Помогут ли очки ночного видения в абсолютной темноте? [Veritasium]
[музыка] Что будет, если зайти в лучших в мире очках ночного видения в самую тёмную в мире комнату? От темноты странные ощущения, у некоторых кружится голова. Видна какая-то разница, когда глаза закрыты и когда открыты. По идее, нет. Там слишком темно, внутри никакого освещения, практически ни одного фотона из видимого спектра. Ничего, я готова, тьма тьмущая быть не может! С ума сойти, это PVS 31A, невероятно одни из лучших очков ночного видения в мире, буквально как ночь и день.
Мы приехали на военно-морскую базу в Крейне, в штате Индиана, чтобы проверить, так ли они хороши. Вот теперь всё серьёзно, первый раз пользуюсь прибором ночного видения, гасим свет. Ого, ничего себе! Этот ролик об очках ночного видения пришлось снимать в полной темноте. Это сложно, ведь камерам нужны фотоны. Проходя через линзы объектива, они фокусируются на матрице и, выбивая из неё электроны, создают заряд. Он преобразуется в напряжение и цифровые присваивают каждому пикселю величину из единицы нулей.
При необходимости можно подкрутить ИВК камеры, что усилит напряжение и сделает изображение светлее для наглядности. Вот так я выгляжу, когда из освещения одна свечка, если выставить на 6400. А теперь разделим экран справа, то же самое, при чувствительности в 10 раз выше, так в темноте видно гораздо лучше. Примерно также при довольно слабом освещении видит человеческий глаз.
А вот что будет, если выставить на максимум 49600. Такие настройки мы использовали в этом ролике для съёмок в темноте, и всё равно видео получилось очень тёмным. База расположена посреди леса, вдали от цивилизации, и для нас выключили всё уличное освещение. Отлично! К тому же, съёмки мы специально запланировали на безлунную ночь. В таких условиях ночного видения на военном автомобиле и никаких фар. Главное не спутать передачу. Очень важно правильно выбрать тип очков ночного зрения.
Почти все приборы, которые можно легко найти в свободном доступе, работают как фонарик, который надевается на голову, разве что свет в них не из видимого спектра, а ближний инфракрасный, с длиной волны чуть больше, чем воспринимает глаз. Специальная встроенная камера его улавливает, потом выводит видимое для нас изображение на небольшой экран. Это простейшая и самая дешевая конструкция для ночного видения. Её называют активной подсветкой.
Всего существует три типа приборов ночного видения, для этого разрабатываются технологии в разных областях. Некоторые устройства освещают сами, некоторые усиливают то, что уже есть, а некоторые видят в инфракрасном спектре. В отличие от остальных устройств, те, в которых используется активная подсветка, стоят меньше 200 долларов. Кажется, тут довольно сильное увеличение. Картинка не один к одному. Нет, похоже больше, поскольку такие устройства дешевле и проще в производстве. На активной подсветке работают почти все доступные в открытые продажи очки и камеры ночного видения.
С такими очками я и начал свои попытки покататься на машине в полной темноте. Понятия не имею, где тут фокус. Вы бы это видели, вы бы так перепугались! Смотрю на дорогу, но фокус выставлен по первому конусу. Какой кошмар! Крайне не рекомендую! Я даже не понимаю, с какой скоростью еду. Ещё проблема в этих очках: всё кажется ближе, изображение трясётся как-то очень хаотично, просто всё скачет. Совсем не удивлюсь, если время в другую машину. О Боже, прямо! Выправляется, машину прямо едем, прямо, прямо, прямо!
Бен надел военные очки ночного видения, поэтому он-то хорошо видит, куда мы едем. Левее, ещё левее, сюда. Думаю, достаточно! Если бы мне не подсказывали, мы бы столько раз во что-нибудь врезались. Ещё что-то! Мне немного дурно! Такие дела. Это весомый недостаток активной подсветки, то что я вижу на экране, появляется там с довольно большой задержкой. В большинстве цифровых устройств всё упирается в частоту кадров, то есть при 24 кадрах в секунду минимальная задержка будет 12-24 секунды, где-то десятки миллисекунд. Этого хватит, чтобы человека укачало, и он потерял координацию.
Ох! Кинешь мне фризби? Ты ловить то будешь? Да, я ничего не вижу, честно говоря. С этим я готов заканчивать! Задержка ужасная, и у меня перед глазами всё прыгает и трясётся! Другой недостаток активной подсветки – ограниченная видимость. Такие очки показывают только те участки, которые освещают. Но главная причина, по которой их не использует армия, довольно проста: они слишком заметны. Яркий источник почти инфракрасного света довольно легко засечь.
Очками совсем иного типа, которые, кстати, видят ближние инфракрасные излучения, и через них мы смогли заснять активную подсветку. У вас такое бывало, чтобы вы вышли в очках ночного видения и засекли кого-нибудь с активной подсветкой? Оставлю без комментариев. Понимаю, для военных нужд необходимо что-то гораздо менее заметное, поэтому никаких инфракрасных фонариков армия полагается исключительно на второй тип очков.
Яр изображения? Ну что, можно мне уже хорошие очки? О, Боже, да! Это буквально как ночь и день! Ну что, поехали. Ого, как уверенно начал, потому что теперь всё видно. Ничего себе, еду прямо на конус, сейчас объеду его слева, теперь между двумя. О, да, как будто белым днём еду. В таких устройствах делают на то скудное освещение, которое имеется. Очки такого типа физически увеличивают количество фотонов, которые в них попадают, делая то, что мы видим, во много раз светлее.
А можете рассказать о том, насколько ярче становится изображение? Да, определённо не меньше, чем в тысячи раз! Тысячи раз светлее! Да, эти очки очень лёгкие, поэтому их можно носить больше 10 часов подряд, и работают они от простой пальчиковой батарейки. Вести машину в них было совсем не сложно, момент, я даже немного забылся. Давайте на углу чуть помедленнее. Хорошо, поскольку в очках нет камеры и цифрового дисплея, задержки изображения практически нет. Можно свободно крутить головой, и картинка плавать не будет.
Свет очень быстро проходит сквозь очки до глаз, поэтому задержка получается где-то в микросекунды, а может и меньше, всего наносекунды. Как будто на вас вообще нет никаких очков! Мне всё просто отлично видно! Давайте сравню с тем, как без очков. Ничего себе! А через очки мне гораздо больше нравится! В этот момент мы обнаружили ещё один плюс ночного видения: небо невероятное! Очки так усиливают свет звёзд, что всё вокруг сияет, и ночное небо открывается во всём своём великолепии!
Эмили, ты просто с ума сойдёшь, когда это увидишь! Боже мой, спутники и Млечный путь видно так хорошо! Ну ладно, я вполне могу сесть в них за руль. Ого, какой вид! Такое ощущение, что едешь по заснеженному городу, вокруг всё поблёскивает белым. Здорово! Вообще, по-моему, очень расслабляет! Я заметил только одну проблему у этих очков: довольно ограниченный обзор, никакого периферийного зрения. Если попробовать показать руками, то, пожалуй, вот это в сне, но у военно-морского флота есть очки получше тех, которые мы только что испытали, это GPNVG 188.
Они тоже усиливают естественное освещение, но вдобавок у них есть монокуляры, за счёт которых увеличивается обзор. Эта оптическая конструкция позволяет совместить изображение со всех монокуляров в одну панорамную картинку. В них можно смотреть по сторонам, не вращая головой. Ночного видения в мире в онлайн-продаже они стоят больше 40 тысяч долларов. Кстати, именно в них отряд морских котиков проводил рейд на Усаму бен Ладена в 2011. Потрясающе! В этих очках я готов чем угодно заниматься, когда всё вокруг видно, чувствуешь себя гораздо увереннее!
Ещё одно преимущество этих очков – очень высокое разрешение. Когда мы говорим об устройстве ночного видения, мы рассуждаем о разрешении не с точки зрения пикселей, мы говорим о линиях на миллиметр, сколько пар можно разместить на миллиметре физического пространства. Для военных целей подходят очки, в которых на миллиметр приходится не меньше 64 пар линий. За выводом о том, почему нужно именно такое разрешение, стоит очень тонкий длительный процесс работы. Этому надо учиться годами, полгода будет достаточно.
Сейчас надо, чтобы была полная темнота! Так, вижу яркую диаграмму с одной стороны. Плюс 2. Так ведь, да? Давайте не будем рассказывать, что там написано. Хорошо, не буду говорить, что там на самом деле! Эта проблема возникала довольно часто, к сожалению, не могу распространяться, не буду давать комментарии по этому поводу. Не могу об этом говорить о том, как устроена микроканальная пластина и фотокатод. Это рассказывать в изготовлении очков ночного видения используются самые передовые технологические достижения, и многое держится в тайне.
В этом видео я рассказываю буквально всё, чем ВМС США готовы поделиться с публикой. Испытание целиком мы продемонстрировать не можем. Зато можем показать вот что! Там среди деревьев можно увидеть специальные таблички, на которых мы проверяем устройство ночного видения. В другой стороне, на другом расстоянии, тоже установлены таблички. Чем лучше становится оптика, тем дальше становится видно. Приходится калибровать приборы на больших расстояниях, чтобы определить, какого качества получается изображение. Конечно, в лаборатории мы просчитываем итог, ничто не заменит проверку в поле!
Разрешение очков ночного видения измеряют линиями на миллиметр, потому что изображение усиливается аналоговыми методами, а не цифровыми. Это и есть ответ на вопрос, почему военные очки так хорошо имитируют наше обычное зрение. В цифровых камерах фотоны преобразовываются в дискретное значение на пикселях, отсюда проблемы с частотой обновления и ограничения по разрешению. А технологии усиления изображения подразумевают непрерывное повышение яркости в реальном времени в масштабе один к одному. Вот как это устроено.
В темноте слабый свет, например, от звёзд, отражается от окружающих предметов, и фотоны попадают в монокуляр прибора ночного видения. Линза фокусирует эти фотоны, переворачивая изображение, а затем свет проходит три этапа. Сначала фотоны попадают на тонкую пластинку под названием, сделанную из полупроводников или щелочных металлов. Это приводит к возбуждению электронов, которые выбрасываются в вакуум. За счёт напряжения они разгоняются и летят прямиком на другую тонкую преграду, так называемую микроканальную.
Сложены под углом примерно 5°, чтобы электроны врезались в стенки, из которых при этом высвобождаются новые электроны. Эти электроны снова врезаются в стенки стеклянных трубок, и так образуется целая лавина частиц. Даже если на входе было совсем мало электронов, на выходе их будет тысяча. Этот поток извергается из трубок и вновь разгоняясь за счёт напряжения летит по прямой и врезается в люминесцентный экран, покрытый люминофором, веществом, которое светится под воздействием излучения.
Кинетическая энергия электронов преобразовывается в фотоны видимого света. Получается, что поток фотонов без заметных искажений усиливается в тысячи раз, и на выходе мы видим то же изображение, но светлее. Наконец, дело доходит до 20 миллионов оптических волокон, прикреплённых к экрану. Они переворачивают картинку в нужное положение. Фотокатод десятки лет использовали люминофор с зелёным свечением. Именно выбором цвета экрана мы обязаны к классической зеленоватой картинке ночного видения из кино и видеоигр.
Но при плохом освещении в зеленой части спектра человек видит не лучшим образом. На сетчатке расположены два типа фоторецепторов: палочки и колбочки. Колбочки полезнее при хорошем освещении, помогают различать цвета, они находятся в центре сетчатки. При плохом освещении лучше работают палочки, расположенные по краям. По этой причине мы иногда уголком зрения замечаем тусклые звёзды. Но стоит перевести на них взгляд, как они пропадают. Палочки чувствительнее всего к свету синей части спектра, поэтому в PVS 31A мир выглядит так. В них используется белый люминофор, который придаёт голубоватый оттенок, с которым человеческому глазу проще различать детали.
Мы решили проверить, насколько хорошо эти очки усиливают свет, установили их в ярко освещённой комнате, но закрыли крышечка с маленьким отверстием по центру. Света в очки попадало очень мало, но картинка все равно была светлее, чем без них. В еще более ярком освещении поместить очки было нельзя. Но дело совсем не в том, что это ослепило бы человека, который их носит, как показывают в кино. Что будет, если снять заглушку? При включенном свете всё зальёт белым. Нет, очки будут работать, но их так держать не стоит.
Что будет, если проверить усиление яркости в ровно противоположных условиях, в абсолютной темноте? Чтобы это узнать, мы нашли место, где нет вообще никакого света. Помещение под землёй, тщательно запечатанное, где нет почти ни одного фотона. Должно быть интересно! Морской баз Крейн обычно здесь испытывают лёгкое стрелковое оружие. Это помещение можно запечатать так, что здесь будет полная темнота. Практически никакого видимого света не будет, внутри никакого освещения, практически ни одного фотона из видимого спектра. Ничего нет! Сейчас мы выключим свет, тут станет очень-очень темно! В дополнение, заполним помещение дымом.
У ВМШ на успех не так уж велики! Что произойдет, если слишком долго находиться в абсолютной темноте? Появляются странные ощущения, примерно как в звукопоглощающем. Не слышно из-за сенсорной депривации, у некоторых кружится голова, кому-то становится некомфортно. Ясно, 3, 2, 1! Ничего не видно! Так, ночное видение включил в PVS 31A, при полной темноте видно только, что очки работают! Очень похоже на метель, если смотреть в ту сторону. Мне почти ничего не видно, только мелкий снег. Шум возникает из-за того, что в очках всё-таки движутся электроны.
Во-первых, из-за термоэлектронной эмиссии тепло даёт некоторым электронам достаточно энергии, чтобы вырваться из металла. Во-вторых, электрическое поле в очках мощное, что выдергивает электроны из фотокатода. Лицо видно, очки немного светятся. Так что может быть этого хватит? Эти очки лишь усиливают тот цвет, который уже есть, поэтому для подобных устройств необходим источник света. Пусть совсем тусклый, но что-то должно быть. В кромешной тьме даже устройство с активной подсветкой сработают куда лучше.
Это другое дело, всё-таки, если никакой свет не проникает, помещение придётся хоть как-нибудь подсветить. А можно прибегнуть к последнему способу — тепловидению. Невозможным глазом я даже не вижу знак выхода, а в очках сразу понятно, где он. Очки с усилением яркости стремятся приблизиться к обычному зрению, тепловизоры идут по другому пути. В электромагнитном спектре у инфракрасных волн длина больше, чем у видимого света. Более короткие волны до инфракрасного света средней длины отражательные, то есть обычные предметы сами их не излучают. Нужен какой-то источник.
В темноте мою рубашку не разглядеть, нужно, чтобы от неё отразился какой-то свет. Поэтому очки с активной подсветкой излучают в ближнем инфракрасном диапазоне. Однако длинные волны инфракрасного спектра предметы излучают самостоятельно, а значит, источник света не нужен. Электромагнитное излучение свойственно всем предметам. Это вытекает из закона Планка. Короткие волны видимого света излучают только очень горячие объекты, например, звезды. А длинные инфракрасные — буквально что угодно.
Для тепловой визуализации, в отличие от других способов ночного видения, не нужен ни внешний, ни встроенный источник света. Поэтому тепловизоры незаменимы в полной темноте, как у нас тут в тире. К тому же это удачный ри-код, или дым. Сейчас я зайду подальше в дым, посмотрим, будет ли меня видно без очков, а потом проверим, что покажут инфракрасные камеры. Так, сейчас я тебя вообще не вижу! Дек решил размяться, даже не думал, что я столько всего излучаю.
Ночное видение показывает то, что невооружённым глазом рассмотреть вообще невозможно. Объекты, которые находятся под землёй, или следы недавнего прикосновения к предмету. Наконец, большое достоинство тепловидения — это дистанция, она больше, чем у военных очков ночного видения. Мы решили установить цель на расстоянии сотен метров от этой башни, сравнить инфракрасную камеру и очки PVS 31. Невооружённым глазом в безлунную ночь человек с зажигалкой на этом расстоянии виден вот так, вот таким образом в очках ночного видения.
А вот так в объективе инфракрасной камеры. Вот так виден человек, который листает что-то в телефоне. То есть совсем никак в очках ночного видения он едва различим. В объективах всё как на ладони! Но и у тепловой визуализации есть свои недостатки. Эта цифровая система с задержками, как при активной подсветке. Ночные тепловизоры не очень популярны: хорошие инфракрасные камеры большие и энергозатратные! Портативными их не сделать, поскольку они фокусируют только тепловое излучение.
В них многое не видно, например, буквы на знаках. Вот табличка в инфракрасном спектре и FP ВС что видно, только за счёт отражения световых волн. Инфракрасным камерам недоступно FC. А это не понимаю! ZF или ZP. Нельзя сказать, что какая-то из технологий однозначно лучше других. Везде приходится идти на компромиссы, соглашаться на низкое разрешение, задержку, учитывать освещение, скрытность, портативность.
История разработки очков ночного видения сводит потери к минимуму. Первое устройство такого рода создавалось для снайперов во время Второй мировой. В Корейской войне в НМ использовали активную инфракрасную подсветку, примерно так же, как в самых доступных очках сегодня. Затем уже для Вьетнамской войны разработали Н-1. В нём использовали примитивный электронно-оптический преобразователь, только фотокатод и фосфорный экран. Без микро канальной пластинки три одинаковых секции были установлены вряд устройство, которое давало плохую картинку. Однако чувствительности хватало, чтобы видеть что-то при свете Луны и звёзд.
Отсюда прозвище Starlight — звёздный свет. В шестидесятых и семидесятых разработали ДН-2, в нём появилась, появилась в конце тех фотокатод, начали делать из полупроводника арсенида галия, что позволило более эффективно выбивать электроны с помощью фотонов. Микроканал тоже не прекращает новые разработки. Из того о МГУ, говори, усилия направлены на то, чтобы расширить инфракрасный спектр. Ищут способы сделать их чувствительными к более длинным волнам, снижая при этом количество шума.
Как вы сами увлеклись очками ночного видения? В начале двухтысячных я служил в морской пехоте. Тогда, во время операции «Иракская свобода», у нас были очки, похожие на эти. В общем, это и было одной из решающих причин, по которым и УВК. Я постоянно ими пользовался. Очки неплохие, но не идеал, есть над чем работать! Инфракрасные устройства у нас тоже были, и вот они никуда не годились. Применяли их часто, и я постоянно спрашивал себя, ну почему не сделать лучше устройства ночного видения полезны далеко не только для армии?
Где ещё могут пригодиться такие очки? В спасательных и поисковых работах, там, где нет электропитания, слишком темно, а действовать нужно быстро. Тепловая визуализация уже превратилась в целую самостоятельную область. Инфракрасными камерами пользуются пожарные, инспекторы строительных комиссий и медики, а микрокальцит обсерватории Чандра, которая помогает нам изучать таинственный мир за пределами доступного глазу. Ого, очень красиво! Меня аж на слезу пробило! Так, всё нормально? Кажется, что меня никто не видит, потому что темно! Но ты же в очках!
Ну ладно, переведено и озвучено студией Вертдайдер.