Ночное зрение: возможности и механизмы

Введение

Способность видеть в условиях низкой освещенности

Ночное зрение – это способность видеть в условиях низкой освещенности, либо естественным образом благодаря скотопическому зрению, либо с использованием прибора ночного видения. Для ночного зрения необходимы как достаточный спектральный, так и достаточный диапазон интенсивности. У людей ночное зрение хуже, чем у многих животных, таких как кошки, собаки, лисы и кролики, отчасти из-за отсутствия у человеческого глаза тапетума – ткани, расположенной за сетчаткой и отражающей свет обратно через нее, тем самым увеличивая количество света, доступного фоторецепторам.

Спектровой диапазон

Ночные методы использования спектральных диапазонов позволяют обнаруживать излучение, невидимое для человеческого глаза. Человеческое зрение ограничено небольшой частью электромагнитного спектра, называемой видимым светом. Расширенный спектральный диапазон позволяет наблюдателю использовать невидимые источники электромагнитного излучения (например, ближний инфракрасный или ультрафиолетовый). Некоторые животные, такие как креветки-богомолы и форель, способны видеть, используя гораздо большую часть инфракрасного и/или ультрафиолетового спектра, чем люди.

Диапазон интенсивности

Достаточный диапазон интенсивности – это просто способность видеть при очень малом количестве света. У многих животных ночное зрение лучше, чем у человека, что является результатом одного или нескольких различий в морфологии и анатомии их глаз. К таким различиям относятся больший размер глазного яблока, большая линза, большая оптическая апертура (зрачки могут расширяться до физического предела век), большее количество палочек, чем колбочек (или только палочки) в сетчатке, и наличие тапетума. Увеличенный диапазон интенсивности достигается технологическими средствами с использованием усилителя изображения, ПЗС-матрицы с усилением или других массивов фотодетекторов с очень низким уровнем шума и высокой чувствительностью.

Биологическое ночное зрение

Все фоторецепторные клетки в глазах позвоночных содержат молекулы фоторецепторного белка, который представляет собой комбинацию белка фотопсина в клетках, отвечающих за цветовое зрение, родопсина в клетках, отвечающих за ночное зрение, и ретиналя (небольшая фоторецепторная молекула). Ретиналь претерпевает необратимое изменение формы при поглощении света; это изменение вызывает изменение формы белка, окружающего ретиналь, а это изменение, в свою очередь, индуцирует физиологический процесс, приводящий к зрению. Ретиналь должен диффундировать из зрительной клетки, из глаза, и циркулировать через кровь в печень, где он регенерируется. При ярком освещении большая часть ретиналя находится не в фоторецепторах, а за пределами глаза. Требуется около 45 минут пребывания в темноте, чтобы все фоторецепторные белки были перезаряжены активным ретиналем, однако основная адаптация к ночному зрению происходит в течение первых пяти минут в темноте. Адаптация приводит к максимальной светочувствительности. В условиях темноты только колбочки обладают достаточной чувствительностью для реагирования и запуска зрения. Родопсин в человеческих палочек нечувствителен к более длинным красным длинам волн, поэтому традиционно многие люди используют красный свет, чтобы помочь сохранить ночное зрение. Красный свет медленно истощает запасы родопсина в палочках и воспринимается красночувствительными колбочками. Другая теория предполагает, что поскольку звезды обычно излучают свет с более короткими длинами волн, свет от звезд будет находиться в сине-зеленом спектре. Следовательно, использование красного света для навигации не десенсибилизирует рецепторы, используемые для обнаружения звездного света. У многих животных есть слой ткани, называемый тапетум люцидум, в задней части глаза, который отражает свет обратно через сетчатку, увеличивая количество доступного света для захвата, но снижая четкость фокусировки изображения. Он встречается у многих ночных животных и некоторых глубоководных животных и является причиной блеска глаз. У людей и обезьян отсутствует тапетум люцидум. Ночные млекопитающие обладают палочками с уникальными свойствами, которые обеспечивают улучшенное ночное зрение. Ядерная структура их палочек меняется вскоре после рождения, становясь инвертированной. В отличие от обычных палочек, инвертированные палочки имеют гетерохроматин в центре ядер и эухроматин и другие факторы транскрипции по периферии. Кроме того, внешний слой клеток сетчатки (внешний ядерный слой) у ночных млекопитающих утолщен из-за миллионов палочек, присутствующих для обработки низких интенсивностей света. Анатомия этого слоя у ночных млекопитающих такова, что ядра палочек из отдельных клеток физически сложены таким образом, что свет проходит через восемь-десять ядер, прежде чем достичь фоторецепторной части клеток. Вместо рассеивания свет передается каждому ядру индивидуально благодаря сильному линзирующему эффекту, вызванному инверсией ядер, проходя из стопки ядер в стопку из десяти фоторецепторных внешних сегментов. Чистый эффект этого анатомического изменения заключается в увеличении светочувствительности сетчатки в восемь-десять раз без потери фокусировки. Расширение зрачка — это биологический процесс, который вносит относительно небольшой вклад в ночное зрение. У людей радужная оболочка может регулировать размер зрачка от 2 мм при ярком свете до 8 мм в темных условиях, но это варьируется в зависимости от человека и возраста, при этом с возрастом максимальный диаметр зрачка уменьшается. Однако некоторые люди способны расширять зрачки до более чем 9 мм в диаметре в темноте, что дает им лучшие возможности ночного видения.

All photoreceptor cells in the vertebrate eye contain molecules of photoreceptor protein which is a combination of the protein photopsin in color vision cells, rhodopsin in night vision cells, and retinal (a small photoreceptor molecule). Retinal undergoes an irreversible change in shape when it absorbs light; this change causes an alteration in the shape of the protein which surrounds the retinal, and that alteration then induces the physiological process which results in vision. The retinal must diffuse from the vision cell, out of the eye, and circulate via the blood to the liver where it is regenerated. In bright light conditions, most of the retinal is not in the photoreceptors, but is outside of the eye. It takes about 45 minutes of dark for all of the photoreceptor proteins to be recharged with active retinal, but most of the night vision adaptation occurs within the first five minutes in the dark. Adaptation results in maximum sensitivity to light. In dark conditions only the rod cells have enough sensitivity to respond and to trigger vision. Rhodopsin in the human rods is insensitive to the longer red wavelengths, so traditionally many people use red light to help preserve night vision. Red light only slowly depletes the rhodopsin stores in the rods, and instead is viewed by the red sensitive cone cells. Another theory posits that since stars typically emit light with shorter wavelengths, the light from stars will be in the blue green color spectrum. Therefore, using red light to navigate would not desensitize the receptors used to detect star light. Many animals have a tissue layer called the tapetum lucidum in the back of the eye that reflects light back through the retina, increasing the amount of light available for it to capture, but reducing the sharpness of the focus of the image. This is found in many nocturnal animals and some deep sea animals, and is the cause of eyeshine. Humans, and monkeys, lack a tapetum lucidum. Nocturnal mammals have rods with unique properties that make enhanced night vision possible. The nuclear pattern of their rods changes shortly after birth to become inverted. In contrast to conventional rods, inverted rods have heterochromatin in the center of their nuclei and euchromatin and other transcription factors along the border. In addition, the outer layer of cells in the retina (the outer nuclear layer) in nocturnal mammals is thick due to the millions of rods present to process the lower light intensities. The anatomy of this layer in nocturnal mammals is such that the rod nuclei, from individual cells, are physically stacked such that light will pass through eight to ten nuclei before reaching the photoreceptor portion of the cells. Rather than being scattered, the light is passed to each nucleus individually, by a strong lensing effect due to the nuclear inversion, passing out of the stack of nuclei, and into the stack of ten photorecepting outer segments. The net effect of this anatomical change is to multiply the light sensitivity of the retina by a factor of eight to ten with no loss of focus. Pupillary dilation is a biological process that contributes a relatively minor amount to night vision. In humans, the irises can adjust the size of the pupil from 2 mm in bright light, to as large as 8 mm in dark conditions, but this varies by individual and age, with age causing the maximal pupil diameter to decrease. However, some humans are capable of dilating their pupils to over 9 mm in diameter in the dark, giving them better night vision capabilities.

Технологии ночного видения

Технологии ночного видения можно разделить на три основные категории: усиление изображения, активное освещение и тепловидение.

Усиление изображения

Это увеличивает количество получаемых фотонов из различных природных источников, таких как звездный или лунный свет. Примерами таких технологий являются приборы ночного видения и камеры с низкой освещенностью. В военном контексте усилители изображения часто называют "телевизорами с низкой освещенностью", поскольку видеосигнал часто передается на дисплей в центре управления. Обычно они интегрированы в датчик, содержащий как видимые, так и инфракрасные детекторы, а потоки используются независимо или в комбинированном режиме, в зависимости от требований конкретной задачи. Усилитель изображения – это устройство на основе вакуумной трубки (фотоумножительная трубка), способное генерировать изображение из очень малого количества фотонов (например, света от звезд на небе), позволяя видеть слабо освещенную сцену в реальном времени невооруженным глазом через визуальный вывод или сохранять ее в виде данных для последующего анализа. Хотя многие полагают, что свет "усиливается", это не так. Когда свет попадает на заряженную фотокатодную пластину, электроны испускаются в вакуумной трубке и сталкиваются с микроканальной пластиной. Это приводит к тому, что экран изображения освещается, формируя изображение в том же узоре, что и свет, падающий на фотокатод, и на длине волны, воспринимаемой человеческим глазом. Это во многом похоже на телевизор с ЭЛТ, но вместо электронно-лучевой пушки излучение производит фотокатод. Изображение считается "усиленным", поскольку выходной видимый свет ярче входящего, и этот эффект напрямую связан с различием между пассивными и активными приборами ночного видения. В настоящее время наиболее распространенным усилителем изображения является модуль ANVIS, хотя на рынке доступно множество других моделей и размеров. Недавно ВМС США объявили о намерении закупить двухцветную версию ANVIS для использования в кабинах пилотируемых летательных аппаратов.

Активное освещение

Технология активной подсветки сочетает в себе интенсификацию изображения с активным источником освещения в ближнем инфракрасном (NIR) или коротковолновом инфракрасном (SWIR) диапазоне. Примерами таких технологий являются камеры с низким уровнем освещенности. Активное инфракрасное ночное видение объединяет инфракрасное освещение спектрального диапазона 700–1000 нм (несколько выше видимого спектра для человеческого глаза) с ПЗС-камерами, чувствительными к этому свету. Получаемая сцена, кажущаяся темной для человеческого наблюдателя, отображается на обычном дисплее в виде монохромного изображения. Поскольку активные системы инфракрасного ночного видения могут использовать осветители, генерирующие высокий уровень инфракрасного света, получаемые изображения обычно имеют более высокое разрешение, чем у других технологий ночного видения. Активное инфракрасное ночное видение широко применяется в коммерческих, жилых и государственных системах безопасности, обеспечивая эффективную съемку в ночное время в условиях низкой освещенности. Однако, поскольку активный инфракрасный свет может быть обнаружен приборами ночного видения, существует риск демаскировки позиции в тактических военных операциях. Лазерная дальномерно-временная фильтрация изображений – это еще одна форма активного ночного видения, использующая мощный импульсный источник света для освещения и формирования изображения. Временная фильтрация – это техника, которая управляет лазерными импульсами в сочетании со скоростью срабатывания затвора детектора камеры. Технология временной фильтрации изображений может быть разделена на одноимпульсную, когда детектор захватывает изображение от одного светового импульса, и многоимпульсную, когда детектор интегрирует световые импульсы от нескольких импульсов для формирования изображения. Одним из ключевых преимуществ этой техники является возможность распознавания объектов, а не только их обнаружения, в отличие от тепловизионной съемки.

Тепловое зрение

Тепловизионная съемка обнаруживает разницу температур между объектами на фоне и переднем плане. Некоторые организмы способны воспринимать упрощенное тепловое изображение с помощью специальных органов, функционирующих как болометры. Это обеспечивает тепловое инфракрасное зрение у змей, которое работает за счет обнаружения теплового излучения. Тепловизионные камеры – отличный инструмент для ночного видения. Они обнаруживают тепловое излучение и не требуют источника освещения. Они формируют изображение даже в полной темноте и способны видеть сквозь легкий туман, дождь и дым (в определенной степени). Тепловизионные камеры делают видимыми небольшие разницы температур. Они широко используются для усиления новых или существующих систем безопасности, а также для ночного видения на летательных аппаратах, где их обычно называют "FLIR" (от "forward looking infrared" – инфракрасное зрение вперед). При объединении с дополнительными камерами (например, камерой видимого спектра или SWIR) становятся возможны мультиспектральные датчики, использующие преимущества возможностей каждого диапазона обнаружения. Вопреки распространенным заблуждениям, показанным в СМИ, тепловизоры не могут "видеть" сквозь твердые объекты (например, стены), и не могут видеть сквозь стекло или акрил, поскольку оба этих материала имеют собственную тепловую сигнатуру и непрозрачны для длинноволнового инфракрасного излучения.

История

До появления усилителей изображения ночные очки были единственным средством ночного видения и, следовательно, широко использовались, особенно в морской практике. Ночные очки времён Второй мировой войны обычно имели диаметр объектива 56 мм и более, с увеличением в семь или восемь раз. Основные недостатки ночных очков – их большие габариты и вес.

Современная технология

Устройство ночного видения (NVD) – это прибор, включающий в себя трубку усилителя изображения в прочном корпусе, который обычно используется вооруженными силами. В последнее время технология ночного видения стала более доступной для гражданского применения. Например, системы улучшения видимости (EVS) стали доступны для самолетов, чтобы повысить ситуационную осведомленность пилотов и предотвратить аварии. Эти системы входят в состав новейших комплектов авионики от производителей, таких как Cirrus и Cessna. ВМС США начали закупки варианта, интегрированного в дисплей, установленный на шлеме, производства компании Elbit Systems. Определенный тип NVD, очки ночного видения (NVG), представляет собой прибор ночного видения с двумя окулярами. Прибор может использовать одну усиливающую трубку, передающую одно и то же изображение в оба глаза, или отдельную усиливающую трубку для каждого глаза. Очки ночного видения, в сочетании с увеличительными линзами, образуют бинокль ночного видения. К другим типам относятся монокулярные приборы ночного видения с одним окуляром, которые могут устанавливаться на огнестрельное оружие в качестве прицелов ночного видения. Технологии NVG и EVS становятся все более популярными при эксплуатации вертолетов для повышения безопасности. NTSB рассматривает EVS как рекомендованное оборудование для обеспечения безопасности. Ночные очки – это моно- или бинокли с объективом большого диаметра. Большие линзы могут собирать и концентрировать свет, тем самым усиливая его исключительно оптическими средствами и позволяя пользователю лучше видеть в темноте, чем невооруженным глазом. Часто ночные очки также имеют достаточно большой выходной зрачок – 7 мм и более – чтобы весь собранный свет попадал в глаз пользователя. Однако многие люди не могут воспользоваться этим из-за ограниченной способности зрачка к расширению. Для решения этой проблемы солдатам иногда выдавали глазные капли с атропином для расширения зрачков. В настоящее время монокуляр PVS 14 является наиболее широко используемым и предпочтительным прибором ночного видения в силах НАТО. Он используется армией США и известен своей низкой стоимостью, широким спектром применения и возможностью модификации. Некоторые более продвинутые приборы, такие как бинокль PVS 31 и четырехтрубный прибор ночного видения GPNVG 18, используются подразделениями специального назначения, но они дорогостоящие. Монокуляры обычно предпочитают развитые вооруженные силы. Системы ночного видения также могут устанавливаться на транспортные средства. Автомобильная система ночного видения используется для улучшения восприятия водителем и дальности видимости в темноте или при плохих погодных условиях. Такие системы обычно используют инфракрасные камеры, иногда в сочетании с методами активного освещения, для сбора информации, которая затем отображается водителю. В настоящее время такие системы предлагаются в качестве дополнительного оборудования на некоторых автомобилях премиум-класса.

A night vision device (NVD) is a device comprising an image intensifier tube in a rigid casing, commonly used by military forces. Lately, night vision technology has become more widely available for civilian use. For example, enhanced vision systems (EVS) have become available for aircraft, to augment the situational awareness of pilots to prevent accidents. These systems are included in the latest avionics packages from manufacturers such as Cirrus and Cessna. The US Navy has begun procurement of a variant integrated into a helmet mounted display, produced by Elbit Systems. A specific type of NVD, the night vision goggle (NVG) is a night vision device with dual eyepieces. The device can utilize either one intensifier tube with the same image sent to both eyes, or a separate image intensifier tube for each eye. Night vision goggles combined with magnification lenses constitutes night vision binoculars. Other types include monocular night vision devices with only one eyepiece which may be mounted to firearms as night sights. NVG and EVS technologies are becoming more popular with helicopter operations, to improve safety. The NTSB is considering EVS as recommended equipment for safety features. Night glasses are single or binocular with a large diameter objective. Large lenses can gather and concentrate light, thus intensifying light with purely optical means and enabling the user to see better in the dark than with the naked eye alone. Often night glasses also have a fairly large exit pupil of 7 mm or more to let all gathered light into the user's eye. However, many people cannot take advantage of this because of the limited dilation of the human pupil. To overcome this, soldiers were sometimes issued atropine eye drops to dilate pupils. Currently, the PVS 14 monocular is the most widely used and preferred night vision device across NATO forces. It is used by the United States army, and is known for its low cost and wide range of uses and modification ability. Some higher end devices including the PVS 31 binocular and GPNVG 18 quad tube night vision are used by special forces groups, but are costly. Monoculars are generally preferred by developed forces. Night vision systems can also be installed in vehicles. An automotive night vision system is used to improve a vehicle driver's perception and seeing distance in darkness or poor weather. Such systems typically use infrared cameras, sometimes combined with active illumination techniques, to collect information that is then displayed to the driver. Such systems are currently offered as optional equipment on certain premium vehicles.