Зрение в темноте - это все из-за фотонов, электронов и люминофора.
Традиционно очки ночного видения отображают свои сцены в зеленом и черном цветах. Здесь пилот C-17 надевает защитные очки в феврале 2022 года. Национальная воздушная гвардия США / Мисти Бикой
Если вы хотите иметь возможность видеть в темноте, хорошим первым шагом будет включить свет. Вот почему у автомобилей есть фары, ночные туристы носят фары, а любители выгула собак носят фонарики после захода солнца. Добавление искусственного света к сцене делает ее узнаваемой.
Но есть и другой способ видеть в темноте, который включает в себя часть военного снаряжения: очки ночного видения. Если вы когда-либо видели сцену с зеленым оттенком в фильмах и задавались вопросом, как работает оборудование такого типа, вот посмотрите на трехэтапный процесс, который происходит внутри устройств такого типа.
Член Национальной гвардии ВВС Гавайев испытывает очки ночного видения; модель, которую он использует, показывает белый люминофор, а не зеленый. Национальная воздушная гвардия США / Мисти Бикой
Как работает ночное зрение?
Когда светит солнце, причина, по которой вы можете видеть объект, например, дерево поблизости, заключается в том, что свет отражается от него и попадает в ваши глаза. Конечно, этот отраженный свет не существует в тех же количествах ночью. Другими словами, после наступления темноты “очень мало фотонов”, отмечает Мэтью Ренци, старший инженерный директор L3Harris, оборонного подрядчика, который производит прибор ночного видения для армии под названием ENVG-B. (Напомним, что свет ведет себя как волна, так и частица. Фундаментальные частицы света называются фотонами.)
Представьте, что один фотон попадает в очки. Первый трюк, который выполняет прибор ночного видения, связан с этим входящим фотоном. “Мы преобразуем этот фотон в электрон с помощью фотокатода”, - говорит Ренци. “Это специализированный материал, который существует для того, чтобы осуществить переход от одного фотона света к этому электрону”.
Короче говоря, этот шаг включает в себя преобразование частиц из области света в область электричества.
[По теме: Давайте поговорим о том, как летают самолеты]
Следующий шаг включает усиление сигнала от этого электрона, и для этого устройство использует встроенную батарею, например, от одной или двух батареек типа АА. “Этот электрон значительно размножается”, - говорит Ренци, отмечая, что его можно было бы умножить “в десятки тысяч” раз. В то время как часть устройства, которая преобразует фотон в электрон, называется фотокатодом, эта часть, которая увеличивает громкость электрона, известна как микроканальная пластина.
Солдат в центре, на глазах у него очки ночного видения ENVG-B. На этом изображении отображается как традиционная информация ночного видения, так и тепловое зондирование. Армия США / Пьер Осиас
Наконец, информация должна быть перенесена обратно в визуальную сферу, чтобы тот, кто смотрит через очки, мог видеть сцену. Это происходит благодаря люминофорному экрану, который пользователь может видеть, когда смотрит в окуляр. “Люминофорный экран - это то, что забирает энергию у этих электронов и преобразует ее обратно в видимый свет”, - говорит Ренци.
Белый и черный - это новые зеленый и черный
На последнем этапе создаются традиционные зеленые и черные изображения, но Ренци говорит, что вместо зеленого цвета более современные устройства сегодня отображают сцену в черно-белом цвете. “Вы можете сказать, что зеленый и белый цвета эквивалентны с точки зрения измеримой производительности, но человеческий глаз воспринимает белый и черный цвета лучше, чем зеленый и черный”, - утверждает он. Различие между белым и зеленым люминофором также проявляется, когда речь заходит о приборах ночного видения, которые продаются.
Короче говоря, чтобы сделать темную сцену более заметной, эти устройства принимают фотоны, преобразуют их в электроны, усиливают эти электроны, а затем снова преобразуют эту информацию в видимую. В некоторых случаях очки ночного видения будут включать “осветитель”, который на самом деле создает небольшое количество нового света, чтобы осветить сцену, говорит он.
Ренци отмечает, что части электромагнитного спектра, которые воспринимают эти типы очков ночного видения, относятся как к видимому диапазону, так и к ближнему инфракрасному диапазону; ближний инфракрасный диапазон - это часть спектра, которая находится рядом с красной частью видимого спектра. Это дурацкое видео НАСА разрушает этот спектр:
Традиционные очки ночного видения фокусируются на свете как видимой, так и ближней инфракрасной частей электромагнитного спектра, которые, наряду с коротковолновым инфракрасным излучением, “являются частью того, что мы называем отражающими полосами — когда вы все еще смотрите на свет, который отражается от чего-то”, - говорит он.
Между тем, другое устройство — тепловизионная камера — видит другую часть электромагнитного спектра, длинноволновую инфракрасную область; это излучение, в отличие от отраженного света. По словам Ренци, эта часть спектра находится “за пределами видимости ваших традиционных очков ночного видения”. Устройство от L3 Harris под названием ENVG-B на самом деле сочетает в себе как традиционные очки ночного видения, фокусирующиеся на видимом спектре, так и на ближнем инфракрасном диапазоне (оба из которых являются отраженным светом), а также тепловое зондирование из длинноволновой инфракрасной области, которое может видеть, например, излучаемое тепло тела.
Разницу между этими двумя типами информации можно представить в подобном сценарии: “Допустим, кто-то был на расстоянии и за какими-то листьями”, - говорит он. “Вы, вероятно, уловили бы это тепло с помощью длинноволнового инфракрасного излучения, [что] могло быть сложнее с [просто] отражающей полосой - но вы, возможно, мало что знаете об этом в тот момент — вы бы просто увидели, что там есть немного тепла”.
В конечном счете, он говорит, что технология, позволяющая людям видеть в темноте, развивалась на протяжении десятилетий. Более старые системы с подходом “пассивной визуализации” нуждались в “сценарии полнолуния или каком-то рассеянном освещении”, говорит он. Сегодня очки ночного видения могут “использовать звездный свет”.
