Человек всегда хотел большего, включая видение в темноте, как хищники. В этой статье я расскажу о сути приборов ночного видения, разных их видах и как собрать свой собственный всего за 50$ (данная оценка включает среднюю стоимость компонентов).
Чтобы получить возможность видеть в темноте, человечество стало использовать искусственные способы обеспечения дополнительных возможностей для своих органов зрения.
В древности, этими средствами выступали разнообразные костры, факелы и другие способы подсветки окружающей среды.
С ходом ускорения научно-технического прогресса, средства обеспечения видимости органов зрения человека, в темное время суток, - становились всё более изощренными и совершенными. Теперь, в их качестве выступали уже разнообразные средства подсветки, в числе которых основную роль играли способы, которые обеспечивали человека непрерывной подсветкой в течение продолжительного времени и минимальным контролем за ней.
Среди подобных средств, можно перечислить такие как: лучины, разнообразные стеариновые, а затем и парафиновые свечи, масляные лампы и лампады.
Далее появились ещё более совершенные средства, в числе которых выступают шахтерские ацетиленовые лампы, которые обладая малым размером, обеспечивали шахтёров хорошим (на тот момент) освещением, в течение продолжительного времени, с минимальными затратами рабочего вещества (карбида кальция).
Венцом среди средств освещения окружающего пространства, с использованием сжигания вещества, можно назвать водородные лампы, так называемый «друммондов свет».
Друммо́ндов свет (также свет рампы, англ. limelight) — тип сценического освещения, использовавшийся в театрах в 1860—1870 годах. Интенсивное свечение получалось с помощью кислородно-водородного пламени, направленного непосредственно на цилиндр из оксида кальция (негашёной извести, англ. lime), которая может нагреваться до 2572 °C (белого каления) без расплавления. Свет производится сочетанием теплового излучения и калильного свечения. Друммондов свет давно заменён электрическим освещением, однако, например, в английском языке название прочно укоренилось: к примеру, существует выражение «to be in the limelight», означающее «быть на виду; в центре внимания».
Устройство друммондовой лампы
Эффект яркого свечения раскалённой детали из оксида кальция (негашёной извести) впервые был открыт в 1820-х годах британским учёным Голдсуорси Гёрни (англ. Goldsworthy Gurney), на базе его работ с кислородно-водородными горелками, авторство которых обычно приписывают Роберту Хэйру (англ. Robert Hare (chemist))).
В 1825 году шотландский инженер Томас Друммонд увидел демонстрацию световых эффектов у Майкла Фарадея и понял, что тщательное изучение этих эффектов может быть полезным. Друммонд построил работающий прототип устройства в 1826 году, тогда и появилось понятие «друммондов свет».
Впервые такое освещение было использовано в Королевском театре Ковент-Гарден в Лондоне в 1837 году и с удовольствием использовалось театрами в 1860-х и 1870-х годах. Друммондов свет в основном использовался для освещения сольных исполнителей на манер прожектора: сцена была затемнена, и свет падал только на исполнителя. Дуговые электрические лампы очень быстро вытеснили друммондов свет в конце XIX века.
Но, как сказали бы сейчас, «это всё было не то». Человек стремился видеть в ночное время своими глазами и (желательно) не привлекая к себе повышенного ненужного внимания.
И в настоящее время, с развитием современной электронной элементной базы, а также миниатюрных интегральных микросхем, стало возможным создавать миниатюрные средства ночного видения, которые являются достаточно компактными для переноски их одним человеком и обеспечения его устойчивым видением окружающей обстановки в условиях ночного времени суток или момент нахождения в неосвещенных местах.
Особую популярность данные устройства получили у военных. К слову сказать, это и неудивительно, так как именно военная сфера, в течение всего периода эволюции человечества, обеспечивала ускоренное течение научно-технического прогресса.
Приборы ночного видения и их принцип работы
Прибор ночного видения (ПНВ) — класс оптико-электронных приборов, обеспечивающих оператора изображением местности (объекта, цели и т. п.) в условиях недостаточной освещённости. Приборы данного вида нашли широкое применение при ночных боевых действиях, для ведения скрытного наблюдения (разведки) в тёмное время суток и в тёмных помещениях, вождения машин без использования демаскирующего света фар и т. п. Несмотря на ряд преимуществ, которые они дают своему обладателю, отмечается, что подавляющее большинство имеющихся моделей не способно предоставить возможность периферийного зрения, что обуславливает необходимость специальных тренировок для эффективного их применения.
Существует несколько подходов к построению ПНВ:
Усиление очень слабого видимого света, не различаемого глазом человека. Идея реализуется в электронно-оптических преобразователях (ЭОП) и, в некоторой степени, в современных видеокамерах для систем охраны с т. н. ночным режимом.
Наблюдение в ближнем инфракрасном диапазоне (длина волны 0,7—1,5 мкм). Чувствительностью в этом диапазоне обладают ЭОП и видеокамеры без инфракрасного фильтра. В ближнем ИК нет естественных источников, кроме солнца, поэтому в полной темноте такие ПНВ ничего не увидят без подсветки. Для таких ПНВ существуют специальные источники подсветки (инфракрасные прожекторы, например на базе инфракрасных светодиодов), не видимые невооружённым глазом.
Наблюдение в среднем (тепловом) инфракрасном диапазоне (длина волны 7—15 мкм). В этом диапазоне излучают все твёрдые тела, нагретые до температур нашего мира: от −50 °C и выше. Такие ПНВ называются тепловизорами. Они показывают картинку разницы температур и не требуют никакой подсветки.
Возможно наблюдение в ультрафиолетовом спектре. Однако отсутствие естественных источников ультрафиолета (кроме солнца) и практическое отсутствие не видимых невооружённым глазом искусственных источников ультрафиолетовой подсветки сдерживает распространение ультрафиолетовых ПНВ.
Технически есть несколько популярных способов построения ПНВ:
- Специальные современные полупроводниковые видеокамеры способны дать изображение при освещённости сцены до 0,0005 люкса. Это позволяет наблюдать при очень низкой освещённости. Кроме того, чувствительность в ближнем инфракрасном диапазоне позволяет организовать не видимую глазом подсветку сцены (например, инфракрасными светодиодами) и использовать обычные видеокамеры без ИК фильтра. Во избежание ошибок цветопередачи обычные бытовые видеокамеры снабжаются специальным фильтром, отсекающем ИК спектр. Камеры для охранных систем или дешёвая бытовая видеотехника не имеют такого фильтра и потому пригодны для наблюдения с ИК-подсветкой. Однако в темноте нет естественных источников ближнего ИК, поэтому без подсветки такие камеры ничего не покажут. В качестве подсветки обычно используют ИК прожекторы на базе инфракрасных светодиодов.
- Электронно-оптический преобразователь — вакуумный фотоэлектронный прибор, усиливающий свет видимого спектра и ближнего ИК. Имеет высокую чувствительность и способен давать изображение при очень низкой освещённости. Являются исторически первыми приборами ночного видения, широко используются и в настоящее время в дешёвых ПНВ. Поскольку в инфракрасном диапазоне они чувствительны только в ближнем ИК, то, как и полупроводниковые видеокамеры, требуют наличия освещения (например, свет ночного неба или инфракрасных прожекторов). Коэффициент усиления света ЭОП от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч раз.
Кроме того, термином ЭОП часто называют устройство, содержащее:
- фотокатод, преобразующий слабые световые потоки в потоки электронов,
- усилитель этих электронных потоков,
- бомбардируемый электронным потоком люминесцентный экран, на котором воспроизводится усиленное изображение.
Простейший ЭОП представляет собой короткий стеклянный цилиндр. На одном его торце изнутри напылён фотокатод из вещества с малой работой выхода, то есть легко ионизирующегося под действием света. На другом торце напылён люминофор, то есть вещество, светящееся под ударами электронов. Специальная система электродов обеспечивает ускорение (то есть увеличение энергии) и размножение электронов на пути от фотокатода к люминофору. Для нормальной работы на эти электроды подаются определённые напряжения, вырабатываемые источником питания ЭОП.
Конструкция простейшего ЭОП
Конструкция ЭОП с микроканальной пластиной
- Тепловизор — тепловой видеодатчик, как правило на основе болометров. Болометры для систем технического зрения и приборов ночного видения чувствительны в диапазоне длин волн 3—14 мкм (средний инфракрасный диапазон), что соответствует излучению тел, нагретых от −50 до +500 °C. Таким образом, болометрические приборы не требуют внешнего освещения, регистрируя собственное излучение самих предметов и создавая картинку разности температур.
Изображение собаки, сделанное тепловизором
Прибор ночного видения состоит из следующих основных частей:
- объектива,
- приёмника излучения,
- усилителя,
- устройства отображения изображения.
Во многих современных ПНВ роль приёмника излучения, усилителя средства отображения усиленного изображения выполняет электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Оператор рассматривает изображение на экране ЭОП через окуляр. В качестве приёмника может использоваться ПЗС-матрица. В этом случае оператор наблюдает изображение на экране монитора.
Для чего обычно используются приборы ночного видения
Современные приборы ночного видения выпускаются в нескольких основных форм-факторах.
Наиболее простым является ночной монокуляр — удерживаемая в руке оператора зрительная труба, обычно невысокой кратности.
Бинокли ночного видения имеют два ЭОП и выводят увеличенное стереоскопическое изображение.
Очки ночного видения — закрепляются на голове, имеют широкое поле зрения и не увеличивают изображение (либо имеют переменное увеличение от 1× до более высокого значения, что позволяет использовать их как бинокль). Очки могут иметь два ЭОП либо быть псевдобинокулярными, когда изображение с одного ЭОП поступает на оба окуляра. Монокуляр кратности 1×, закреплённый на оголовье, может использоваться как дешёвая альтернатива очкам.
Прицелы ночного видения закрепляются на оружии, как правило, увеличивают изображение и имеют прицельную сетку. Существуют также приставки ночного видения к дневным оптическим прицелам. Эти приборы должны выдерживать отдачу оружия, не все прицелы могут применяться на стрелковом оружии высокой мощности.
Альтернативным вариантом прицеливания через ПНВ является использование закреплённого на оружии инфракрасного лазерного целеуказателя, невидимый глазу луч которого наблюдается через очки ночного видения.
Приборы ночного видения также устанавливаются на боевую технику, где они интегрированы в прицельные комплексы.
Какой прибор ночного видения мы будем собирать?
Исходя из всего вышесказанного, теперь, когда мы знаем, как устроен прибор ночного видения и какие типологии их существуют, мы можем задуматься и о построении своего собственного.
Как показывает анализ информации, наиболее доступным способом, — является удаление инфракрасного фильтра, с имеющийся в наличии видеокамеры бытового назначения.
Если двигаться по данному направлению, существует три наиболее перспективных на наш взгляд способа создания данного устройства:
- Удаление инфракрасного фильтра с любого из доступных смартфонов, то есть с его основной видеокамеры (не фронтальной);
- Подключение к смартфону внешней камеры, с которой удаляется инфракрасный фильтр;
- Покупка смартфона, имеющего возможность для ночной видеосъёмки. Смартфоны данного типа уже имеют видеокамеру с удаленным инфракрасным фильтром. Однако, данный способ мы рассматривать не будем, так как целью нашей статьи является именно создание своего устройства. Однако если кого-то заинтересует данный способ, то мы дадим ссылку на ряд подобных устройств.
Из двух первых способов, второй способ видится наиболее применимым, так как разборка современных смартфонов сопряжена со значительными трудностями, ввиду того, что они имеют достаточно плотную компоновку и собраны с использованием спецсредств. Среди данных усложняющих спецсредств можно назвать такие как:
- использование специальных винтов, имеющих фигурные головки, требующие специального инструмента (который, как правило, не имеется у самодельщика).
- многие смартфоны собраны с использованием метода температурного приклеивания компонентов, что еще более осложняет разборку корпуса
Дотошный читатель наверняка захочет спросить, а почему именно смартфон? Почему нельзя взять видеокамеру?
Дело в том, что, так как мы проектируем систему, которая будет предназначена для использования в качестве «ночных глаз» человека, — следует предусмотреть возможность ношения данной системы прямо на голове, как обычные очки.
В связи с множеством попыток различных компаний каким-либо образом «оседлать» виртуальную реальность (особенно с появлением в своё время очков виртуальной реальности Google Cardboard), имеет смысл рассматривать создание устройств, которые базируются на современных смартфонах и вставляются в специальные крепежные системы, одевающиеся на голову. Кроме того, само использование в качестве центрального устройства смартфона, — позволяет расширять и видоизменять функционал данной системы ночного видения в довольно широких пределах и с достаточной гибкостью.
Сборка прибора ночного видения
Сначала сделаем оговорку: рассматриваемый ниже алгоритм не является детальным «пошаговым, обязательным к исполнению». Это скорее основные принципы, которыми следует руководствоваться, при разработке своего устройства.
В качестве объектива и одновременно средства для ночного видения, мы можем использовать практически любой тип бытовой веб-камеры, доступной на рынке.
При выборе веб-камеры следует руководствоваться тем, что чем выше её разрешение, тем более четким будет изображение в ваших виртуальных очках.
Однако это не говорит о том, что веб-камеры низкого разрешения «не имеют права на жизнь» в качестве прибора ночного видения. Их вполне можно использовать в качестве выносной камеры, которая будет снимать видео или осуществлять фотографирование в ночном режиме. Однако использование её в качестве головного средства зрения, будет сопряжена с трудностями, так как изображение будет весьма нечетким.
Модификация камеры
Мы приведем усредненную характеристику разборки – так как у разных камер процедура может отличаться, одна суть остается той же:
- Сначала откручивается объектив;
- Удаляем инфракрасный фильтр, поддев отверткой. Как его узнать: он отчетливо отдает красным цветом.
- Привинчиваем объектив обратно
В видео ниже подробно показан процесс модификации камеры. Кроме того, наглядно показано различие между камерой с ИК-фильтром и без него:
Присоединение камеры к смартфону
Для того чтобы смартфон увидел камеру — необходимо использовать OTG-кабель.
Внешний вид OTG-кабеля
Что такое USB OTG: Поддержка технологии On-The-Go появилась в USB в 2006 году и позволила связывать два устройства без дополнительного USB-хоста. При USB-соединении одно из устройств выступает в роли хоста, а другое – как периферия. При этом в различных условиях одно и то же устройство может быть либо хостом, либо периферией.
С USB OTG устройства стали обладать двойным назначением и возможностью определять, кем им быть. Если речь идет о смартфонах, то это возможность подключения внешних устройств без посредничества.
У современных смартфонов (не у всех еще) такая функция может быть встроена, тогда ты можешь без проблем подключать флеш-накопители, фотоаппараты, клавиатуру, принтер и так далее. Фактически ты можешь подключить любое устройство, не требующее установки дополнительных драйверов.
Если смартфон не поддерживает OTG, то можно воспользоваться переходником. С одной стороны – Micro USB / USB-C, с другой – USB-A (обычный порт).
Изготовление подсветки для прибора ночного видения
Как мы писали выше, прибор ночного видения того типа, который мы собираем, — потребует обязательной инфракрасной подсветки для своей работы. То есть, необходимо будет подсвечивать ту область, в которую смотрит камера.
Для подсветки, нам потребуется инфракрасный фонарь. Достаточно большое количество данных устройств можно приобрести на AliExpress.
Указанное выше по ссылке устройство имеет потребление в районе 0,25 Ампер.
Для его питания потребуется:
- Контроллер заряда/разряда для батарей 18650;
- Преобразователь напряжения (который повысит 5V — с контроллера заряда/разряда – до 12 V для питания ИК фонаря)
- Литий-ионный элемент питания форм-фактора 18650. Например, высокотоковый
Соединить элементы нужно согласно схеме ниже:
Программа для смартфона
Чтобы смартфон «увидел» камеру – неоходимо скачать и установить любую программу, для камер. Например, USB Camera (для Android).
Устройство для крепления смартфона
Для крепления смартфона, в целях ношения его на голове, следует взять один из множества видов шлемов виртуальной реальности, подобрав под размер вашего смартфона.
Следующим шагом следует тем или иным способом закрепить на выбранном шлеме — указанные выше элементы питания подсветки, саму подсветку, а также камеру (в этом деле очень хорошо может помочь 3D печать, для создания компактного крепежа, максимально совместимого с конкретным шлемом).
Вот и всё! Ваш личный прибор ночного видения – готов!
В видео ниже – показан пример сборки похожего устройства. Однако рекомендуется использовать рассмотренный выше контроллер заряда/разряда (не такой, как в видео) – так как он сочетает в одном компактном корпусе – как крепеж элемента 18650, так и средства его контроля заряда/разряда.
Пример похожего устройства:
Сфера применения подобных устройств достаточно широка — от ночной фотосъемки в полной темноте, до контроля сна спящего ребенка (если дополнить систему – любыми программными средствами анализа изображения).
What’s next?
Дальнейшее развитие микроэлектроники и программного обеспечения привело к тому, что в приборы ночного видения стали интегрировать различные интеллектуальные подсистемы, которые позволяют осуществлять не только непосредственное наблюдение в ночное время или в условиях плохого освещения, но и интеллектуальные средства оценки окружающей среды и прогнозирования. Данные новые качества позволяют, в частности, современным прицелам, — не только осуществлять наблюдение в условиях плохой видимости, но и предугадывать дальнейшее поведение цели и рекомендовать точку стрельбы – для гарантированного её поражения:
P.S. ну а мы, так как не солдаты – будем использовать сей девайс для всяких «няшных» задач ^_^
Как то: отслеживание спящих детей, ночная фото/видеосъемка, опять же котики…
P.P.S. самый дорогой компонент устройства, рассмотренного в данной статье— веб-камера с разрешением 1920x1080 (желательно использовать камеру максимального разрешения, которое вы можете себе позволить по цене)
Напишите в комментариях, для чего бы использовали данное устройство Вы?
Облачные VPS серверы от Маклауд быстрые и безопасные.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
