділяються на три категорії.
Приціли бувають ручними або монтуються на зброю. Вони монокулярні, тобто ви дивитеся через одне око. Це зручно, тому що ви можете опустити пристрій і миттєво повернутись до нормального зору в денних умовах. Вам не потрібно чекати, поки очі адаптуються після довгого погляду на зелений екран.
Окуляри зазвичай кріпляться на голові. Вони бінакулярні, забезпечуючи бінокулярний зір та сприйняття глибини двома очима. Деякі моделі використовують систему з одним об’єктивом, інші стереооб’єктиви. Якщо ви переміщаєтеся по темній будівлі або відстежуєте дичину в лісі, безперервний огляд має вирішальне значення. Тут перемагають очки.
Камери пропонують інший підхід. Вони виводять зображення на монітори або записують його безпосередньо на носій. Подумайте про стаціонарні установки на будинках або вертольотах. Багато сучасних відеокамери вже мають вбудовану технологію нічного бачення. Йдеться про документування та спостереження, а не просто про візуальний огляд.
Навіщо нам потрібне нічне бачення
Початкова мета була простою: не бути підстреленим ворогами, яких ви не бачите. Військові, як і раніше, домінують у цій сфері. Вони використовують нічне бачення для навігації, прицілювання та спостереження.
Але тепер це потрібно не лише солдатам.
Поліція та охоронні компанії використовують як тепловізійні камери, так і технології посилення зображення. Мисливці та любителі природи використовують прилади нічного бачення (ПНО) для навігації в лісах, щоб не спіткнутися з корінням дерев. Детективи та приватні детективи відстежують об’єктів у темний час доби. Підприємства встановлюють стаціонарні камери моніторингу периметра.
Існує особлива корисність тепловізійного зображення, яка видається майже містичною. Воно виявляє порушення. Якщо хтось вирив ділянку землі, щоб закопати наркотики, гроші чи тіло, теплова сигнатура порушеного ґрунту відрізняється від навколишньої землі. Вам не потрібно бачити яму, щоб знати її наявність. Зміни у стінах чи конструкціях виявляються як температурні аномалії. Це допомогло розкрити справи, де неозброєним оком нічого підозрілого не було видно.
Перевірка фактів з часто задаваних питань
Люди ставлять одні й самі питання. Ось що насправді свідчать дані.
Чи працюють окуляри нічного бачення у повній темряві?
Так. Вони покладаються на теплову енергію. Вони реєструють тепло від об’єктів навколо камери чи ока. Для цього не потрібне навколишнє світло.
Чи можна отримати нічне бачення на телефоні?
Частково. Існують програми для Android, такі як “Night Vision Camera”, які покращують фотографії при слабкому освітленні. Це програмні хитрощі, а не справжнє оптичне нічне бачення. Але вони значно покращують якість зйомки.
Як далеко можуть бачити біноклі нічного бачення?
Дальність має значення. Більшість стандартних біноклів забезпечують гарне зображення на відстані до 800 футів (приблизно 244 метри). На великих відстанях зображення стає зернистим. Перевіряйте специфікації перед покупкою.
Чи легальні окуляри нічного бачення в Канаді?
Пристрої 1-го та 2-го покоління легальні. Це включає монокуляри та приціли для гвинтівок. Ви можете володіти ними. Просто не використовуйте їх для переслідування людей.
Наскільки добре нічний зір у людини?
Ми – денні тварини. Наші очі створені для денного світла. Ми дуже погано бачимо вночі. Нічні тварини завжди перевершують нас у цьому.
Підсумки
Світ змінюється після заходу сонця. Це інша екосистема. Якщо ви подорожуєте з наметами або полюєте, пристрій, ймовірно, вартий того. Просто переконайтеся, що вибираєте правильний тип для конкретного завдання.
*Особлива подяка компаніям ITT Industries, B.E. Meyers & Co. та Infrared, Inc. за надану допомогу.
