Дерек Мюллер, ведущий популярного научно-популярного канала Veritasium, отправился на засекреченную военную базу ВМС США Crane в штате Индиана, чтобы протестировать самые передовые технологии ночного видения. В ходе уникальных испытаний в условиях абсолютной темноты и искусственного задымления он разобрался в физических принципах работы различных поколений оптических приборов, сравнил аналоговые и цифровые системы, а также выяснил, почему военные до сих пор отдают предпочтение технологиям полувековой давности, модернизированным под современные нужды.
📸 Как камеры видят в темноте и что такое ISO 0:51
Для того чтобы зафиксировать происходящее в темноте на обычную камеру, операторам Veritasium пришлось снимать видео на пределе технических возможностей оборудования. Стандартные цифровые камеры работают за счет фокусировки фотонов света на полупроводниковом сенсоре. Попадая на матрицу, фотоны выбивают электроны, создавая электрический заряд, который затем преобразуется в напряжение и оцифровывается в единицы и нули для каждого отдельного пикселя.
В настройках камер существует параметр ISO, который фактически отвечает за искусственное усиление этого напряжения для получения более яркого изображения. Для демонстрации возможностей современной оптики Мюллер привел сравнение съемок одной и той же сцены, освещенной всего одной свечой:
- При значении ISO 6 400 картинка остается темной и малодетализированной.
- При повышении ISO до 64 000 на сплит-экране отчетливо проступают детали в тенях, что примерно соответствует уровню чувствительности человеческого глаза в условиях плохой освещенности.
- На максимальном для используемой камеры значении ISO 409 600 изображение становится максимально ярким, хотя и приобретает характерный цифровой шум.
Именно на этом максимальном значении чувствительности снимались все ночные кадры выпуска, поскольку на военной базе по договоренности с руководством были отключены все уличные фонари, а сами съемки намеренно планировались на безлунную ночь.
🔦 Активная подсветка: ночное видение для гражданских 2:23
Все доступные на гражданском рынке недорогие приборы ночного видения (ПНВ) работают по принципу, который Мюллер сравнил с закреплением невидимого фонарика на голове. Этот фонарь излучает свет в ближнем инфракрасном диапазоне (Near-Infrared), длина волны которого чуть больше той, что способен воспринимать человеческий глаз. Специальная камера фиксирует отраженное инфракрасное излучение и выводит готовую картинку на миниатюрный экран перед глазами пользователя. Такая технология называется активной подсветкой.
Подобные системы крайне дешевы в производстве — коммерческий образец, использованный в видео, обошелся создателям менее чем в 200 долларов, в то время как профессиональные военные приборы стоят тысячи. Именно активная подсветка используется в абсолютном большинстве камер безопасности и потребительских ПНВ. Однако попытка Мюллера управлять военным тактическим автомобилем в таких очках едва не закончилась аварией.
Как показал эксперимент, у гражданских цифровых ПНВ есть критические недостатки:
- Проблема масштабирования и фокусировки. Картинка кажется сильно приближенной, из-за чего водитель полностью теряет ориентацию в пространстве и не может определить расстояние до объектов.
- Эффект «желе» (Rolling Shutter). При движении головой изображение начинает jiggling (трястись и плыть), дезориентируя водителя.
- Ограниченный радиус действия. Пользователь видит ровно до тех пор, пока долетает луч инфракрасного прожектора.
- Временная задержка (Lag). В цифровых системах скорость обработки ограничена частотой кадров. При 24 кадрах в секунду задержка составляет не менее 1/24 секунды (десятки миллисекунд). Этого достаточно, чтобы вызвать сильное укачивание (motion sickness) и нарушить координацию движений. В ходе теста Мюллер даже не смог поймать брошенный ему фрисби.
Главная же причина, по которой активная подсветка категорически не подходит для боевых действий — прибор не является пассивным. Для любого противника, снабженного даже простейшим тепловизором или ПНВ, солдат с активной подсветкой выглядит как человек с ярким включенным прожектором на лбу.
🦅 Электронное усиление: секретное оружие военных 6:19
Военные структуры полагаются исключительно на второй тип ночного видения — электронное усиление света (Image Intensification). Когда Мюллер надел армейские очки PVS-31A, он описал разницу фразой «это буквально как день и ночь». Скорость и уверенность его езды за рулем автомобиля сразу же пришли в норму.
Эта технология не создает собственного излучения, а физически усиливает уже существующий в окружающем пространстве слабый свет. По словам сопровождавшего ведущего военного специалиста Бена, коэффициент усиления света в таких трубках составляет как минимум тысячи раз. При этом современные приборы настолько энергоэффективны, что способны непрерывно работать более 10 часов всего от одной стандартной батарейки формата АА.
Поскольку в аналоговых электронно-оптических преобразователях (ЭОП) нет цифровых матриц и дисплеев, задержка сигнала между входом фотона и выходом усиленного света практически отсутствует. Бен пояснил, что это время находится на уровне микросекунд или даже наносекунд. Из-за этого при повороте головы мир движется абсолютно естественно, без шлейфов и укачивания.
Дополнительным бонусом использования военных ПНВ Мюллер назвал невероятный вид на ночное небо: прибор усиливает слабый свет звезд настолько, что они полностью освещают ландшафт, а на небосводе становятся отчетливо видны тысячи спутников и Млечный Путь.
Помимо стандартных двухтрубных очков, существуют панорамные четырехтрубные приборы GPNVG-18. Оптика объединяет изображение из четырех трубок в один эллипс, что позволяет бойцу смотреть по сторонам одними лишь глазами, не вращая головой. Их розничная цена в интернете превышает 40 000 долларов; именно эти очки использовались бойцами SEAL Team Six во время ликвидации Усамы бен Ладена в 2011 году.
🧪 Внутри аналогового чуда: три шага к усилению света 11:54
Разрешающая способность военных ПНВ оценивается не в пикселях, а в парах линий на миллиметр (line pairs per millimeter) — то есть сколько четких чередующихся линий прибор может отобразить на одном миллиметре физического пространства. Для соответствия армейским стандартам этот показатель должен быть не менее 64 пар линий. Технология производства этих аналоговых трубок до сих пор окружена строжайшей секретностью: представители базы наотрез отказались раскрывать Дереку подробности создания фотокатодов и микроканальных пластин.
Процесс усиления света внутри ЭОП происходит в вакууме и состоит из трех ключевых этапов:
- Фотокатод (Photocathode). Отраженные от объектов редкие фотоны звездного или лунного света попадают на объектив, который фокусирует перевернутое изображение на тонкую пластину фотокатода, изготовленную из полупроводников или щелочных металлов. Фотон возбуждает электрон в материале, и тот вылетает в вакуумную камеру.
- Микроканальная пластина (Microchannel Plate, MCP). Выбитые электроны ускоряются электрическим напряжением и попадают в микроканальную пластину — тонкий стеклянный изолятор, в котором проделано около 6 миллионов микроскопических трубок (каналов). Все они расположены под углом около 5 градусов, чтобы летящие электроны гарантированно сталкивались со стенками. При ударе электрона о стенку канала высвобождаются новые, лавинообразно выбивая все больше заряженных частиц. В результате на вход канала подается пара электронов, а на выходе формируется поток из тысяч.
- Фосфорный экран (Phosphor Screen). Лавина электронов под действием еще более высокого напряжения устремляется к экрану, покрытому люминофором (фосфором), который начинает светиться под воздействием бомбардировки. Таким образом, кинетическая энергия электронов снова преобразуется в видимые фотоны, но уже в кратном увеличении.
На финальной стадии к фосфорному экрану подключается связка из 20 миллионов оптических волокон, которые перекручены на 180 градусов, чтобы перевернуть полученное изображение обратно в нормальное положение. Вся основная конструкция ЭОП (от фотокатода до фосфорного экрана) имеет толщину, не превышающую ширину ногтя.
🟩 Почему классический прибор ночного видения зеленый, а новый — белый 13:52
На протяжении десятилетий фосфорные экраны ПНВ всегда давали зеленую картинку, ставшую культовой благодаря фильмам и видеоиграм. Однако, как отмечается в материале, это был чисто исторический и технический выбор люминофора, который не учитывал особенности человеческого зрения.
На сетчатке глаза расположены два типа фоторецепторов: колбочки (отвечают за цветное зрение при хорошем освещении, сфокусированы в центре) и палочки (отвечают за сумеречное зрение, находятся по краям). Именно из-за периферийного расположения палочек человек может заметить тусклую звезду боковым зрением, но она исчезает, если посмотреть на нее прямо. Пик светочувствительности человеческих палочек приходится на сине-зеленую часть спектра.
Современные военные очки, такие как PVS-31A, перешли на технологию белого фосфора (White Phosphor). Выдаваемая ими картинка имеет благородный черно-белый оттенок с легким уходом в синеву. Практика показала, что глазу гораздо легче вычленять контрастные детали и распознавать объекты именно в таком спектре, а утомляемость бойца снижается.
Вопреки расхожему мифу из кинематографа, внезапное включение яркого света в комнате не ослепит и не покалечит человека в современных военных очках — в их цепи встроен автоматический ограничитель тока, который просто заблокирует избыточный заряд и уведет экран в насыщение.
🕳️ Испытание абсолютной темнотой: когда свет полностью исчезает 15:25
Чтобы проверить аналоговое усиление в экстремальных условиях, команду Veritasium провели в изолированный подземный тир базы Crane, где обычно тестируют стрелковое оружие. Из помещения откачали абсолютно весь свет, опустив количество фотонов в видимом спектре до нуля, а само пространство заполнили густым дымом.
В условиях столь жесткой сенсорной депривации человек быстро начинает терять координацию. По словам Бена, это состояние похоже на пребывание в безэховой камере: отсутствие визуальных сигналов может вызывать у людей сильное головокружение (вертиго) и чувство тревоги.
Когда свет выключили, передовые очки PVS-31A оказались бесполезны. Поскольку им физически нечего было усиливать, на экранах появился сильный аналоговый шум, напоминающий снежную бурю на старом телевизоре. Мюллер объяснил природу этого шума двумя факторами:
- Термоэлектронная эмиссия (Thermionic Emission). За счет тепловой энергии окружающей среды отдельные электроны умудряются самостоятельно вырываться с поверхности металла без участия фотонов.
- Сильное электрическое поле. Напряжение внутри трубки настолько высокое, что оно способно буквально вырывать случайные электроны из фотокатода.
Этот эксперимент доказал, что технология усиления света всегда требует хотя бы минимального источника излучения (например, тусклого света звезд сквозь облака). В абсолютной пустоте даже примитивная активная ИК-подсветка покажет себя лучше.
🌡️ Тепловизоры: видение сквозь дым и за пределами возможного 17:50
Выходом из ситуации с абсолютной темнотой и задымлением является третий вид ночного видения — тепловизионное (Thermal Imaging). Если ближний инфракрасный диапазон является отражательным (активная подсветка требует источника, как и обычная одежда требует света, чтобы отразить синий цвет), то дальний инфракрасный диапазон (Long-Wave Infrared) является излучательным (Emissive).
В соответствии с законом Планка, абсолютно все объекты во Вселенной, имеющие температуру выше абсолютного нуля, испускают электромагнитное излучение. И если у звезд этот спектр смещен в область видимого света, то окружающие нас предметы комнатной температуры излучают исключительно в дальнем инфракрасном диапазоне.
Тепловизору не нужен внешний свет, и ему не нужно создавать свое излучение — он фиксирует собственное тепло объектов. В задымленном подземном тире Мюллер полностью исчез из виду на обычных камерах, но оставался идеально заметен на тепловизоре. Более того, инфракрасные датчики способны видеть то, что скрыто от глаз: например, тепловой след от руки на предметах или недавно закопанные в землю объекты.
В тесте на дальность, проведенном глубокой ночью, тепловизор также разгромил классические ПНВ:
- Человек, курящий сигарету или смотрящий в экран смартфона на расстоянии в несколько сотен метров, для невооруженного глаза невидим.
- Через аналоговые очки PVS-31A его силуэт едва различим.
- Через тепловизор фигура человека и его действия видны с идеальной четкостью.
Тем не менее, у тепловидения есть свои критические недостатки. Это чисто цифровая система, а значит, она страдает от задержек кадров. Высококачественные инфракрасные матрицы слишком массивны и потребляют слишком много энергии, что делает их малопригодными для создания легких налобных очков. Наконец, тепловизор не видит отраженный свет: человек в тепловизионных очках не способен прочитать надписи на дорожных знаках или текстовую таблицу, поскольку краска и металл имеют одинаковую температуру.
📜 От Gen 0 до Gen 3: эволюция технологий ночного видения 21:48
На сегодняшний день идеального прибора ночного видения не существует — разработчики всегда балансируют между разрешением, задержкой, автономностью и скрытностью. Вся история этой индустрии делится на четыре официальных этапа:
- Поколение 0 (Gen 0). Разработано в период Второй мировой и Корейской войн для снайперских прицелов. Использовало активную инфракрасную подсветку, аналогичную современным гражданским камерам.
- Поколение 1 (Gen 1). Создавалось для войны во Вьетнаме. Это были первые пассивные системы (названные Starlight), работавшие без подсветки. Из-за отсутствия микроканальных пластин инженерам приходилось последовательно соединять три ЭОП-трубки подряд, из-за чего прицелы были огромными, тяжелыми и давали сильные искажения по краям.
- Поколение 2 (Gen 2). Появилось в 1960–1970-х годах. Революционным шагом стало изобретение микроканальной пластины (MCP). Это позволило резко поднять чувствительность, уменьшить габариты приборов и создать первые полноценные носимые очки ночного видения.
- Поколение 3 (Gen 3). Стало доступно в конце 1980-х годов. Материал фотокатода заменили на арсенид галлия (GaAs), что позволило эффективнее превращать фотоны в электроны. Также микроканальную пластину начали покрывать специальной ионно-барьерной пленкой, которая увеличила срок службы трубки с 3 000 до 10 000 часов.
Бен, пришедший в индустрию после службы в морской пехоте в начале 2000-х годов (где во время операции «Иракская свобода» военные все еще использовали устаревшие и неэффективные ИК-системы), отметил, что официальных смен поколений приборов не было уже более 30 лет. Тем не менее, фундаментальная наука не стоит на месте: современные исследования направлены на расширение инфракрасного диапазона улавливания, чтобы сделать датчики еще более дальнобойными и менее зашумленными.
Сегодня наработки оборонного сектора служат всему человечеству: тепловизоры активно применяются спасателями, пожарными, строителями и медиками. А микроканальные пластины, изначально созданные для солдатских тепловизоров, сегодня устанавливаются на космические телескопы (такие как рентгеновская обсерватория «Чандра»), помогая ученым изучать тайны глубокого космоса.
