夜間視力

夜間視力とは、暗所で自然に、または夜間視力装置を使って、暗い場所で物を見る能力のことです。夜間視力には、十分なスペクトル範囲と十分な強度範囲の両方が必要です。人間の夜間視力は、猫、犬、キツネ、ウサギなどの多くの動物に比べて劣っています。その理由の1つは、人間の目には網膜の後ろにある組織である輝板^[1]がなく、網膜を通して光を反射して光受容体に届く光を増やすためです。

夜間有効スペクトル範囲技術は、人間の観察者には見えない放射線を感知することができます。人間の視覚は、可視光線と呼ばれる電磁スペクトルの小さな部分に限られています。スペクトル範囲の拡張により、観察者は目に見えない電磁放射線源（近赤外線や紫外線など）を活用できます。シャコやマスなどの一部の動物は、人間よりもはるかに多くの赤外線や紫外線スペクトルを使用して視覚を得ることができます。^[2]

十分な強度範囲とは、非常に少量の光でも見ることができる能力のことです。^[3]

多くの動物は人間よりも夜間視力が優れていますが、これは動物の目の形態や解剖学における 1 つ以上の違いによるものです。これには、眼球が大きい、水晶体が大きい、光学開口部が大きい (瞳孔がまぶたの物理的限界まで広がる)、網膜に錐体よりも桿体が多い (または桿体だけである) 、タペタムがあるなどが含まれます。

強化された強度範囲は、イメージ増強管、ゲイン増倍CCD、またはその他の非常に低ノイズで高感度の光検出器アレイの使用による技術的な手段によって達成されます。

脊椎動物の目のすべての光受容細胞には、色覚細胞のタンパク質フォトプシン、暗視細胞のロドプシン、およびレチナール（小さな光受容分子）の組み合わせである光受容タンパク質分子が含まれています。レチナールは、光を吸収すると不可逆的な形状変化を起こします。この変化により、レチナールを取り囲むタンパク質の形状が変化し、その変化が視覚をもたらす生理学的プロセスを誘発します。

レチナールは視覚細胞から眼の外に拡散し、血液を介して肝臓に循環し、そこで再生されます。明るい光の状況では、レチナールのほとんどは光受容体ではなく眼の外にあります。光受容体タンパク質のすべてが活性レチナールで再充電されるには約45分の暗闇が必要ですが、夜間視力の順応のほとんどは暗闇の最初の5分以内に起こります。^[4]順応により光に対する感度が最大になります。暗い状況では、桿体細胞だけが反応して視覚を刺激するのに十分な感度を持っています。

人間の桿体細胞にあるロドプシンは、より長い赤色の波長には反応しないため、伝統的に多くの人が夜間視力を保つために赤色光を使用しています。赤色光は桿体細胞にあるロドプシンをゆっくりと消耗させるだけで、代わりに赤色に敏感な錐体細胞によって視認されます。^[要出典]

別の理論では、星は通常より短い波長の光を発するため、星からの光は青緑色のスペクトルになるだろうと仮定している。したがって、赤い光を使って航行しても、星の光を検出する受容体の感度は低下しない。^{[6] [7]}

多くの動物は目の奥にタペタムと呼ばれる組織層を持っており、網膜を通して光を反射し、網膜が捉えられる光の量を増やすが、像の焦点の鮮明さを低下させる。これは多くの夜行性動物や一部の深海動物に見られ、眼光の原因となる。人間やサルにはタペタムがない。^{[8] [9]}

夜行性の哺乳類は、夜間視力の向上を可能にする独特の特性を持つ桿体を持っている。桿体の核パターンは、出生後まもなく反転するように変化する。従来の桿体とは対照的に、反転した桿体は核の中心にヘテロクロマチンを持ち、境界に沿ってユークロマチンと他の転写因子を持つ。さらに、夜行性の哺乳類の網膜の細胞の外層（外核層）は、弱い光強度を処理するために何百万もの桿体が存在するため厚くなっている。夜行性の哺乳類のこの層の構造は、個々の細胞の桿体核が物理的に積み重ねられており、光は細胞の光受容部分に到達する前に 8 〜 10 個の核を通過するようになっている。光は散乱されるのではなく、核の反転による強力なレンズ効果によって各核に個別に渡され、核の積み重ねから出て、10 個の光受容外節の積み重ねに入ります。この解剖学的変化の最終的な効果は、焦点を失うことなく網膜の光感度を8～10倍に増加させることである。^[10]

瞳孔の拡張は、夜間視力に比較的わずかな貢献をする生物学的プロセスです。人間の瞳孔は、明るい光の下では 2 mm ですが、暗い場所では最大 8 mm まで瞳孔の大きさを調整できますが、これは個人や年齢によって異なり、年齢とともに最大瞳孔径は小さくなります。しかし、暗闇の中で瞳孔を 9 mm 以上に拡張できる人もおり、夜間視力が向上します。^{[引用が必要]}

暗視技術は、画像増強、アクティブ照明、熱画像という 3 つの主なカテゴリに大別できます。

これにより、星や月の光など、さまざまな自然源から受信する光子の量が増幅されます。このような技術の例には、ナイトグラスや低照度カメラなどがあります。軍事分野では、画像増強装置は「低照度テレビ」と呼ばれることがよくあります。これは、ビデオ信号がコントロールセンター内のディスプレイに送信されることが多いためです。これらは通常、可視光検出器と赤外線検出器の両方を含むセンサーに統合されており、ストリームは、現在のミッションの要件に応じて、独立して、または融合モードで使用されます。^[11]

イメージ インテンシファイアは、真空管ベースのデバイス (光電子増倍管) であり、非常に少数の光子 (空の星からの光など) からイメージを生成して、薄暗いシーンを視覚出力を介して肉眼でリアルタイムで表示したり、後で分析するためにデータとして保存したりできます。多くの人が光が「増幅」されていると信じていますが、そうではありません。光が帯電した光電陰極プレートに当たると、電子が真空管から放出され、マイクロチャネル プレートに当たります。これにより、画像スクリーンが、光電陰極に当たる光と同じパターンで、人間の目に見える波長の画像で照らされます。これはCRT テレビによく似ていますが、カラー ガンの代わりに光電陰極が放出を行います。

出力される可視光が入射光よりも明るいため、画像が「増強される」と言われており、この効果はパッシブ暗視ゴーグルとアクティブ暗視ゴーグルの違いに直接関係しています。現在、最も人気のある画像増強装置はドロップインANVISモジュールですが、市場には他にも多くのモデルとサイズがあります。最近、米海軍は空中プラットフォームのコックピットで使用するためにANVISの2色バージョンを調達する意向を発表しました。^[12]

アクティブ照明は、近赤外線(NIR) または短波赤外線 (SWIR) 帯域 のアクティブ照明源とイメージング増強技術を組み合わせたものです。このような技術の例には、低照度カメラがあります。

アクティブ赤外線暗視は、スペクトル範囲700～1,000 nm（人間の目の可視スペクトルのすぐ上）の赤外線照明と、この光に感度のあるCCDカメラを組み合わせたものです。その結果得られる光景は、人間の観察者には明らかに暗いものですが、通常の表示装置ではモノクロ画像として表示されます。 ^[13]アクティブ赤外線暗視システムには、高レベルの赤外線を生成する照明装置を組み込むことができるため、得られる画像は通常、他の暗視技術よりも高解像度です。^{[14] [15]} アクティブ赤外線暗視は現在、商業、住宅、政府のセキュリティアプリケーションで一般的に使用されており、低照度条件下での効果的な夜間撮影を可能にします。ただし、アクティブ赤外線は暗視ゴーグルで検出できるため、戦術的な軍事作戦では位置がバレるリスクがあります。

レーザー距離ゲートイメージングは​​、照明とイメージングに高出力パルス光源を使用するアクティブナイトビジョンの別の形式です。距離ゲートは、カメラの検出器のシャッタースピードに合わせてレーザーパルスを制御する技術です。^[16]ゲートイメージング技術は、検出器が単一の光パルスから画像をキャプチャするシングルショットと、検出器が複数のショットからの光パルスを統合して画像を形成するマルチショットに分けられます。この技術の主な利点の1つは、熱画像の場合のように単なる検出ではなく、 ターゲット認識を実行できることです。

熱画像撮影は、背景と前景の物体の温度差を検出します。一部の生物は、ボロメータとして機能する特殊な器官によって、大まかな熱画像を感知することができます。これにより、ヘビは熱放射を検出することで機能する熱赤外線感知が可能になります。

熱画像カメラは夜間視力の優れたツールです。熱放射を検出し、光源を必要としません。最も暗い夜でも画像を生成し、薄い霧、雨、煙を（ある程度）見通すことができます。熱画像カメラは、小さな温度差を可視化します。これらは、新規または既存のセキュリティ ネットワークを補完するために広く使用され、航空機の夜間視力にも使用されます。航空機の夜間視力では、一般に「FLIR」（「前方監視赤外線」の略）と呼ばれています。追加のカメラ（可視スペクトル カメラや SWIR など）と組み合わせると、各検出帯域の機能の利点を活用できるマルチスペクトル センサーが可能になります。メディアで誤解されているのとは異なり、熱画像カメラは固体（壁など）を「見通す」ことはできません。また、ガラスやアクリルも、独自の熱特性を持ち、長波赤外線を透過しないため、見通すことはできません。

イメージ増強装置が導入される前は、暗視メガネが唯一の暗視手段であったため、特に海上で広く使用されていました。第二次世界大戦時代の暗視メガネは、通常、レンズの直径が 56 mm 以上で、倍率は 7 倍または 8 倍でした。暗視メガネの主な欠点は、サイズが大きく、重いことです。

暗視装置（NVD）は、堅いケースに収められた画像増強管を備えた装置で、軍隊でよく使用されています。最近、暗視技術は民間でも広く利用されるようになりました。たとえば、強化視覚システム（EVS）は、事故を防ぐためにパイロットの状況認識を強化するために航空機で利用できるようになりました。これらのシステムは、 CirrusやCessnaなどのメーカーの最新の航空電子機器パッケージに含まれています。米国海軍は、Elbit Systems 社製のヘルメットマウントディスプレイに統合されたバリアントの調達を開始しました。

NVD の特定のタイプである暗視ゴーグル (NVG) は、二重接眼レンズを備えた暗視装置です。この装置は、両目に同じ画像を送る 1 つの増倍管、または各目に別々の画像増倍管のいずれかを使用できます。暗視ゴーグルに拡大レンズを組み合わせると、暗視双眼鏡になります。その他のタイプには、接眼レンズが 1 つだけの単眼暗視装置があり、夜間照準器として銃器に取り付けることができます。NVG および EVS テクノロジは、安全性を向上させるためにヘリコプターの運用でますます普及しています。NTSBは、安全機能のための推奨装置として EVS を検討しています。

ナイトグラスは、単眼または双眼で、対物レンズの直径が大きい。レンズが大きいと光を集めて集中できるため、純粋に光学的な手段で光を強め、暗闇でも裸眼よりもよく見えるようになる。ナイトグラスには、集めた光をすべてユーザーの目に入れるために、7 mm 以上のかなり大きな射出瞳孔が付いていることが多い。しかし、人間の瞳孔の拡張には限界があるため、多くの人はこれを利用できない。これを克服するために、兵士には瞳孔を拡張するためのアトロピン点眼薬が処方されることもあった。 ^{[いつ? ]}

現在、PVS-14 単眼鏡は、NATO 軍全体で最も広く使用され、好まれている暗視装置です。米国軍で使用されており、低コストで幅広い用途と改造が可能であることが特徴です。PVS-31 双眼鏡や GPNVG-18 四重管暗視装置などの一部のハイエンド装置は、特殊部隊グループで使用されていますが、高価です。単眼鏡は、一般的に先進軍で好まれています。

暗視システムは、車両にも搭載できます。自動車の暗視システムは、暗闇や悪天候での運転者の視認性や距離の把握を改善するために使用されます。このようなシステムでは通常、赤外線カメラが使用され、場合によってはアクティブ照明技術と組み合わせて情報を収集し、運転者に表示されます。このようなシステムは現在、一部の高級車のオプション装備として提供されています。

• ジョンソンの基準
• 低照度テレビ
• 暗視装置
• 熱画像装置
• サーモグラフィーカメラ
• 視線を逸らす

ウィキメディア・コモンズには、暗視に関連するメディアがあります。

• 暗視・電子センサー局 -バージニア州フォートベルボア
• 自動車用ナイトビジョンのデモンストレーション

• US D248860 - 暗視ポケットスコープ
• US 4707595 - 不可視光線プロジェクターおよび暗視システム
• US 4991183 - ターゲット照明装置およびそれを用いたシステム
• US 6075644 - パノラマ暗視ゴーグル
• 米国特許 7,173,237
• US 6158879 - 赤外線反射器および照明システム