Способность ощущать инфракрасное тепловое излучение развивалась независимо у нескольких различных семейств змей. Специальные термочувствительные органы имеются у ямкоголовых змей (Crotalinae), некоторых питонов (Pythonidae) и удавообразных змей (Boidae). Эти органы позволяют змея “видеть” в инфракрасном диапазоне от 5 до 30 мкм.
Ямкоголовые получили свое название благодаря двум терморецепторным ямкам на голове, расположенным между ноздрёй и глазом. В такой ямке имеется очень маленькое отверстие, в глубине, на дне которого находится мембрана с огромным количеством терморецепторов на ней (от 500 до 1500 штук на кв. мм). Т.к. змея получает “картинку” с каждой из ямок, она способна воспринимать ее стереоскопически, а значит, это дает еще и возможность оценивать расстояние до объекта. Строение ямок обеспечивает змеям чувствительность к инфракрасному излучению, и дает им возможность находить свою жертву, ориентируясь по разнице ее температуры и температуры окружающей среды. С помощью этих органов змея может определять изменения температуры даже в 0,1°С. Таким образом она может отличать некоторых животных, так они имеют разную температуру, например, грызунов и птиц, и охотиться на них в кромешной тьме. При этом змея получает достаточно четкую “картинку”, чтобы ее атака была быстрой и точной. (http://www.riddickrb.ru/node/67)
Рис. 1. Змея (термочувствительные ямки отмечены красными стрелками) и инфракрасное изображение мыши.
Изобретательская задача
Возможно ли расширение диапазона зрения для человека в инфракрасную область? Какие инженерно-технические решения можно позаимствовать в природе для увеличения диапазона зрения человека, расширить возможности видения в темноте?
Пример модели, сделанной учеником
Из веб камеры - камера ночного видения, она будет работать в полной темноте.
Рис. 2. Камера ночного видения.
Органы, позволяющие змеям “видеть” тепловое излучение, дают крайне расплывчатое изображение. Тем не менее, у змеи в мозгу формируется четкая тепловая картина окружающего мира. Немецкие исследователи выяснили, как такое может быть.
Расположенные около глаз змеи ямочки — это органы, чувствительные к тепловому излучению. Из-за большого диаметра входного отверстия “тепловое изображение” на мембране получается чрезвычайно размытым, но змея умудряется восстанавливать из него достаточно. Некоторые виды змей обладают уникальной способностью улавливать тепловое излучение, позволяющей им “разглядывать” окружающий мир в абсолютной темноте. Правда, они “видят” тепловое излучение не глазами, а специальными чувствительными к теплу органами (см. рисунок 3). резкую картину окружающего мира (изображение из статьи Phys. Rev. Lett., 97, 068105)
Рис. 3. Глаз змеи.
Строение такого органа очень просто. Рядом с каждым глазом располагается отверстие диаметром около миллиметра, которое ведет в небольшую полость примерно такого же размера. На стенках полости расположена мембрана, содержащая матрицу из клеток-терморецепторов размером примерно 40 на 40 клеток. В отличие от палочек и колбочек сетчатки глаза, эти клетки реагируют не на “яркость света” тепловых лучей, а на локальную температуру мембраны.
Этот орган работает как камера-обскура, прототип фотоаппаратов.
Рис. 4. Камера Обскура
Мелкое теплокровное животное на холодном фоне испускает во все стороны “тепловые лучи” — далекое инфракрасное излучение с длиной волны примерно 10 микрон. Проходя через дырочку, эти лучи локально нагревают мембрану и создают “тепловое изображение”. Благодаря высочайшей чувствительности клеток-рецепторов (детектируется разница температур в тысячные доли градуса Цельсия!) и неплохому угловому разрешению, змея может заметить мышь в абсолютной темноте с довольно большого расстояния.
Рис. 5. Глаза удавов, питонов и гремучих змей создают тепловое изображение жертвы, позволяя своим владельцам в точности определить её местоположение. Гремучие змеи – лидеры производства, их сенсоры в 10 раз превосходят любые современные инфракрасные сенсоры. (http://zhizninauka.info/topics/nash-mir-glazami-raznyh-zhivotnyh/)
Рис. 6. А вот скорпион - хладнокровное животное, его тело принимает температуру окружающей среды. Человек, как животное теплокровное, получается на инфракрасном снимке довольно ярким. А наш хладнокровный скорпион на его фоне очень выделяется.
С точки зрения физики как раз хорошее угловое разрешение и представляет собой загадку. Природа оптимизировала этот орган так, чтобы лучше “видеть” даже слабые источники тепла, то есть попросту увеличила размер входного отверстия — апертуры. Но чем больше апертура, тем более размытое получается изображение (речь идет, подчеркнем, про самое обычное отверстие, безо всяких линз). В ситуации со змеями, где апертура и глубина камеры примерно равны, изображение оказывается настолько размытым, что из него ничего, кроме “где-то поблизости есть теплокровное животное”, извлечь нельзя. Тем не менее, опыты со змеями показывают, что они могут определять направление на точечный источник тепла с точностью около 5 градусов! Как же змеям удается достичь столь высокого пространственного разрешения при таком ужасном качестве “инфракрасной оптики”?
Изучению именно этого вопроса была посвящена недавняя статья немецких физиков A.B. Sichert, P. Friedel, J. Leo van Hemmen, Physical Review Letters, 97, 068105 (9 August 2006).
Раз реальное “тепловое изображение”, говорят авторы, сильно размыто, а “пространственная картина”, возникающая у животного в мозгу, довольно четкая, значит существует некий промежуточный нейроаппарат на пути от рецепторов к мозгу, который как бы настраивает резкость изображения. Этот аппарат не должен быть слишком сложным, иначе змея очень долго “обдумывала” бы каждое полученное изображение и реагировала бы на стимулы с запаздыванием. Более того, по мнению авторов этот аппарат вряд ли использует многоступенчатые итеративные отображения, а является, скорее, каким-то быстрым одношаговым преобразователем, работающим по навсегда зашитой в нервную систему программе.
Рис. 7. Одиночное немиелинизированное нервное волокно отходит от широко разветвленных окончаний ямки. т - терминальная ветвь, ци - цитоплазма шванновских клеток, нв - нервное волокно, яшк - ядро шванновской клетки, тм - терминальная масса.
В своей работе исследователи доказали, что такая процедура возможна и вполне реальна. Они провели математическое моделирование того, как возникает “тепловое изображение”, и разработали оптимальный алгоритм многократного улучшения его четкости, окрестив его “виртуальной линзой”.
Несмотря на громкое название, использованный ими подход, конечно, не является чем-то принципиально новым, а всего лишь разновидность деконволюции — восстановления изображения, испорченного неидеальностью детектора. Это процедура, обратная смазыванию картинки, и она широко применяется при компьютерной обработке изображений.
В проведенном анализе был важный нюанс: закон деконволюции не требовалось угадывать, его можно было вычислить исходя из геометрии чувствительной полости. Иными словами, было заранее известно, какое конкретно изображение даст точечный источник света в любом направлении. Благодаря этому совершенно размытое изображение можно было восстановить с очень хорошей точностью (обычные графические редакторы со стандартным законом деконволюции с этой задачей бы и близко не справились). Авторы предложили также конкретную нейрофизиологическую реализацию этого преобразования.
Сказала ли эта работа какое-то новое слово в теории обработки изображений — вопрос спорный. Однако она, несомненно, привела к неожиданным выводам касательно нейрофизиологии “инфракрасного зрения” у змей. Действительно, локальный механизм “обычного” зрения (каждый зрительный нейрон снимает информацию со своей маленькой области на сетчатке) кажется столь естественным, что трудно представить что-то сильно иное. А ведь если змеи действительно используют описанную процедуру деконволюции, то каждый нейрон, дающий свой вклад в цельную картину окружающего мира в мозгу, получает данные вовсе не из точки, а из целого кольца рецепторов, проходящего по всей мембране. Можно только удивляться, как природа умудрилась сконструировать такое “нелокальное зрение”, компенсирующее дефекты инфракрасной оптики нетривиальными математическими преобразованиями сигнала. (http://elementy.ru/novosti_nauki/430296/Infrakrasnoe_zrenie_zmey_trebuet_nelokalnoy_obrabotki_izobrazheniy)
Эксперименты.
Тепловизор из фотоаппарата
Этот метод создания тепловизора наиболее прост и недорог – поскольку требует минимального вмешательства в конструкцию цифровика и таких же невысоких затрат. Основан он на том простом физическом факте, что цифровые аппараты на входе фиксируют ИК-излучение так же, как и обычное. Но, поскольку в обычных условиях тепловая часть спектра фотографу не нужна, перед приёмной матрицей производителями устанавливается специальный фильтр, отражающий ИК-лучи (так называемый “hot mirror”, или тепловое зеркало).
Рис. 8. Изготовление самодельного
тепловизора из фотоаппарата.
(http://iohotnik.ru/snaryazhenie-dlya-ohoti/6400-kak-sdelat-teplovizor-svoimi-rukami-sovety-ot-profi.html)
Рис. 9. Тепловизор из видекамеры.
Тепловизор из видеокамеры
По существу, технически метод является копией варианта с фотоаппаратом – разве что корпус такого тепловизора получится более удобным, а качество изображения – более высокой чёткости (правда, потребуется видеокамера с инфракрасной подсветкой).
Руководство для учащегося
Цель: Сделать простую модель из подручных средств. Демонстрировать её работу. Понять принцип действия.
Этапы работы
Материалы
1 вариант: очки для сварки со съемными стеклами; светофильтр “Congo Blue” (синий, маркировка LEE C181); светофильтр “Primary Red” (красный, маркировка ROSCO 27).
2 вариант: веб камера, инфракрасные диоды – 4 шт., резистор.
Ход работы
1 вариант:
- открутите окуляры очков и удалите тёмные стёкла;
- вырежьте из светофильтров круги по диаметру стёкол очков. Вам понадобится восемь кругов синего светофильтра и два круга - красного.
- установите светофильтры - в каждый из окуляров очков поместите по четыре синих фильтра.
Дождитесь яркого солнечного дня и наденьте очки. Вы увидите таинственный мир, освещённый излучением, близким к инфракрасному: тёмно-красные деревья и кустарник, насыщенное синее небо... Ещё более интересных эффектов вы можете добиться, добавив в каждый из окуляров по одному красному светофильтру. Вы увидите мир практически исключительно в инфракрасном изображении. Синий светофильтр задерживает красный свет, а красный - блокирует синий. Использование обоих фильтров задерживает большую часть видимого излучения, оставляя видимым только участок спектра, близкий к инфракрасному.
Не смотрите в этих очках на Солнце - вы можете сжечь сетчатку.
2 вариант:
Берем веб камеру, разбираем объектив и находим там ИК-линзу, извлекаем ее (Её можно легко извлечь с помощью тонкой иглы);
После удаления ИК-линзы собираем камеру обратно; теперь камера реагирует на инфракрасный свет, который человеческий глаз не распознаёт;
4 инфракрасных диода подключаются последовательно + резистор, подключается к питанию 9V;
Диоды закрепляются на веб камеру;
Чем больше диодов, тем мощнее освещение инфракрасного света. Но даже 4 вполне хватает для освещения комнаты либо лестничной площадки в подъезде. Вещь довольно лёгкая в изготовлении и полезная.
Примеры съёмки и тест камеры есть в видео уроке (http://www.freeseller.ru/5426-kamera-nochnogo-videniya-svoimi-rukami.html).
Доработка конструкции
Подумать, что заставило вашу модель работать именно так?
В 1 варианте, изготовление инфракрасных очков, попробовать различные сочетания светофильтров. Объяснить полученные результаты.
Во 2 варианте попробуйте добавить 2 или 4 ИК-диода. Поясните полученный результат.
Требуется ли изменение конструкции после тестирования устройства?
Как может “патент природы” применяться в будущем? В каких новых проектах и направлениях?
Работа современных мобильных роботов зачастую сопряжена с постоянным и активным перемещением в динамическом (подверженном изменениям) окружении. В настоящее время, в связи с интенсивной роботизацией обслуживающей сферы (к примеру: внедрения робокаров на производстве, сервисных роботов для контакта с людьми), возникла серьезная необходимость создания таких роботов, которые могли бы не только уметь двигаться по заранее определенным маршрутам и обнаруживать препятствия, но и классифицировать их, чтобы при необходимости гибко подстроиться под изменяющееся окружение.
Данную задачу можно и нужно решать с использованием технического зрения. Основными датчиками, с помощью которых робот получает данные, являются инфракрасные датчики, которые определяют разницу в контрасте линии и окружающего фона.
Тепловизоры, благодаря которым мы можем различать инфракрасное излучение, известны в первую очередь как приборы ночного видения, но они также помогают врачам следить за током крови в организме пациента, выявлять различные химические вещества в окружающей среде и обнаруживать другие скрытые от человеческого зрения объекты — например, наброски Пола Гогена под слоем краски.
В отличие от видимого излучения, которое большинство камер “ловит” с помощью одной-единственной матрицы, для того, чтобы “увидеть” различные диапазоны инфракрасной области спектра (ближний, средний и дальний), требуется комбинация технологий. При этом детекторы, работающие в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне, требуют постоянного охлаждения. В результате миниатюризация тепловизоров становится довольно непростой задачей.
Графен может выступать в роли сенсора, работающего во всем инфракрасном диапазоне (а также видимом и ультрафиолетовом заодно). Однако чувствительность детекторов на основе графена весьма невысока — она колеблется в пределах десятков миллиампер на ватт (отношение величины производимого электрического сигнала к потоку излучения). Лист графена толщиной в один атом поглощает всего 2.3% излучения, падающего на его поверхность. Интеграция в светочувствительный слой квантовых точек способна повысить чувствительность графеновых сенсоров на несколько порядков — но, увы, за счет значительного сокращения диапазона рабочих частот.
Исследователи из Мичиганского университета придумали новый способ получения электрического сигнала, позволяющий создать высокочувствительный графеновый сенсор, работающий в широком диапазоне частот. Вместо того, чтобы напрямую пытаться “поймать” электроны, высвобождаемые световым потоком из слоя графена-сенсора, ученые усилили сигнал, регистрируя влияние зарядов, возникающих под действием излучения, на электрический ток в другом, близлежащем слое графена.
В созданной исследователями конструкции между двумя слоями графена располагается тонкий слой изолирующего материала — потенциальный барьер. Сквозь нижний слой графена течет электрический ток. Когда свет, падающий на верхний слой графена, высвобождает электроны, они туннелируют в нижний слой, оставляя на месте себя положительно заряженные дырки, которые создают электрическое поле, влияющее на ток в нижнем слое графена. Эти изменения можно зафиксировать и по ним вычислить параметры излучения, падающего на детектор.
Прототип устройства по размерам не больше ногтя, и его с легкостью можно сделать намного меньше. А затем встроить, например, в носимую электронику или даже “умные” контактные линзы, расширив диапазон человеческого зрения в инфракрасную область спектра. Подобные сенсоры наверняка найдут применение не только в потребительской электронике, но и в устройствах, предназначенных для нужд ученых и военных. А вы хотели бы видеть в инфракрасном диапазоне? (http://www.popmech.ru/technologies/15690-infrakrasnoe-zrenie/#full)