夜视仪基本原理

夜视仪基本原理 想要理解夜视仪的原理，就必须对光的原理有所了解。光波的能量大小与 其波长有关：波长越短，能量越高。在可见光中，紫光的能量最高，而红 光的能量最低。与可见光光谱相邻的是光谱。 红外线是光谱中的一小段 红外线分为三类： 近红外线（近IR）——近红外线与可见光相邻，其波长范围是 0.7-1.3微米（1微米等于百万分之一米）。 中红外线（中IR）——中红外线的波长范围是1.3-3微米。近红外 线和中红外线应用到各种电子设备中，例如遥控器。 热红外线（热IR）——热红外线占据了红外线光谱中最大的一部分， 其波长范围是3-30微米。 热红外线与其他两种红外线的主要区别是，热红外线是由物体发射出来 的，而不是从物体上反射出来的。物体之所以能够发射红外线，是因为其 原子发生了某种变化。 原子是永恒运动的。它们不停地振动、移动和旋转。即便是构成我们座椅 的原子也是不断运动着的。原子有几种不同的激发状态。换言之，它们具 有不同的能量。如果我们将大量的能量赋予一个原子，它就会摆脱基态能 级而达到激发水平。激发水平取决于以热、光或电等形式施加到原子上的 能量的多少。 原子由（包括质子和中子）和构成。我们可以将电子云中的电子设想成在不同轨道上围绕着原子核运动。现在还无法观察到电子的离 散轨道，但把这些轨道设想成原子不同的能级会更容易理解。换句话说， 如果我们向原子施加一定的热能，可以预见的是，一些处于低能轨道的电 子会转移到高能轨道上，即离原子核更远。 原子包括原子核和电子云 电子转移到高能轨道后，最终仍要回到基态。在此过程中，电子会以 （一种光线粒子）的形式释放能量。您会发现，原子不断地以光子的形式 释放能量。举例来说，当烤面包炉内的发热器之所以会变成亮红色，就是 因为原子被热力激发，释放出了红色的光子。激发态的电子比未受激发的 电子具有更高的能量，并且正是由于电子吸收了若干能量才达到了激发水 平，它会将这一能量释放出来以回归基态。这一能量会以光子的形式（光 能）被释放出来。发射出的光子具有特定的波长（颜色），这取决于释出 光子时电子的能量。 任何生物都要耗费能量，很多没有生命的物品也是如此，例如引擎和火箭。能量消耗会产生热量。反过来，热能会促使物体中的原子发射出位于热红 外线光谱中的光子。物体温度越高，释出的红外线光子的波长就越短。如 果物体的温度非常高，它发出的光子甚至能进入可见光光谱，从红光开始， 然后是橙光、黄光、蓝光，直至白光。请查阅电灯泡工作原理、激光器工作原理以及光的原理这几篇文章，了解有关光以及光子发射的详细信息。 夜视仪中的热成像技术正是利用了这种红外线发射现象。下一节，我们将 会探讨其中的原理。 以下是热成像的工作原理： 1. 用一种特制的透镜，能够将视野内物体发出的红外线会聚起来。 2. 红外线探测器元上的相控阵能够扫描会聚的光线。探测器元能够生 成非常详细的温度样式图，称为。大约只需1/30秒，探测器 阵列就能获取温度信息，并制成温谱图。这些信息是从探测器阵列 视域场中数千个探测点上获取的。 3. 探测器元生成的温谱图被转化为电脉冲。 4. 这些脉冲被传送到信号处理单元——一块集成了精密芯片的电路 板，它可以将探测器元发出的信息转换为显示器能够识别的数据。 5. 信号处理单元将信息发送给显示器，从而在显示器上呈现出各种色 彩，色彩强度由红外线的发射强度决定。将从探测器元传来的脉冲 组合起来，就生成了图像。 Infrared, Inc.供图 热成像系统的基本组件 多数热成像设备的扫描速率为30次/秒。它们能检测的温度范围为-20? 至2000?，能检测出的温差约为0.2?。 Infrared, Inc.供图 Infrared, Inc.供图 在白天，很容易 „„但在夜晚， 就能一览无余„„ 您能看到的少之又少。 Infrared, Inc.供图 热成像技术能让您重新看到这一切。 热成像设备一般有两大类： ——这种热成像设备最为常见。其红外探测器元封装在一 个单元内，可在室温下工作。这种系统可以迅速激活，工作时完全 静音，并且具有内置的电池。 ——这种系统价格更高，而且操作不当很容易损毁。这 种热成像设备将探测器元封装在一个外包装内，并将其冷却至0? 以下。由于冷却了探测器元，因此这种系统的具有极高的分辨率和 敏感度。低温冷却型系统可以“看到”300米以外0.1?的温差，这 样该系统足以判断出一个人手里是不是拿着一把抢！ 尽管热成像技术非常擅长探测人体，还能在几乎绝对黑暗的环境中工作， 但多数夜视设备采用的是图像增强技术，在下一节中您将了解到这种技 术。 提到夜视仪，多数人想到的是图像增强技术。事实上，图像增强系统一般 称为（NVD）。NVD内有一种图像增强管，可以用来采集、放大红 外线及可见光。 图像增强管可将光子重新转化为电子。 以下是图像增强系统的工作原理： 1. 一种称为物镜的传统透镜能捕捉环境光线和某些近红外线。 2. 收集到的光线会传送给图像增强管。在多数NVD中，图像增强管的供电系统会从两节N-Cell或“AA”电池中获取电力。管道会向图像 管组件输出约为5000伏的高压。 3. 图像增强管中有一个，能将光子转化为电子。 4. 当电子通过管道时，管中的原子会释放相似的电子，其数目为原有 电子数乘以一个因数（约为几千倍），利用管道内的微通道板（MCP）就能完成这项工作。微通道板是一个微型玻璃盘，内部含有数百万 个微型孔隙（微通道），采用光纤技术制成。微通道板处于真空中， 在盘片的两面都安装了金属电极。每条微通道的长度是其宽度的45倍左右，工作原理类似于电子放大器。 当来自光电阴极的电子触击微通道板上第一个电极时，在两电极间 5000伏高压作用下电子会加速通过玻璃微通道。电子通过微通道时， 会导致通道中数千个电子被释放出来，这一过程称为。简言之，原始电子会撞击微通道的侧边，而后受激发的原子会释出 更多的电子。这些新电子也会撞击其他原子，从而造成一种链式反 应，其结果是，进入微通道的电子屈指可数，而离开微通道的电子 却数以千计。一个有趣的现象是：MCP上的微通道有一个微小的倾 斜角（约5-8?），这既是为了能引发电子碰撞，也是为了降低来 自输出端磷光质层的离子反馈和直接光反馈。 5. 在图像增强管的末端，电子会撞击 一个具有磷光质涂层的屏幕。这些 电子会保持它们通过微通道时的 相对位置，这会确保图像的完好，供图 夜视成像图以其诡异 B.E. Meyers Company因为电子排列的方式同起初光子 的绿色光泽而著称。 排列的方式相同。这些电子带有的 能量会使磷光质达到激发状态并 释出光子。这些磷光质会在屏幕上生成绿色图像，这也成了夜视仪 的一大特色。 6. 通过另一副称为的透镜，就可以观测到绿色磷光图像，还可以 使用目镜放大图像或调节焦距。NVD可以与电子显示设备相连，例 如显示器，也可以直接透过目镜观测图像。 NVD已有40多年的历史。这些产品可分为几代。NVD技术发展道路上的每 一次重大突破都会催生新一代产品。 ——最早的夜视系统由美国军方研制，它们被应用在第二 次世界大战和朝鲜战争的战场上，这些NVD系统采用主动红外线技术。这意味着NVD上须附有一个称为红外辐射源的发射单元。该单 元能发射出一束近红外线，类似于普通闪光灯发出的光束。这种光 束不能为肉眼所见，它们会从物体上反射出来，然后返回NVD的透 镜。这种系统使阳极与阴极相连，以便对电子进行加速。这种 的问题是，电子加速会使图像扭曲，而且还会大大缩减管道的寿命。 这项技术最早用于军事中时，还存在一个重要问题：敌方在短时间 内就能仿制出这种系统，这使得敌军士兵也可以用它们的NVD系统 观测到设备发射出的红外光束。 ——这一代NVD放弃了主动红外技术，转而采用了被动红外 线技术。这种NVD能够利用月亮和星星发出的环境光线放大周围的反射红外线，因而曾被美军称为星光。这意味着它们不需要红外线 发射源。这也意味着在多云或没有月亮的夜晚时，它们的工作效果 不是很好。第一代NVD采用与第0代相同的图像增强管技术，同样靠阴极和阳极进行电子加速，所以仍然存在图像扭曲和管道寿命较 短的问题。 ——图像增强管技术的重大进步催生了第二代NVD。它们的 分辨率比第一代设备更高，性能更为出色，可靠性也更好。第二代 技术最大的收获是，它们具备了在极弱的光线条件下（例如在一个 没有月亮的夜晚）生成图像的能力。敏感度得以增加，是因为图像 增强管附加了微通道板。由于MCP能够增加电子数目而非仅对原有电子加速，所以图像扭曲的程度显著下降，而亮度也高于前几代NVD。 ——目前美军采用第三代技术。尽管其原理与第二代相比并 无本质区别，但这一代NVD的分辨率和敏感度要更好。这是因为其 光电阴极由砷化镓制成，这种物质有助于提高光子转化为电子的效 率。另外，MCP上还覆有一个离子壁垒层，能够有效地增加管道寿 命。 ——通常我们提到的第四代技术亦称“无胶片门限”技术， 总体上讲，这一代系统的性能在强光和弱光两种环境中都有较大幅 度的改善。 MCP去除了第三代技术加入的离子壁垒，因而背景噪声有所降低， 同时信噪比得以提升。去除离子胶片在实际中能够让更多的电子被 放大，这样一来图像的扭曲度显著降低，而亮度则有明显提高。 自动门限供电系统的引入，使得光电阴极的电压能够迅速地接通和 切断，从而让NVD能够对发光条件的波动做出即时反应。这项技术 的进步对于NVD系统来说具有关键意义，具备了这种能力，用户可 以迅速从强光环境转移到弱光环境（或从弱光环境到强光环境）， 而图像不会产生任何颠簸。举例来说，请想象一个随处可见的电影 场景：一名特工在使用夜视仪目镜时，如果有人打开了附近的电灯， 他就会“失明”。有了最新的门限电源技术，光线条件的变化不会 产生这样的恶果，改进的NVD系统能够立即对光环境的变化做出反 应。 很多所谓的“便宜”夜视镜采用第0代或第一代技术，如果对于专业设备 的敏感度抱有较高期待，您可能会大失所望。第二代、第三代以及第四代 NVD一般价格较高，但如果保养得当，可以使用较长时间。还有一点，在 极其昏暗乃至几乎不能采集到环境光线的地方，使用红外辐射源对于任何 一款NVD系统都是有益的。 B.E. Meyers Company 供图 NVD有各种样式，有些可以安装在相机上。 每一根图像增强管都要进行严格的测试，以判断它能否达到军方设定的标 准。达标的管子被归为军用规格（MILSPEC）。哪怕只有一项指标不符合军用，管子就会被归为普通规格（COMSPEC）。 夜视设备可以粗分为三大类： ——观测镜一般为手持型，也可以安装在武器上，它们采用 （一只眼睛）镜身。由于观测镜属于手持设备，不像目镜那样 佩戴在身上，所以当您想要对某一特定目标进行较为细致的观察， 然后回归正常观测条件下时，这种观测镜比较适用。 供图 DARK INVADER多用途袖珍夜视镜 B.E. Meyers Company ——尽管目镜也可以手持，但它们通常还是佩戴在额头上。目 镜采用（两只眼睛）镜身，根据样式不同可采用单透镜或复合 透镜。目镜是进行长时间观测（例如在光线很差的建筑物周围巡逻 时）的最佳选择。 B.E. Meyers Company 供图 DARK INVADER夜视目镜4501 ——采用夜视技术的摄像头可将图像传送给显示器，以供即 时播放，也可以用录像机将传来的图像记录下来。当我们需要在一 个恒定地点进行高品质的夜视观测时，例如在某固定建筑物上，或 是将夜视仪装配为直升机的机载设备时，摄像头就能派上用场。很 多新型的摄像机已具备内置的夜视功能。 供图 B.E. Meyers CompanyStealth 301系列日夜两用摄像机 一般来讲，夜视仪的用途包括： 军用 执法 狩猎 野外观察 监视 安全 导航 隐蔽目标观测 娱乐 夜视仪最早被用来在夜间对敌方目标进行定位。目前军队系统仍然大范围 地使用夜视仪，除了上述用途以外，还包括导航、监视、瞄准等用途。警 方和安全部门经常使用热成像和图像增强这两种技术，特别是用它们进行 监视。猎手和热爱大自然的旅人们依靠NVD，就能在夜间驾轻就熟地穿过森林。 侦探和私家侦探会利用夜视仪探查人们是否有不轨行为。不少商业机构也 会利用安装在固定位置的夜视摄像头监测周围环境。 热成像技术真正令人惊奇的是，它能够揭示出一个地区有没有人类活动过 的痕迹 ——即便四周没有任何肉眼可见的明显标记，它还是能告诉我们， 一块土地曾被挖开并填埋过一些东西。执法部门也能借此发现一些罪犯企 图隐瞒的事证，包括赃款、毒品以及尸体等。此外，利用热成像技术能发 现某些区域（如墙壁）最近发生的变化，这能为一些案件提供重要线索。 供图 B.E. Meyers Company 摄像机是夜视仪行业中 一个快速增长的板块。 很多人已经开始探索夜幕下的神奇世界。如果您准备痛痛快快地搞一次野 营或狩猎活动，或许夜视设备能对您的旅程有所帮助——不过请务必挑选 适合您的类型。