Nachtsichtgerät

Nachtsehen ist die Fähigkeit, bei schwachem Licht zu sehen, entweder natürlich mit dem Dämmerungssehen oder mithilfe eines Nachtsichtgeräts . Nachtsehen erfordert sowohl einen ausreichenden Spektralbereich als auch einen ausreichenden Intensitätsbereich . Menschen haben im Vergleich zu vielen Tieren wie Katzen , Hunden , Füchsen und Kaninchen ein schlechtes Nachtsehen , unter anderem weil dem menschlichen Auge das Tapetum lucidum fehlt ^{[ 1 ]} , ein Gewebe hinter der Netzhaut, das Licht durch die Netzhaut zurückreflektiert und so die für die Fotorezeptoren verfügbare Lichtmenge erhöht.

Nachttaugliche Spektralbereichstechniken können Strahlung erfassen, die für das menschliche Auge unsichtbar ist. Das menschliche Sehvermögen ist auf einen kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums , das sogenannte sichtbare Licht, beschränkt. Ein erweiterter Spektralbereich ermöglicht es dem Betrachter, nicht sichtbare elektromagnetische Strahlungsquellen (wie Nahinfrarot- oder Ultraviolettstrahlung ) zu nutzen . Einige Tiere, wie beispielsweise Fangschreckenkrebse und Forellen, können einen deutlich größeren Teil des Infrarot- und/oder Ultraviolettspektrums wahrnehmen als Menschen. ^{[ 2 ]}

Ausreichender Intensitätsbereich bedeutet schlichtweg die Fähigkeit, mit sehr geringen Lichtmengen sehen zu können. ^{[ 3 ]}

Viele Tiere besitzen ein besseres Nachtsehvermögen als Menschen, was auf einen oder mehrere Unterschiede in der Morphologie und Anatomie ihrer Augen zurückzuführen ist. Dazu gehören ein größerer Augapfel, eine größere Linse, eine größere optische Apertur (die Pupillen können sich bis an die physikalische Grenze der Augenlider ausdehnen), mehr Stäbchen als Zapfen (oder ausschließlich Stäbchen) in der Netzhaut sowie ein Tapetum lucidum .

Eine erweiterte Intensitätsreichweite wird durch technologische Mittel über den Einsatz eines Bildverstärkers , eines CCD-Sensors mit Verstärkungsvervielfachung oder anderer sehr rauscharmer und hochempfindlicher Anordnungen von Fotodetektoren erreicht .

Alle Fotorezeptorzellen im Wirbeltierauge enthalten Fotorezeptorproteine . Diese bestehen aus einer Kombination der Proteine ​​Photopsin ( in den Farbsehzellen) , Rhodopsin (in den Nachtsehzellen ) und Retinal (einem kleinen Fotorezeptormolekül). Retinal erfährt bei Lichtabsorption eine irreversible Formveränderung. Diese Veränderung bewirkt eine Anpassung der Proteinhülle um das Retinal, wodurch der physiologische Prozess des Sehens ausgelöst wird.

Das Retinal muss aus den Sehzellen diffundieren, das Auge verlassen und über das Blut zur Leber transportiert werden, wo es regeneriert wird. Bei hellem Licht befindet sich der größte Teil des Retinals nicht in den Fotorezeptoren, sondern außerhalb des Auges. Es dauert etwa 45 Minuten Dunkelheit, bis alle Fotorezeptorproteine ​​mit aktivem Retinal aufgeladen sind, die Anpassung des Nachtsehens erfolgt jedoch größtenteils innerhalb der ersten fünf Minuten in der Dunkelheit. ^{[ 4 ]} Diese Anpassung führt zu maximaler Lichtempfindlichkeit. In völliger Dunkelheit sind nur die Stäbchenzellen ausreichend lichtempfindlich, um zu reagieren und das Sehen auszulösen.

Das Rhodopsin in den Stäbchen des menschlichen Auges ist gegenüber den längeren Wellenlängen des roten Lichts unempfindlich . Daher nutzen viele Menschen traditionell rotes Licht, um ihr Nachtsehen zu erhalten. Rotes Licht verbraucht die Rhodopsinspeicher in den Stäbchen nur langsam und wird stattdessen von den rotempfindlichen Zapfen wahrgenommen .

Eine andere Theorie besagt, dass Sterne typischerweise Licht mit kürzeren Wellenlängen aussenden, wodurch das Licht von Sternen im blaugrünen Farbspektrum liegt. Daher würde die Verwendung von rotem Licht zur Navigation die Rezeptoren, die Sternenlicht wahrnehmen, nicht desensibilisieren. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Viele Tiere besitzen im hinteren Teil des Auges eine Gewebeschicht namens Tapetum lucidum , die Licht durch die Netzhaut zurückreflektiert . Dadurch erhöht sich die Menge des von der Netzhaut aufgenommenen Lichts, allerdings verringert sich die Bildschärfe. Dieses Phänomen findet sich bei vielen nachtaktiven Tieren und einigen Tiefseetieren und ist die Ursache für das Leuchten der Augen. Menschen und Affen besitzen kein Tapetum lucidum . ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Nachtaktive Säugetiere besitzen Stäbchen mit einzigartigen Eigenschaften, die ihnen ein verbessertes Nachtsehen ermöglichen. Die Kernstruktur ihrer Stäbchen verändert sich kurz nach der Geburt und wird invertiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Stäbchen weisen invertierte Stäbchen Heterochromatin im Zentrum ihres Zellkerns und Euchromatin sowie weitere Transkriptionsfaktoren an den Rändern auf. Zudem ist die äußere Zellschicht der Netzhaut (die äußere Körnerschicht ) bei nachtaktiven Säugetieren aufgrund der Millionen von Stäbchen, die die geringeren Lichtintensitäten verarbeiten, besonders dick. Die Anatomie dieser Schicht ist bei nachtaktiven Säugetieren so beschaffen, dass die Zellkerne der einzelnen Stäbchenzellen übereinander gestapelt sind. Dadurch durchdringt das Licht acht bis zehn Zellkerne, bevor es die Photorezeptoren der Zellen erreicht. Anstatt gestreut zu werden, wird das Licht durch einen starken Linseneffekt aufgrund der Kerninversion einzeln an jeden Zellkern weitergeleitet, tritt aus dem Stapel der Zellkerne aus und gelangt in die zehn äußeren Segmente der Photorezeptoren . Die Nettoauswirkung dieser anatomischen Veränderung besteht in einer Veracht- bis Zehnfachung der Lichtempfindlichkeit der Netzhaut ohne Verlust der Fokussierung. ^{[ 10 ]}

Die Pupillenerweiterung ist ein biologischer Prozess, der nur einen geringen Beitrag zum Nachtsehen leistet. Beim Menschen können die Iris die Pupillengröße von 2 mm bei hellem Licht auf bis zu 8 mm bei Dunkelheit anpassen. Diese Anpassungsfähigkeit variiert jedoch individuell und altersabhängig, wobei der maximale Pupillendurchmesser mit zunehmendem Alter abnimmt. Manche Menschen sind jedoch in der Lage, ihre Pupillen im Dunkeln auf über 9 mm zu erweitern, was ihnen ein besseres Nachtsehen ermöglicht.

Nachtsichttechnologien lassen sich grob in drei Hauptkategorien unterteilen: Bildverstärkung , aktive Beleuchtung und Wärmebildgebung . Auch die digitale Nachtsicht gewinnt an Bedeutung; sie nutzt hochempfindliche CMOS- Bildsensoren mit einem Durchschleifsystem.

Dadurch wird die Anzahl der empfangenen Photonen aus verschiedenen natürlichen Quellen wie Sternen- oder Mondlicht vervielfacht. Beispiele für solche Technologien sind Nachtsichtgeräte und Restlichtverstärkerkameras. Im militärischen Kontext werden Bildverstärker oft als „Restlichtfernsehen“ bezeichnet , da das Videosignal häufig an ein Display in einer Kontrollzentrale übertragen wird. Diese sind üblicherweise in einen Sensor integriert, der sowohl sichtbare als auch Infrarotdetektoren enthält. Die Videoströme werden je nach den Anforderungen der jeweiligen Mission unabhängig voneinander oder im Fusionsmodus verwendet. ^{[ 11 ]}

Der Bildverstärker ist ein Gerät mit Vakuumröhre (Photomultiplier), das aus einer sehr geringen Anzahl von Photonen (wie dem Licht von Sternen am Himmel) ein Bild erzeugen kann. So lässt sich eine schwach beleuchtete Szene in Echtzeit mit bloßem Auge betrachten oder als Daten für spätere Analysen speichern. Trifft Licht auf eine geladene Fotokathode , werden Elektronen in einer Vakuumröhre freigesetzt. Dort treffen sie auf die Mikrokanalplatte und werden vervielfacht, bevor sie auf den Leuchtstoffschirm treffen. Dadurch leuchtet der Schirm mit einem Bild im gleichen Muster wie das auf die Fotokathode treffende Licht und in einer für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlänge auf. Das Prinzip ist ähnlich wie bei einem Röhrenfernseher , nur dass hier die Fotokathode anstelle von Farbkanonen die Farben emittiert.

Das Bild wird als „verstärkt“ bezeichnet, da das abgegebene sichtbare Licht heller ist als das einfallende. Dieser Effekt steht in direktem Zusammenhang mit dem Unterschied zwischen passiven und aktiven Nachtsichtgeräten . Aktuell sind die gängigsten Bildverstärkerformate MX-10160 oder MX-11769 , obwohl viele weitere Modelle und Größen auf dem Markt erhältlich sind. ^{[ 12 ]}

Digitale Nachtsichtgeräte nutzen häufig hochempfindliche , rückseitig belichtete CMOS- Bildsensoren, auch sCMOS (wissenschaftliche CMOS) genannt. Ihre Empfindlichkeit kann die des menschlichen Auges übertreffen. ^{[ 13 ]} Diese Sensoren lassen sich in Nachtsichtbrillen und Zielfernrohren am Kopf befestigen, werden aber auch in Überwachungskamerasystemen , der Astronomie und der Mikroskopie eingesetzt . ^{[ 14 ]} Infrarotbeleuchtung ist zwar möglich, aber für die Funktion nicht zwingend erforderlich.

Aktive Beleuchtung kombiniert Bildverstärkungstechnologie mit einer aktiven Lichtquelle im nahen Infrarotbereich (NIR) oder im kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR). Beispiele für solche Technologien sind Restlichtverstärkerkameras.

Aktive Infrarot-Nachtsichtgeräte kombinieren Infrarotbeleuchtung im Spektralbereich von 700–1000 nm (knapp oberhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Spektrums ) mit Sensoren oder CCD- Kameras, die für dieses Licht empfindlich sind. Das resultierende Bild wird auf einem normalen Anzeigegerät als Schwarzweißbild dargestellt. ^{[ 15 ]} Da aktive Infrarot-Nachtsichtsysteme mit Beleuchtungseinheiten ausgestattet werden können, die hohe Infrarotlichtintensitäten erzeugen, weisen die resultierenden Bilder typischerweise eine höhere Auflösung auf als andere Nachtsichttechnologien. ^{[ 16 ] [ 17 ]} Aktive Infrarot-Nachtsichtgeräte werden heute häufig in kommerziellen, privaten und behördlichen Sicherheitsanwendungen eingesetzt, wo sie effektive Nachtaufnahmen bei schwachen Lichtverhältnissen ermöglichen. Da aktives Infrarotlicht jedoch von Nachtsichtgeräten erfasst werden kann, besteht bei taktischen Militäroperationen die Gefahr, die eigene Position preiszugeben.

Laser-Range-Gating-Imaging ist eine weitere Form der aktiven Nachtsicht, die eine leistungsstarke gepulste Lichtquelle zur Beleuchtung und Bildgebung nutzt. Range Gating ist eine Technik, die die Laserpulse in Verbindung mit der Verschlusszeit der Kameradetektoren steuert. ^{[ 18 ]} Die Range-Gating-Imaging-Technologie lässt sich in Einzelbild- , bei der der Detektor das Bild eines einzelnen Lichtpulses aufnimmt, und Mehrfachbild- , bei der der Detektor die Lichtpulse mehrerer Aufnahmen zu einem Bild integriert, unterteilen. Einer der Hauptvorteile dieser Technik ist die Möglichkeit der Zielerkennung anstelle der reinen Detektion, wie es bei der Wärmebildgebung der Fall ist.

Die Wärmebildgebung erfasst den Temperaturunterschied zwischen Objekten im Vordergrund und Hintergrund. Einige Organismen können mithilfe spezieller Organe, die als Bolometer fungieren, ein grobes Wärmebild wahrnehmen . Schlangen beispielsweise können thermische Infrarotstrahlung detektieren.

Wärmebildkameras sind hervorragende Nachtsichtgeräte. Sie erfassen Wärmestrahlung und benötigen keine externe Lichtquelle. Selbst in tiefster Dunkelheit liefern sie Bilder und können (bis zu einem gewissen Grad) durch leichten Nebel, Regen und Rauch hindurchsehen. Wärmebildkameras machen selbst kleinste Temperaturunterschiede sichtbar. Sie werden häufig zur Ergänzung neuer oder bestehender Sicherheitsnetzwerke und zur Nachtsicht in Flugzeugen eingesetzt, wo sie üblicherweise als „FLIR“ (für „Forward Looking Infrared“) bezeichnet werden. In Kombination mit weiteren Kameras (z. B. einer Kamera für das sichtbare Spektrum oder SWIR) sind multispektrale Sensoren möglich, die die Vorteile der einzelnen Spektralbänder nutzen. Entgegen anderslautenden Medienberichten können Wärmebildkameras nicht durch feste Objekte (z. B. Wände) oder durch Glas oder Acrylglas hindurchsehen, da diese Materialien eine eigene Wärmesignatur aufweisen und für langwellige Infrarotstrahlung undurchlässig sind.

Vor der Einführung von Bildverstärkern waren Nachtsichtgeräte die einzige Möglichkeit zur Nachtsicht und wurden daher insbesondere auf See häufig eingesetzt. Nachtsichtgeräte aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs hatten üblicherweise einen Linsendurchmesser von 56 mm oder mehr und eine sieben- bis achtfache Vergrößerung. Zu den größten Nachteilen von Nachtsichtgeräten zählten ihre Größe und ihr Gewicht.

Ein Nachtsichtgerät (NVD) besteht aus einer Bildverstärkerröhre in einem starren Gehäuse und wird üblicherweise vom Militär eingesetzt . In letzter Zeit ist die Nachtsichttechnologie auch für zivile Zwecke immer zugänglicher geworden. So sind beispielsweise verbesserte Sichtsysteme (EVS) für Flugzeuge verfügbar, die das Situationsbewusstsein der Piloten verbessern und so Unfälle verhindern. Diese Systeme sind in den neuesten Avionikpaketen von Herstellern wie Cirrus und Cessna enthalten . Die US Navy hat mit der Beschaffung einer Variante begonnen, die in ein Helmdisplay integriert ist und von Elbit Systems hergestellt wird.

Eine spezielle Art von Nachtsichtgerät, die Nachtsichtbrille (NVG), ist ein Gerät mit zwei Okularen. Das Gerät kann entweder eine Bildverstärkerröhre verwenden, die das gleiche Bild an beide Augen sendet, oder für jedes Auge eine separate Bildverstärkerröhre. Nachtsichtbrillen in Kombination mit Vergrößerungslinsen ergeben Nachtsichtferngläser. Weitere Typen sind monokulare Nachtsichtgeräte mit nur einem Okular, die als Nachtsichtgeräte an Schusswaffen montiert werden können. NVG- und EVS-Technologien werden im Hubschrauberbetrieb zunehmend eingesetzt, um die Sicherheit zu erhöhen. Das NTSB erwägt EVS als empfohlene Sicherheitsausrüstung.

Nachtsichtgeräte sind ein- oder zweiäugig und verfügen über ein Objektiv mit großem Durchmesser. Große Linsen können Licht bündeln und konzentrieren, wodurch es rein optisch verstärkt wird und der Benutzer im Dunkeln besser sehen kann als mit bloßem Auge. Oft besitzen Nachtsichtgeräte auch eine relativ große Austrittspupille von 7 mm oder mehr, damit das gesamte gebündelte Licht ins Auge des Benutzers gelangt. Viele Menschen können dies jedoch aufgrund der begrenzten Pupillenerweiterung nicht nutzen . Um dies auszugleichen, erhielten Soldaten mitunter Atropin- Augentropfen zur Pupillenerweiterung.

Das PVS-14-Monokular ist derzeit das am weitesten verbreitete und bevorzugte Nachtsichtgerät der NATO-Streitkräfte. Es wird von der US-Armee eingesetzt und ist bekannt für seine geringen Kosten, sein breites Einsatzspektrum und seine Modifizierungsmöglichkeiten. Hochwertigere Geräte wie das PVS-31-Fernglas und das GPNVG-18-Vierfach-Nachtsichtgerät werden von Spezialeinheiten verwendet, sind aber kostspielig. Monokulare werden im Allgemeinen von entwickelten Streitkräften bevorzugt.

Nachtsichtsysteme können auch in Fahrzeugen installiert werden. Ein solches System verbessert die Wahrnehmung und Sichtweite des Fahrers bei Dunkelheit oder schlechten Wetterbedingungen. Diese Systeme nutzen typischerweise Infrarotkameras, teilweise in Kombination mit aktiver Beleuchtung, um Informationen zu erfassen und diese dem Fahrer anzuzeigen. Derzeit werden diese Systeme als Sonderausstattung für bestimmte Premiumfahrzeuge angeboten.

• Johnsons Kriterien
• Fernsehen bei schwachem Licht
• Nachtsichtgerät
• Wärmebildgerät
• Wärmebildkamera
• Abgewandte Sicht

• Direktion für Nachtsicht und elektronische Sensoren – Fort Belvoir, Virginia
• Demonstration der automobilen Nachtsichtfähigkeit

• US D248860 - Nachtsicht-Taschenfernrohr
• US 4707595 – Unsichtbarer Lichtstrahlprojektor und Nachtsichtsystem
• US 4991183 – Zielbeleuchtungseinrichtungen und Systeme, die diese verwenden
• US 6075644 - Panorama-Nachtsichtgerät
• US-Patent 7,173,237
• US 6158879 – Infrarot-Reflektor- und Beleuchtungssystem