# Рассказ про ночное зрение

Леонид Александрович Ашкинази

Рассказ про ночное зрение


И человеку, и животному было бы удобно видеть ночью. Но как это сделать? Первая и простейшая мысль - включить фонарик или прожектор и посветить на то, что хочется рассмотреть. Некоторые животные действительно светятся (светляки, некоторые медузы, кальмары, глубоководные рыбы). Животное может использовать свой светящийся орган, чтобы подать сигнал, чтобы его заметили. Но оно не использует свой "фонарик", чтобы сделать что-то видимым для себя, чтобы что-то осветить. Наверное, потому, что они не догадались использовать для этого сферические зеркала. Хотя сами зеркала, причем почти сферические, животные имеют и используют.


Иногда пишут, что у кошек светятся в темноте глаза. Однако в настоящей темноте ни у кошек, ни у других животных глаза не светятся. А вот если на зверюшку посветить, происходит вот что - рис. 1 и рис. 2.


Рис. 1. Глаза "светятся", если на них посветить - это отраженный свет


В этой статье все рисунки, кроме рис. 9 - из интернета. Рис. 9 - автора.


Рис. 2. А тут еще и отражение от полированного дерева


У многих животных сзади сетчатки есть тапетум - отражающий слой, почти сферическое почти зеркало. Сетчатка поглощает только часть падающих на нее фотонов, прошедшие насквозь с некоторой вероятностью отразятся от тапетума и попадут на сетчатку второй раз. Соответственно, чувствительность глаза увеличится - если при первом проходе сетчатка поглотила, например, 10 % фотонов, то при втором проходе (если она будет работать с такой же вероятностью) она поглотит 9 %, то есть поглощение почти удвоится.


Но что такое вообще "чувствительность зрения"? Разные авторы приводят разные данные и не всегда пишут, как эти данные получены. Тем более об этом не пишут те, кто сам ничего не получил, а у кого-то переписал, и чаще всего - не понимая, что переписывает. Нам нет смысла анализировать весь этот бархан данных, но важно, чтобы вы понимали, что за одними и теми же словами может скрываться очень разное содержание. Разберем это на примере зрения.


Под чувствительностью зрения можно понимать чувствительность отдельной клетки, то есть энергию, которая нужна, чтобы клетка отреагировала на пропадание в нее фотона. Эта энергия связана с длиной волны (или можно сказать, с частотой), и вне диапазона чувствительности (примерно 0,35-0,65 мкм) клетки в глазу не реагируют, и мы вообще не видим. Внутри диапазона чувствительности клетка срабатывает с некоторой вероятностью, зависящей от полученной энергии, и может оказаться, что одиночный квант она "замечает", например, в 50 % случаев - "через раз", но все же замечает, а, скажем двух или трех квантов ей достаточно всегда. И что мы тогда назовем чувствительностью? И это только начало истории, потому что срабатывание клетки (и любого устройства, и подопытного животного) от "двух" стимулов зависит от интервала между их получениями - одно дело, если второй квант прибудет через фемтосекунду, а другое - если прибудет через час и запыхавшись.


Но это только начало истории, потому что сетчатка не просто передает в мозг сигналы от всех своих чувствительных клеток. В сетчатке происходит первичная обработка сигналов, например, суммируются сигналы, полученные несколькими близко расположенными клетками. Этот механизм позволяет глазу игнорировать случайные срабатывания одиночных чувствительных клеток. Соответственно, уменьшаются шумы, но за счет уменьшения чувствительности. Причем количество квантов, необходимых для "срабатывания" оказывается зависящим от того, поступили в глаз несколько квантов в одно место, или в разные места сетчатки (и опять же, за какое время). Но и это еще не конец истории, потому что в мозге обработка сигнала продолжается, и увидеть на фоне ночи одиночную и непонятную вспышку - совсем не то, чего хочется. То есть понять, кто там или что там в кустах - животное, человек или ларек с мороженым.


Но в любом случае нам придется ограничиться теми фотонами, которые летят к нам от непонятно чего в кустах. Один их источник - остаточное освещение от рассеянного в атмосфере света Солнца (особенно в начале ночи и под утро), свет Луны (отраженный ею свет Солнца и Земли) и свет звезд. Если, разумеется все это не поглотились облаками. Другой источник - излучение самих объектов, которое зависит от их температуры, и которое - для большинства объектов, которые могут находится в лесу - находится в инфракрасном диапазоне. Спектр света Солнца для напоминания показан на рис. 3, в инфракрасном диапазоне оно излучает почти столько же, сколько в видимой части спектра. Но в любом случае нам предстоит решать две задачи - усиливать обычный, но очень слабый свет, и преобразовывать инфракрасное излучение в видимое и при этом его тоже усиливать.


Рис. 3. Спектр Солнца


А что вообще мы умеем усиливать? Я имею в виду, из физических величин. В механике - силу и перемещение рычагом и блоком; соответственно, можем усиливать скорость и ускорение. Правда, скорость обычно уменьшают, это происходит, когда применяют верньеры для тонкой регулировки и настройки аппаратуры. Вместе с изменением скорости происходит и изменение ускорения, но про операции с регулировкой ускорения я не слышал. В электричестве к нашим услугам трансформаторы - но при использовании переменного напряжения. На постоянном токе усилить напряжение можно, но потребуется усилительный прибор (электронная лампа или транзистор), источник энергии и резисторы. Лампа преобразует входное напряжение в ток, его мы пропускаем по резистору с достаточно большим сопротивлением и получаем усилитель напряжения. А как насчет усиления света?


Усиление света потребовалось людям, когда начали создавать волоконно-оптические кабели связи, которые пересекали океаны и моря. Потому что сверхчистом кварце свет хоть немного, но все-таки поглощался и рассеивался, и примерно раз в сто километров его надо было усиливать. Поначалу делалось это так - свет преобразовывался в электрический сигнал, его усиливали, потом преобразовывали в оптический, и усиленный оптический радостно летел по оптоволокну дальше. Однако все эти процедуры ограничивали пропускную способность кабеля. Тогда был создан способ усиления света без преобразования, почти как в лазере. Сначала в среду, кварц с ионами эрбия, лазером вводили энергию, и она в этой среде накапливалась. Потом вводили в эту среду сигнал, который надо было усилить, он распространялся в среде, забирал запасенную в ней энергию и усиливался. Проблема ослабления сигнала в подводных кабелях была решена, но сделать ночной бинокль на этом чудесном принципе не поучится. Во-первых, устройство работало с инфракрасным излучением, но не преобразовывало его в видимый диапазон. Во-вторых, устройство работало с оптическим волокном диаметром в микроны, а объектив и окуляр бинокля имеет диаметр в тысячи раз больше. В-третьих, само устройство имело приличные габариты и вес.


Поэтому для усиления света и преобразования из инфракрасного диапазона в видимый придется преобразовать оптический сигнал в электрический, усилить его и преобразовать в оптический. Причем в отличие от ситуации с кабелями связи, сигнал должен был восприниматься человеком, поэтому высокая скорость преобразования не требовалось. Все приборы этой группы называют приборами ночного видения. И все они сначала преобразуют исходный оптический сигнал в электрический, потом в том или ином смысле усиливают этот электрический сигнал, а потом усиленный электрический сигнал преобразуют обратно в оптический. Причем должны быть соблюдены два важных ограничения.


Первое - исходный оптический сигнал может лежать и в видимом диапазоне и в инфракрасном, но вот усиленный оптический сигнал должен быть в видимом диапазоне - мы ведь будем воспринимать его глазами. Второе ограничение - мы должны получить на выходе не фотоны "вообще", не просто вспышку света, а упорядоченный поток фотонов. Траектории фотонов в этом усиленном потоке должны были располагаться так же, как в исходном потоке. Но там, где летел один и, возможно, инфракрасный, должна лететь тысяча или миллион, причем в видимой части спектра. Этот поток, пройдя через глаз и достигнув сетчатки должен позволить мозгу сказать, что именно он увидел.


Рис. 4. Прибор ночного видения с ЭОПом


Первое реально получившее распространение решение выглядело так (рис. 4). Излучение, идущее от объекта (А), проецировалось объективом (О) на левый на рисунке конец электровакуумного прибора ЭОПа, то есть Электронно-Оптического Преобразователя. Корпус прибора (К) был стеклянным, внутри прибора был, естественно, вакуум, чтобы электроны могли лететь свободно. На левом конца прибора, на внутренней стороне баллона находился фотокатод (Ф). Это был слой проводящего вещества, который поглощал фотоны и эмитировал электроны. В зависимости от состава фотокатода он мог эмитировать электроны при попадании на него фотонов с длиной волны примерно до 1,7 мкм - это был уже инфракрасный диапазон (он начинается примерно с 0,7 мкм). Кроме вакуума, внутри прибора был фокусирующий электрод (ФЭ), от которых сквозь стекло (диэлектрик) шел наружу вывод, на которые подавалось высокое напряжение - плюс 10-20 кВ относительно фотокатода. Электроды с напряжениями создавали внутри прибора электрические поля, которые ускоряли электроны, увеличивали их кинетическую энергию.


Электроны, которые вылетели в объем прибора, ускорялись электрическим полем внутри ЭОПа, и прилетали на правый на рисунке конец прибора. Здесь их терпеливо ждал экран (Э), покрытый слоем вещества, люминофора, который тормозил электроны и передавал их энергию фотонам, которые вылетали из этого слоя и которые видел глаз. Длина волны этих электронов определялась составом люминофора, и он выбирался так, что человек эти фотоны видел. То есть, чтобы их длина волны попадала в видимую часть спектра (примерно 0,35-0,65 мкм) и желательно в середину, в область максимальной чувствительности. Количество этих фотонов определялось энергией электронов, поэтому ускоряющее напряжение бывало большим, порядка 10-20 кВ. В итоге на один первичный фотон приходилось несколько десятков тысяч вторичных. Лунная ночь превращалась в пасмурный день, а "при свете звезд" превращалось в освещенность экрана кинотеатра. Вот такое кино...


У проблемы увеличения количества квантов есть и другое решение - можно не увеличивать энергию электронов, а увеличивать их количество. Есть такое явление - вторичная электронная эмиссия. Если электрон ("первичный электрон") попадает на поверхность проводника, то он частично передает свою энергию электронам проводимости и они, если у них хватит энергии, могут вылететь из проводника ("вторичные электроны"). Причем вторичных электронов может быть больше, чем первичных. Существуют электровакуумные приборы, фотоэлектронные умножители, ФЭУ, рис. 5, которые увеличивают количество летящих по прибору электронов. Они могут быть устроены двумя способами - дискретным и непрерывным.


Рис. 5. Принцип работы фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) с дискретными электродами, (Ф) - фотон, (ФК) - фотокатод, и показаны примерные траектории электронов


В первом случае это цепочка электродов, на которые поданы положительные относительно первого электрода напряжения, причем на каждый следующий электрод - большее. Получается, что между каждой парой соседних электродов есть электрическое поле, ускоряющее электроны, которые летят слева направо. Причем ускоряют электроны не очень сильно, как в ЭОПе, а так, чтобы при попадании электрона в электрод вылетало побольше вторичных электронов. При слишком большом напряжении первичные электроны проникают в электрод на большую глубину и вторичные электроны не могут вылететь в вакуум.


Такие приборы прекрасно работают, но сделать из них прибор ночного видения не удастся - для этого нужно сделать в приборе столько таких цепочек электродов, сколько пикселей на всем изображении, то есть миллионы). Но есть и другой способ, не дискретный, с отдельными электродами, а с непрерывным "электродом" рис. 6. Этот непрерывный электрод имеет довольно высокое сопротивление, к нему подключен источник напряжения, по электроду протекает ток, и вдоль всей трубки образуется электрическое поле, которое ускоряет электроны так, что при каждом соударении возникает несколько вторичных электронов. А при нескольких соударениях - сами понимаете, как много (геометрическая прогрессия!)


Рис. 6. Принцип работы фотоэлектронного умножителя с непрерывным электродом, (Ф) - фотон, и показаны примерные траектории электронов


Но если мы хотим сделать прибор ночного видения на этом принципе, каждому пикселю надо сопоставить такую микронную трубочку. Это совершенно вроде бы нереальная задача была решена следующим способом. Представьте себе пачку стеклянных трубок обычных размеров из стекла с содержанием оксида свинца. Пачка трубочек нагревается так, что трубочки сплавляются, и вытягивается. При этом диаметр всей пачки уменьшается, пропорционально уменьшаются и диаметры каналов. При достижении микронного диаметра каналов вытягивание прекращается, стеклянная палка из миллиона сплавленных трубочек разрезается на тонкие диски. Затем диски нагреваются в водороде, при этом оксид свинца в поверхностном слое внутри каналов частично восстанавливается и получается покрытие, имеющее высокое сопротивление и вторичную электронную эмиссию. При приложении к плоскостям диска напряжения у нас возникает ситуация, показанная на рис. 6, но в каждой микронной трубочке (рис. 7).


Рис. 7. Микроканальная пластина (треснувшая, вид с торца)


Эти два способа увеличения количества фотонов - через увеличение энергии электронов и через размножение электронов - могут быть применены и вместе, то есть в одном приборе. Можно сначала фотокатодом превратить поток фотонов в поток электронов, потом вторичной эмиссией усилить поток электронов, а потом их еще и ускорить перед тем, как обрушить на люминофор.


И еще одно замечание. Для размножения электронов есть и другие способы, кроме вторичной электронной эмиссии на границе вакуума и твердого тела. Например, электрон с высокой энергией, тормозясь в полупроводнике, может раздать свою энергию и породить тысячи электронно-дырочных пар. Этот способ успешно применяется в изотопных батареях. А еще в полупроводниках есть лавинная ионизация... Ой, сколько всего есть в разных веществах, и сколько еще откроют... не хотите принять участие?


Обратите внимание на то, что на входе всех рассмотренных приборов стоит фотокатод, который поглощает фотон и передает его энергию электрону, который покидает катод. Но чтобы покинуть катод, электрон должен иметь определенную энергию, которая называется работой выхода. А энергия фотона тем меньше, чем больше его длина волны (меньше частота), чем "краснее" его цвет (если его длина волны вообще лежит в пределах оптического диапазона (примерно 0,35-0,65 мкм). Поэтому существует такая длина волны, что соответствующие фотоны еле-еле способны добывать электроны из фотокатодов. Она называется "красная граница фотоэффекта" и в большинстве случаев достигает 1,1-1,2 мкм. Что делать, если хочется "увидеть", то есть преобразовать инфракрасное излучение с большей длиной волны в видимое глазом? Один из путей - суммировать энергии нескольких квантов. В принципе есть по крайней мере два способа это сделать.


Любой физический процесс длится какое-то время, в том числе и поглощение атомом фотона. Поэтому, если поток фотонов настолько плотный, что за время поглощения атомом одного фотона, на этот атом успеет рухнуть следующий фотон, атому может достаться суммарная энергия двух фотонов. Но эта ситуация явно не про нас - она требует большого потока фотонов, а у нас тут каждая штука на счету.


Есть другое решение, это поглотить фотон, энергию превратить в тепло и сохранить его до прибытия следующего фотона; но лучше поглотить несколько следующих фотонов. По мере накопления тепла будет расти температура, а ее мы превратим в электрический сигнал. Именно так действуют многие змеи, некоторые насекомые и созданные человеком приборы, которые называют тепловизорами. У животных для этого есть специальные клетки, которые преобразуют температуру в электрические импульсы, а в тепловизорах используют зависимость сопротивления металлов или полупроводников от температуры. Ну, а превратить электрические сигналы в изображение мы сумеем. При этом мы сделаем так, чтобы цвет изображения коррелировал с энергией прилетевших с этого места фотонов, то есть с температурой этого места - рис. 8. Обратите внимание, что внутренняя поверхность глаз (то есть сетчатка) и внутренняя поверхность ушек немного горячее, чем остальная поверхность кота. Причиной можно считать то, что эти "углубленные" части облучаются соседними участками поверхности.


Рис. 8. Кот в инфракрасном свете.


А на рис. 9. вы видите не просто кота, а меня - автора этой статьи в инфракрасном свете. Самое холодное - фотоаппарат, который он держит перед собой. Самое горячее - туловище, которое видно ниже лица (воротник рубашки расстегнут) и сама рубашка, там, где она прижата к туловищу (на левом плече).


Рис. 9. Автор в инфракрасном свете


Обычное стекло не прозрачно в инфракрасном диапазоне, на участке 7-10 мкм, который примерно соответствует интересной области температур 300-400 К или 0-100 °С. Поэтому входная часть корпуса и линзы объектива тепловизора должны быть сделаны не из стекла. На рис. 10 показана таблица пропускания

электромагнитного излучения в диапазоне от 0,1 мкм до 1000 мкм разными материалами, из нее видно, какие материалы можно использовать в ситуациях, когда свет должен проходить сквозь корпуса приборов и линзы. Это уточнение необходимо потому, что существуют не линзовые, а зеркальные приборы, и в космических телескопах нет того корпуса, сквозь который придется пробираться фотонам.


Рис. 10. Прозрачность оптических материалов в диапазоне 0,1-1000 мкм, толщина образцов в основном 5 и 10 мм


И в заключение одно замечание более общего плана. Распределение любого параметра по плоскости - напряженности поля и индукции, скорости перемещения среды, концентрации каких-либо веществ, температуры и других величин (например, в географии - высот местности), человеку очень естественно воспринимать в виде того или иного рисунка на плоскости, картинки. Превращение распределения параметра, особенно распределение в пространстве, в двумерную картинку надо делать осторожно и с пониманием. Потому что иногда при такой процедуре мы теряем точность (очевидно на рис. 8 и 9), а иногда делаем более существенные ошибки. Например, напряженность электрического поля заряженной проводящей сферы убывает при удалении от этой сферы пропорционально квадрату расстояния (закон Кулона), между тем на картинках в книжках показано убывание пропорционально первой степени.