原标题：夜视的工作原理

　　一名美国海军陆战队员在凌晨在伊拉克安巴尔省进行搜索行动时使用夜视镜。

　　约翰·摩尔/盖蒂图片社当你看到这些词时，你可能会想到的第一件事 夜视 是一部你看过的间谍或动作电影，其中有人戴上一副夜视镜，在没有月亮的夜晚在黑暗的建筑物中找到其他人。你可能想知道“这些东西真的有效吗?你真的能在黑暗中看清东西吗?

　　答案肯定是肯定的。使用适当的夜视设备，您可以在没有月亮的多云夜晚看到一个人站在 200 码(183 米)之外!夜视可以以两种非常不同的方式工作，具体取决于所使用的技术。

　　图像增强 - 这通过收集存在的微小光(包括红外光谱的下部)来工作，这些光可能存在但我们的眼睛可能无法察觉，并将其放大到我们可以轻松观察到图像的程度。

　　热成像 - 该技术通过捕获红外光谱的上部来操作，红外光谱由物体作为热量发射，而不是简单地反射为光。较热的物体(如温暖的物体)比较冷的物体(如树木或建筑物)发出更多的这种光。

　　在本文中，您将了解两种主要的夜视技术。我们还将讨论各种类型的夜视设备和应用。但首先，让我们谈谈红外光。

　　红外光

　　红外光是光谱的一小部分。为了理解夜视，了解一些关于光的东西很重要。光波中的能量与其波长有关：波长越短，能量越高。在可见光中，紫色的能量最多，红色的能量最少。可见光谱旁边是 红外线 光谱。

　　红外光可分为三类：

　　近红外 (近红外) - 最接近可见光，近红外的波长范围为 0.7 到 1.3 微米，或 7000 亿分之一到 1，3000 亿分之一米。

　　中红外 (中红外) - 中红外的波长范围为 1.3 至 3 微米。近红外和中红外都用于各种电子设备，包括 遥控器.

　　热红外 (热红外) - 占据红外光谱的最大部分，热红外的波长范围从3微米到30微米以上。

　　热IR与其他两者之间的主要区别在于，热IR是 排放 通过对象而不是 反射的 关掉它。红外光是由物体发射的，因为 原子 水平。

　　原子

　　原子一直在运动。它们不断振动、移动和旋转。甚至构成我们坐的椅子的原子也在四处移动。固体实际上是在运动的!原子可以处于不同的状态 兴奋.换句话说，它们可以有不同的能量。如果我们向原子施加大量能量，它可以留下所谓的 基态能级 并移动到 激发级.激发水平取决于通过热、光或电施加到原子上的能量。

　　原子由 核 (包含 质子 和 中子) 和 电子云.把这个云中的电子想象成在许多不同的原子核中盘旋。 轨道.虽然更现代的原子视图没有描绘电子的离散轨道，但将这些轨道视为原子的不同能级是有用的。换句话说，如果我们向原子施加一些热量，我们可能会期望低能轨道中的一些电子会过渡到高能轨道，远离原子核。

　　原子有一个原子核和一个电子云。

　　一旦电子移动到更高能量的轨道，它最终想要回到基态。当它这样做时，它会将其能量释放为一个 光子 ——一粒子光。你看到原子一直以光子的形式释放能量。例如，当加热元件在 多士炉 变成鲜红色，红色是由受热激发的原子引起的，释放出红色光子。被激发的电子比松弛的电子具有更多的能量，正如电子吸收了一些能量以达到这个激发水平一样，它可以释放这种能量以返回到基态。这种发射的能量以光子(光能)的形式存在。发射的光子具有非常特定的波长(颜色)，这取决于光子释放时电子能量的状态。

　　任何有生命的东西都会消耗能量，许多无生命的物品，如发动机和火箭也是如此。能源消耗会产生热量。反过来，热量使物体中的原子发射热红外光谱中的光子。物体越热，它释放的红外光子波长越短。一个非常热的物体甚至会开始发射可见光谱中的光子，发出红色的光，然后向上移动橙色、黄色、蓝色，最终是白色。请务必阅读灯泡如何工作，激光如何工作和光如何工作，以获取有关光和光子发射的更多详细信息。

　　在夜视中，热成像利用了这种红外发射。在下一节中，我们将看到它是如何做到这一点的。

　　热成像

　　热成像系统的基本组件

　　图片由 红外线公司以下是热成像的工作原理：

　　一个特殊的镜头聚焦所有物体发出的红外光。

　　聚焦光由 相控阵 红外探测器元件。探测器元件创建一个非常详细的温度模式，称为 温度图.探测器阵列只需大约三十分之一秒即可获得温度信息以制作温度图。该信息是从探测器阵列视场中的数千个点获得的。

　　探测器元件产生的温度图被转换为电脉冲。

　　脉冲被发送到信号处理单元，该电路板带有专用芯片，可将元件中的信息转换为显示数据。

　　信号处理单元将信息发送到显示器，根据红外发射的强度，信息显示为各种颜色。来自所有元素的所有脉冲的组合创造了图像。

　　白天很容易看到一切...

　　图片由 红外线公司

　　...但是在晚上，你几乎看不到。

　　图片由 红外线公司

　　热成像让您再次看到。

　　图片由 红外线公司

　　热成像设备的类型

　　大多数热成像设备以每秒30次的速度扫描。它们可以感知从-4华氏度(-20摄氏度)到3，600华氏度(2，000摄氏度)的温度，并且通常可以检测到约0.4华氏度(0.2摄氏度)的温度变化。

　　有两种常见的热成像设备类型：

　　非冷却 - 这是最常见的热成像设备类型。红外探测器元件包含在室温下运行的单元中。这种类型的系统完全安静，立即激活并具有 电池 内置。

　　低温冷却 - 这些系统更昂贵，更容易因坚固使用而损坏，这些系统将元件密封在容器内，可将其冷却到 32 F(零摄氏度)以下。这种系统的优点是冷却元件产生的令人难以置信的分辨率和灵敏度。低温冷却系统可以“看到”从1，000英尺(300米)以外的距离“看到”0.2华氏度(0.1摄氏度)的差异，这足以判断一个人是否在该距离拿着枪!

　　虽然热成像非常适合检测人员或在近乎绝对的黑暗中工作，但大多数夜视设备都使用图像增强技术。

　　图像增强

　　图像增强管将光子变为电子并再次返回。图像增强技术是大多数人在谈论夜视时想到的。事实上，图像增强系统通常被称为 夜视设备 (NVD)。NVD依赖于一种特殊的管子，称为 图像增强管，以收集和放大红外光和可见光。

　　以下是图像增强的工作原理：

　　一种传统的镜头，称为 物镜，捕获环境光和一些近红外光。

　　聚集的光被发送到图像增强管。在大多数NVD中，图像增强管的电源从两个N-Cell或两个“AA”接收电源 电池.该管向成像管组件输出约 5，000 伏的高电压。

　　图像增强管具有 光电阴极，用于将光能的光子转换为电子。

　　当电子通过管子时，类似的电子从管中的原子中释放出来，通过使用 微通道板 (MCP)在管中。MCP 是一个微小的玻璃盘，里面有数百万个微观孔(微通道)，使用 光纤技术.MCP 包含在真空中，圆盘两侧都有金属电极。每个通道比它的宽度长约45倍，它作为一个电子倍增器工作。 当来自光电阴极的电子撞击MCP的第一个电极时，它们通过电极对之间发送的5，000 V脉冲被加速进入玻璃微通道。当电子通过微通道时，它们使用称为的过程在每个通道中释放数千个其他电子。 级联二次发射.基本上，原始电子与通道的侧面碰撞，激发原子并导致其他电子被释放。这些新电子还与其他原子碰撞，产生连锁反应，导致数千个电子离开只有少数电子进入的通道。一个有趣的事实是，MCP中的微通道以轻微的角度(约5度至8度偏置)创建，以鼓励电子碰撞并减少来自输出侧荧光粉的离子和直射光反馈。

　　在图像增强管的末端，电子撞击涂有 荧光粉.这些电子相对于它们通过的通道保持其位置，这提供了完美的图像，因为电子与原始光子保持相同的排列方式。电子的能量使荧光粉达到激发态并释放光子。这些荧光粉在屏幕上创建绿色图像，已成为夜视的特征。

　　绿色荧光图像通过另一个镜头查看，称为 人工晶状体，这使您可以放大和聚焦图像。NVD 可以连接到电子显示器，例如 监控，或者可以直接通过目镜查看图像。

　　代

　　NVD 有多种样式，包括可以安装在摄像机上的样式。

　　照片由 迈耶斯公司NVD 已经存在了 40 多年。它们按以下分类 代.NVD技术的每一次重大变化都造就了新一代。

　　第 0 代 - 美国陆军创造的原始夜视系统，用于第二次世界大战和 朝鲜战争，这些 NVD 使用 主动红外.这意味着投影单元，称为 红外照明器，连接到 NVD。该装置投射一束近红外光，类似于普通手电筒的光束。该光束肉眼不可见，会反射物体并反弹回NVD的透镜。这些系统使用阳极与阴极一起加速电子。这种方法的问题在于电子的加速会扭曲图像并大大缩短管子的寿命。这项技术在最初的军事用途中的另一个主要问题是，它很快被敌对国家复制，这使得敌方士兵可以使用自己的NVD来查看设备投射的红外光束。

　　第 1 代 - 下一代NVD远离主动红外，使用 被动红外 相反。曾经配音 星光 根据美国陆军的说法，这些NVD利用月球和恒星提供的环境光来增加环境中正常数量的反射红外。这意味着它们不需要投射红外光源。这也意味着它们在多云或无月的夜晚不能很好地工作。第 1 代 NVD 使用与第 0 代相同的图像增强管技术，同时具有阴极和阳极，因此图像失真和管寿命短仍然是一个问题。

　　第 2 代 - 图像增强管的重大改进导致了第 2 代 NVD。与第 1 代设备相比，它们提供了更高的分辨率和性能，并且可靠性要高得多。第 2 代的最大收获是能够在极低的光线条件下看到东西，例如没有月亮的夜晚。这种灵敏度的增加是由于在图像增强管中增加了微通道板。由于MCP实际上增加了电子的数量，而不仅仅是加速原始电子的数量，因此图像比上一代NVD的失真更少，更亮。

　　第 3 代 - 第3代目前由美国军方使用。虽然底层技术与第 2 代相比没有实质性变化，但这些 NVD 具有更好的分辨率和灵敏度。这是因为光电阴极是使用 砷化镓，在将光子转换为电子方面非常有效。此外，MCP涂有离子屏障，这大大延长了管的使用寿命。

　　第 4 代 - 通常被称为第 4 代或“无胶片和门控”技术在低水平和高水平光环境中都显示出显着的整体改进。 从第 3 代技术中添加的 MCP 中去除离子阻挡层可降低背景噪声，从而提高信噪比。去除离子膜实际上允许更多的电子到达放大阶段，从而使图像明显不那么失真和更亮。 自动门控电源系统的添加允许光电阴极电压快速打开和关闭，从而使NVD能够立即响应照明条件的波动。这种能力是NVD系统的关键进步， 因为它允许NVD用户快速从高光移动到低光(或从低光到高光)环境，而不会产生任何停止效果。例如，考虑无处不在的电影场景，当有人打开附近的灯时，使用夜视镜的代理是“失明的”。使用新的门控电源功能，照明的变化不会产生同样的影响;改进的NVD将立即响应照明变化。

　　许多所谓的“廉价”夜视镜使用第 0 代或第 1 代技术，如果您期望专业人士使用的设备的灵敏度，可能会令人失望。第 2 代、第 3 代和第 4 代 NVD 通常购买起来很昂贵，但如果保养得当，它们会持续使用。此外，任何NVD都可以从在几乎没有环境光收集的非常黑暗的区域使用红外照明器中受益。

　　需要注意的一件很酷的事情是，每个图像增强管都经过严格的测试，以查看它是否符合军方提出的要求。这样做的管子被归类为 军标.即使在单个类别中也无法满足军事要求的管子被归类为 康斯泰克.

　　夜视设备及应用

　　一名男子在伦敦的“建设安全世界公约”上演示夜视镜。

　　卡尔·德索扎/法新社/盖蒂图片社夜视设备可分为三大类：

　　范围 - 通常手持或安装在武器上，瞄准镜是 单眼 (一个目镜)。由于瞄准镜是手持式的，不像护目镜那样佩戴，因此当您想要更好地观察特定物体然后恢复正常观看条件时，它们非常有用。

　　护目镜 - 虽然护目镜可以手持，但它们最常戴在头上。护目镜是 双目 (两个目镜)，并且可能具有单个镜头或立体镜头，具体取决于型号。护目镜非常适合持续观看，例如在黑暗的建筑物中四处走动。

　　相机 - 相机 使用夜视技术可以将图像发送到 监控 用于显示或 录像机 用于录制。当需要在永久位置(例如建筑物或作为直升机设备的一部分)具有夜视功能时，将使用摄像机。许多较新的 摄录一体机 内置夜视功能。

　　应用

　　夜视的常见应用包括：

　　军事

　　执法

　　狩猎

　　野生动物观察

　　监视

　　安全

　　导航

　　隐藏对象检测

　　娱乐

　　夜视仪的最初目的是在夜间定位敌方目标。它仍然被军方广泛用于这一目的，以及导航、监视和瞄准。警察和安全部门经常同时使用热成像和图像增强技术，特别是在监控方面。猎人和自然爱好者使用NVD在夜间穿过树林。

　　侦探和私家侦探使用夜视来观察他们被指派跟踪的人。许多企业都有永久安装的摄像头，配备夜视功能来监控周围环境。

　　热成像的一个真正惊人的能力是，它揭示了一个区域是否受到干扰——它可以显示地面已经被挖出来掩埋一些东西，即使肉眼没有明显的迹象。执法部门利用这一点来发现犯罪分子隐藏的物品，包括金钱、毒品和尸体。此外，使用热成像可以看到墙壁等区域的最新变化，这在几个案例中提供了重要线索。

　　许多人开始发现黑暗降临后可以找到的独特世界。如果您经常外出露营或狩猎，夜视设备可能对您有用 - 只要确保获得适合您需求的类型即可。

　　有关夜视和相关主题的更多信息，请查看下一页上的链接。

　　夜视常见问题

　　夜视镜在完全黑暗的情况下工作吗?

　　夜视镜使用热能，并且可以在完全黑暗中很好地工作，因为它们记录了摄像机周围不同来源提供的热能。

　　你能在手机上安装夜视摄像头吗?

　　有一个名为夜视相机的Android应用程序，它可以显着增强夜间从手机拍照的体验。

　　夜视双筒望远镜能看多远?

　　夜视双筒望远镜的观察范围是购买时要考虑的重要事项。大多数双筒望远镜可以看到800英尺，并在该范围内提供良好的输出。

　　夜视镜在加拿大合法吗?

　　第 1 代和第 2 代夜视镜、单筒望远镜和步枪瞄准镜在加拿大都是合法的。

　　人类夜视能力有多好?

　　人类是昼夜活动。因此，我们白天的视力令人难以置信，而我们晚上的视力却没有那么好。一些夜行动物在夜间比人类看得更清楚。