Ile razy ktoś powiedział ci: "Jeśli zjesz wszystkie marchewki, będziesz w stanie widzieć w ciemności".
Gdyby to była prawda, żołnierze, marynarze i piloci nie ruszaliby się nigdzie bez marchewki w kieszeni.
W rzeczywistości okulary na podczerwień są o wiele bardziej przydatne do przenikania ciemności niż jakikolwiek owoc lub warzywo.
To trochę jak posiadanie elektronicznych oczu, które zwiększają zdolność widzenia w nocy.
Gogle noktowizyjne lub lornetki są rozwiązaniem ułatwiającym poruszanie się i obserwowanie dzikiej przyrody w ciemności.
Ale w jaki sposób te inteligentne urządzenia przekształcają ciemność w światło za pomocą podczerwieni?
Przyjrzyjmy się temu bliżej!
Jakiego rodzaju noktowizora używają zwierzęta?
Ludzie są zaprojektowani do życia w ciągu dnia i spania w nocy. Siatkówka (część naszych oczu wrażliwa na światło) zawiera komórki zwane czopkami (do widzenia kolorowego światła) i pręcikami (do wykrywania ruchu i słabego światła).
Mamy 20 razy więcej pręcików niż czopków (120 milionów pręcików i tylko 6 milionów czopków), ale ludzkie widzenie w nocy jest nadal przeciętne.
Aye aye, niezwykła madagaskarska sowa nocna.
Zwierzęta, które żyją w ciemności, mają zwykle znacznie większe źrenice (otwory przed oczami) niż my, aby wpuścić więcej światła.
Tarsiery, na przykład, mają ogromne oczy w stosunku do wielkości swojego ciała. Podobnie jak w przypadku innych nocnych gatunków, ich siatkówka zawiera znacznie więcej pręcików niż ludzkie oko.
Koty, które również spędzają większość czasu polując w nocy, należą do stworzeń, których oczy zawierają tapetum. Jest to naturalne lustro, które odbija światło od oka.
Jego rolą jest sprawianie, że wpadające światło odbija się dwukrotnie od siatkówki, dzięki czemu zwierzę ma dwa razy większe szanse na zobaczenie różnych rzeczy.
To dlatego koty tak dobrze widzą w ciemności - a gdy świecisz im latarką, ich oczy odbijają światło jak lustro.
Ludzie nie mogą korzystać z żadnej z tych sztuczek. Nasze źrenice otwierają się szerzej przy słabym oświetleniu, ale nie na tyle, by pomóc nam widzieć wyraźnie w nocy. Nasze oczy nie mają wystarczającej liczby pręcików i nie mamy gałki ocznej.
Co więc możemy zrobić, aby widzieć w nocy?
Możemy użyć technologii!
Jak wynaleziono noktowizor na podczerwień?
Gogle noktowizyjne na podczerwień
Wyobraź sobie, że Twoim zadaniem jest wynalezienie lornetki lub teleskopu, który pomoże ludziom widzieć w nocy.
To, co musisz zrobić, jest oczywiste.
Promienie światła wpadają do okularów od przodu. Trzeba je więc jakoś przechwycić, wzmocnić, a następnie wysłać do oczu użytkownika.
Ale jak przechwycić i wzmocnić światło?
Lornetki, teleskopy, a nawet zwykłe okulary skupiają światło, ale nie czynią go jaśniejszym.
Łatwo jest wymyślić parę okularów, które tłumią światło: wystarczy pokryć soczewki produktem, który pochłania część światła - tak działają okulary przeciwsłoneczne. Ale okulary, które sprawiają, że rzeczy stają się jaśniejsze, nie są takie proste.
Z drugiej strony, bardzo łatwo jest zwiększyć moc elektryczną.
Ludzie wynaleźli różnego rodzaju urządzenia elektryczne, które pobierają niewielki prąd elektryczny (przepływ energii elektrycznej) z jednego końca i wytwarzają większy przepływ z drugiego.
Nazywa się to wzmacniaczem.
Na przykład aparat słuchowy wykorzystuje niewielki element elektroniczny zwany tranzystorem do wzmacniania dźwięków (zwiększania ich głośności) odbieranych przez mikrofon, dzięki czemu osoba niedosłysząca może łatwiej słyszeć.
Gitara elektryczna wykorzystuje znacznie mocniejszy wzmacniacz, aby przekształcić dźwięki wytwarzane przez szarpanie strun w dźwięki, które mogą wypełnić stadion.
To właśnie ta zasada wzmocnienia w połączeniu ze światłem doprowadziła do opracowania noktowizorów na podczerwień.
A gdyby tak przekształcić światło w elektryczność, wzmocnić elektryczność, a następnie przekształcić wzmocnioną elektryczność z powrotem w światło?
To powinno sprawić, że światło będzie znacznie jaśniejsze i umożliwi nam widzenie nawet w nocy...
I tak właśnie się stało.
Jak działają gogle noktowizyjne?
W teorii
Gogle noktowizyjne wzmacniają ciemną scenę w serii prostych kroków :
- Słabe światło z nocnej scenerii wpada do obiektywu z przodu. Światło to składa się z fotonów (cząstek światła) wszystkich kolorów.
- Kiedy fotony wpadają do okularów, uderzają w światłoczułą powierzchnię zwaną fotokatodą. Jest to trochę jak ultraczuły panel słoneczny: jego rolą jest przekształcanie fotonów w elektrony (małe cząstki subatomowe, które przenoszą energię elektryczną w obwodzie).
- Elektrony są wzmacniane przez fotopowielacz, rodzaj fotokomórki. Każdy elektron wchodzący do fotopowielacza powoduje wyjście z niego wielu innych elektronów.
- Elektrony opuszczające fotopowielacz uderzają w ekran fosforowy, podobny do ekranu w staromodnym telewizorze. Gdy elektrony uderzają w luminofor, tworzą małe błyski światła.
- Ponieważ fotonów jest znacznie więcej niż tych, które dostały się do okularów, ekran wytwarza znacznie jaśniejszą wersję oryginalnej sceny.
W praktyce
W rzeczywistości, jak widać na tej ilustracji patentowej monokularu noktowizyjnego Land Warrior zaprojektowanego przez Gary'ego Palmera z ITT, fotokatoda i fotopowielacz - elementy wzmacniacza obrazu - są tylko centralną częścią bardziej złożonego (ale wciąż stosunkowo konwencjonalnego) układu optycznego.
Nie zniechęcaj się wszystkimi szczegółami; pokolorowałem i podświetliłem niektóre kluczowe elementy, aby pokazać, jak to wszystko do siebie pasuje.
Używając liczb na rysunku i pracując od lewej do prawej:
40 to obiektyw (soczewka znajdująca się najbliżej obiektu, na który patrzysz); 42 to zasadniczo mechanizm ustawiania ostrości; 50 to jednostka wzmacniająca obraz (odpowiadająca częściom 2, 3 i 4 mojego uproszczonego rysunku powyżej); 54 to kolimator, który zwęża i wyrównuje przechodzące przez niego promienie światła; 58 i 62 to lustra; 14 to okular. Na dole, 78 to regulator napięcia, a 81 to akumulator.
Dlaczego noktowizor jest często wyświetlany na zielono?
Nawet w nocy fotony uderzające w soczewkę z przodu gogli noktowizyjnych niosą światło we wszystkich kolorach.
Jednak gdy fotony są przekształcane w elektrony, nie ma możliwości zachowania tych informacji.
W rzeczywistości przychodzące kolorowe światło jest przekształcane w czarno-białe.
Dlaczego więc gogle noktowizyjne nie są zawsze czarno-białe?
Luminofory w ekranach urządzeń noktowizyjnych są celowo wybierane do tworzenia zielonych obrazów, ponieważ nasze oczy są bardziej wrażliwe na zielone światło.
Łatwiej jest również patrzeć na zielone ekrany przez dłuższy czas niż na ekrany czarno-białe (dlatego też wczesne ekrany komputerowe były zazwyczaj zielone).
Czy sprzęt na podczerwień może widzieć w całkowitej ciemności?
Gogle noktowizyjne i lornetki, takie jak te opisane powyżej, są czasami nazywane wzmacniaczami obrazu, ponieważ pobierają niewielką ilość światła dostępnego w bliskiej ciemności i zwiększają ją na tyle, aby nasze oczy mogły widzieć.
Załóżmy na przykład, że jesteś strażakiem próbującym sprawdzić, czy ktoś jest uwięziony w zadymionym budynku, wzmacniacz obrazu byłby tak samo bezużyteczny jak twoje własne oczy.
Potężne kamery termowizyjne są bardzo przydatne dla strażaków pracujących w obszarach, w których gęsty dym ogranicza widoczność.
Alternatywą jest użycie tak zwanego obrazowania termowizyjnego. Zamiast szukać światła, które obiekty odbijają, szukamy ciepła, które wydzielają.
Ogólnie rzecz biorąc, żywe stworzenia poruszające się w ciemności są cieplejsze niż ich otoczenie, podobnie jak pojazdy i maszyny.
Ciepłe obiekty emitują promieniowanie podczerwone, które jest podobne pod względem energii do światła, ale ma nieco większą długość fali (niższą częstotliwość).
Stosunkowo łatwo jest stworzyć kamerę, która przechwytuje promieniowanie podczerwone i przekształca je w światło widzialne: działa ona jak aparat cyfrowy, z tą różnicą, że układ czujnika obrazu (urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) lub czujnik obrazu CMOS) reaguje na podczerwień zamiast na światło widzialne; nadal generuje obraz widoczny na ekranie w taki sam sposób, jak zwykły aparat cyfrowy.
Inne typy kamer termowizyjnych wykorzystują różne kolory do wskazywania obiektów o różnych temperaturach. Są one powszechnie używane do pokazywania pewnych rodzajów informacji, takich jak utrata ciepła ze słabo izolowanego budynku.
External content
