What If We Had Thermal Vision?

AKD 寰楚專業級全系列監控設備

How Stuff Works by Jeff Tyson

當您看到夜視這個詞時，您可能想到的第一件事，就是看到的間諜或動作電影，其中有人綁著一副夜視鏡，在無月的夜晚，在黑暗的建築物中找到其他人。您可能想知道「這些東西真的有用嗎？您真的可以在黑暗中看到嗎？」

答案肯定是肯定的。使用適當的夜視設備，您可以看到一個人，站在一個無月多雲的夜裡，站在 200 碼（183 m）之外！根據所使用的技術，夜視可以兩種不同的方式工作。

．圖像增強 - 透過收集少量的光（包括紅外線光譜的下部）來工作，這些光會出現，但對我們的眼睛來說是看不到的，然後將其放大到可以輕鬆觀察圖像的程度。

．熱成像 - 該技術透過捕獲紅外線光譜的上部進行操作，該紅外線光譜是由物體以熱量形式發射的，而不是簡單地反射為光。較熱的物體（如溫暖的身體），比樹木或建築物等較冷的物體，發出的光更多。

在本文中，您將獲知兩種主要的夜視技術。我們還將討論各種夜視設備和應用。但首先，讓我們談談紅外光。

為了來了解夜視，重要的是要了解一些有關光線的知識。光波中的能量與其波長有關：較短的波長具有較高的能量。在可見光中，紫色的能量最多，紅色的能量最少。可見光譜的旁邊是紅外線光譜。

紅外光可以分為三類：

．近紅外線（Near-IR） - 最接近可見光，Near-IR的波長範圍是 0.7 到 1.3 微米，或者說是一米的七千億分之一，至一萬三千億分之一。

．中紅外線（mid-IR） - 中紅外線的波長範圍為 1.3 到 3 微米。近紅外線和中紅外線，都被包括遙控器在內的各種電子設備所使用。

．熱紅外線（thermal-IR） - 佔據紅外線光譜的最大部分，熱紅外線的波長範圍從3微米到30微米以上。

熱紅外線與其他兩個紅外線感測器之間的主要區別在於，熱紅外線是由物體發出的，而不是從物體反射出來的。由於原子級發生的事情，物體會發出紅外線。

原子

原子不斷運動。它們不斷振動，移動和旋轉。甚至構成我們坐在椅子上的原子也在四處移動。固體實際上在運動！原子可以處於不同的激發狀態。換句話說，它們可以具有不同的能量。如果我們向原子施加大量能量，它會離開所謂的基態能級並躍遷到激發能級。激發的水準，取決於透過熱、光或電，施加到原子上的能量。

原子由原子核（包含質子和中子）和電子雲組成。可以想像這朵雲中的電子，在許多不同的軌道上環繞著原子核。儘管更現代的原子視圖，未描述電子的離散軌道，但將這些軌道視為原子的不同能級可能會很有用。

換句話說，如果我們對原子施加一些熱量，我們可能會期望低能軌道中的一些電子，會轉變為高能軌道，並遠離原子核。

一旦電子移動到更高能量的軌道，它最終希望返回基態。當它這樣做時，它以光子的形式釋放能量 - 光子。您會看到原子一直在以光子的形式釋放能量。

例如，當烤麵包機中的加熱元件，變成鮮紅色時，紅色是由受熱激發的原子引起的，從而釋放紅色光子。

激發的電子比鬆弛的電子，具有更多的能量，就像電子吸收一定量的能量，以達到該激發能級一樣，它可以釋放該能量以返回基態。發出的能量是光子（光能）的形式。發出的光子具有非常特定的波長（顏色），該波長取決於光子釋放時，電子能量的狀態。

任何活著的東西都會消耗能量，許多無生命的東西也會消耗能量，例如引擎和火箭。能源消耗會產生熱量。反過來，熱量會使物體中的原子，發射出熱紅外光譜中的光子。

物體溫度越高，其釋放的紅外線光子的波長越短。非常熱的物體，甚至會開始發出可見光譜中的光子，發出紅色的光，然後向上移動穿過橙色、黃色、藍色，最後變成白色。

請務必閱讀燈泡的工作原理，雷射的工作原理，以及光的工作原理，以獲取有關光和光子發射的更多詳細資訊。

在夜視中，熱成像利用了這種红外線輻射。在接下來的敘述，我們將看到它是如何做到的。

這是熱成像的工作原理：

1. 一個特殊的透鏡，聚焦所有可見物體發出的紅外光。

2. 聚焦的光被定向陣列的紅外線探測器元件所掃描。探測器元件會創建一個非常詳細的溫度模式，稱為熱譜圖。檢測器陣列只需約十分之一秒，即可獲得溫度資訊，以製作溫度記錄圖。該資訊是從檢測器陣列的視場中的幾千個點獲得的。

3. 由檢測器元件產生的熱分析圖，被轉換成電脈衝。

4. 脈衝被發送到信號處理單元，即帶有專用晶片的電路板，該晶片將資訊，從元素轉換為用於顯示的數據。

5. 信號處理單元將資訊發送到顯示器，根據紅外線發射的強度，資訊顯示為各種顏色。來自所有元素的所有脈衝的組合，產生了圖像。

熱成像設備的類型

大多數熱成像設備每秒掃描 30 次。他們可以感應到華氏 -4°F（-20°C），到 3600°F（2,000°C）的溫度，並且通常可以檢測到約0.4°F（0.2°C）的溫度變化。

有兩種常見的熱成像設備類型：

未冷卻 - 這是最常見的熱成像設備。紅外線檢測器元件，包含在室溫下運行的單元中。這種類型的系統完全安靜，可以立即啟用並內置電池。

低溫冷卻 - 更昂貴，更容易因在惡劣如震動、衝撞等環境下使用而損壞，這些系統將元件密封在容器內，將其冷卻至 32°F（0°C）以下。這種系統的優點，是透過冷卻元件而獲得難以置信的解析度和靈敏度。

低溫冷卻系統可以從超過 1000 英尺（300 m）的距離「看到」小至 0.2°F（0.1°C）的差異，這足以顯示一個人是否在該距離內持槍！

儘管熱成像非常適合檢測人員，或在近乎絕對的黑暗中工作，但大多數夜視設備都使用圖像增強技術。

多數人在談論夜視時，會想到圖像增強技術。實際上，圖像增強系統（Night-Vision Devices）通常稱為夜視設備（NVD）。 NVD 依靠一種稱為圖像增強管的特殊管，來收集和放大紅外光和可見光。

圖像增強的工作原理如下：

1. 常規的鏡片稱為物鏡（Objective Lens），可捕獲環境周遭的光，和一些近紅外光。

2. 聚集的光被發送到圖像增強管。在大多數 NVD 中，圖像增強管的電源，都從兩個 N 電池或兩個「 AA」電池供電。顯像管向顯像管組件輸出大約 5,000 伏的高壓。

3. 圖像增強管具有光電陰極，該光電陰極用於將光能的光子轉換為電子。

4. 當電子通過電子管時，類似的電子從電子管中的原子釋放出來，透過使用電子管中的微通道板（MCP，Microchannel Plat），電子的原始數量乘以數千。 MCP 是一個很小的玻璃盤，其中有數百萬個使用光纖技術製成的微小孔（微通道）。

MCP 包含在真空中，並且在光盤的兩側都有金屬電極。每個通道的寬度大約是寬度的 45 倍，它可以用作電子倍增器。當來自光電陰極的電子撞擊 MCP 的第一個電極時，通過在電極對之間發送的 5,000-V 脈衝，將它們加速到玻璃微通道中。

當電子通過微通道時，它們會使用稱為級聯二次發射（Cascaded Secondary Emission）的過程，使成千上萬的其他電子，在每個通道中釋放。基本上，原始電子與通道的側面碰撞，激發原子並導致其他電子被釋放。

這些新電子還會與其他原子碰撞，形成連鎖反應，導致成千上萬的電子離開通道，只有少數電子進入該通道。一個有趣的事實是，MCP 中的微通道，以微小的角度（大約 5 至 8 度的偏斜角）形成，以促進電子碰撞，並減少來自輸出側磷光體的離子和直接光反饋。

5. 在圖像增強管的末端，電子撞擊到塗有熒光粉的螢幕上。這些電子相對於通過的通道保持其位置，這提供了理想的圖像，因為電子與原始光子保持相同的排列。

電子的能量使磷光體，達到激發態並釋放光子。這些熒光粉在螢幕上產生綠色圖像，該圖像已成為夜視的特徵。

6. 綠色熒光粉圖像可以透過，另一個稱為目鏡的透鏡來查看，該透鏡可以放大並聚焦圖像。 NVD 可以連接到電子顯示器（例如監視器），或者可以直接透過目鏡查看圖像。

NVD 已經存在了 40 多年。它們是按世代分類的。 NVD 技術的每一次重大變化，都建立了新一代。

第 0 代 - 由美國陸軍創建，並用於第二次世界大戰，和朝鮮戰爭的原始夜視系統，這些 NVD 使用主動紅外線。這意味著將名為 IR 照明器的投影單元連接到 NVD。

該單元會投射近紅外線光束，類似於普通手電筒的光束。肉眼看不見，該光束會反射物體，並反射回 NVD 的透鏡。這些系統使用陽極和陰極來加速電子。

該方法的問題，在於電子的加速使圖像失真，並且很大降低了電子管的壽命。該技術在其最初的軍事用途中的另一個主要問題是，它被敵對國家迅速複製，這使敵方士兵可以使用自己的 NVD，看到該設備投射的紅外線光束。

第 1 代 - 下一代 NVD 取代了主動紅外線，改為使用被動紅外線。這些 NVD 曾被美國陸軍稱為「星光」，它利用月亮和星星提供的環境光，來增強環境中正常反射的紅外線光量。

這意味著它們不需要投射的紅外線光源。這也意味著，它們在陰天或無月的夜晚效果不佳。第 1 代 NVD 使用與第 0 代相同的圖像增強管技術，同時具有陰極和陽極，因此圖像失真和短管壽命仍然是一個問題。

第 2 代 - 圖像增強管的重大改進，產生了第 2 代 NVD。它們提供了比第一代設備，更高的解析度和性能，並且可靠性更高。

第 2 代的最大收穫，是能夠在極弱的光線條件下（例如，無月的夜晚）進行觀察。這種提高的靈敏度，是由於在圖像增強管中，增加了微通道板。由於 MCP 實際上增加了電子數量，而不是僅僅加速了原始電子數量，因此與上一代 NVD 相比，圖像的失真和亮度明顯降低。

第 3 代 - 美國軍隊目前使用第 3 代。儘管第二代的基礎技術沒有實質性改變，但這些 NVD 的解析度和靈敏度更高。這是因為光陰極是使用砷化鎵（Gallium Arsenide）製成的，砷化鎵在將光子轉換為電子方面非常有效。此外，MCP 塗有離子阻擋層，可顯著延長管的使用壽命。

第 4 代 - 一般所知的第 4 代或「無膜和門控」（Filmless and Gated ）技術，在低光和高光環境中，均顯示出顯著的整體改進。從第三代技術中添加的 MCP 中，去除離子阻擋層，可降低背景噪聲，從而提高信噪比。

實際上，去除離子膜可以使更多的電子，到達放大階段，從而使圖像失真和亮度大大降低。自動門控電源系統的添加，使光電陰極電壓能夠快速打開和關閉，從而使 NVD 能夠即時響應照明條件的變化。

此功能是 NVD 系統中的一項關鍵進步，因為它使 NVD 使用者，可以從高光環境快速切換到低光環境（或從低光環境切換到高光環境），而不會產生任何停頓效果。

例如，考慮到無處不在的電影場景，當有人打開附近的燈時，使用夜視鏡的特工是「看不見的」。借助新的門控電源功能，照明的變化不會產生相同的影響；改進的 NVD 將立即響應照明變化。

許多所謂的「廉價」夜視鏡都使用了 Generation-0 或 Generation-1 技術，如果您期望專業人員使用的設備的靈敏度，可能會令人失望。第 2 代、第 3 代，和第 4 代 NVD 通常購買價格昂貴，但如果得到適當照顧，它們將持續使用。同樣，在幾乎沒有環境光要收集的非常黑暗的區域中，使用 IR 照明器可以使任何 NVD 受益。

需要注意的一件很酷的事情是，每根圖像增強管，都要經過嚴格的測試，以查看其是否符合軍方提出的要求。確實被分類為 MILSPEC 的試管。不能滿足軍事要求的管子，甚至都不能歸類為 COMSPEC。

夜視設備可分為三大類：

瞄準鏡 - 通常手持或安裝在武器上，瞄準鏡是單眼（目鏡）。由於示波器是手持式的，不像護目鏡那樣磨損，因此當您希望更好地查看特定對象，然後返回到正常的觀察條件時，它們非常有用。

護目鏡 - 可以手持護目鏡，但通常戴在頭上。護目鏡是雙目的（兩個目鏡），根據型號的不同，可能具有單個鏡片或立體鏡片。護目鏡非常適合經常觀看，例如在黑暗的建築物中四處走動。

攝影機 - 具有夜視技術的攝影機，可以將圖像發送到監視器進行顯示，或者發送到錄影設備進行記錄。當需要在永久位置（例如建築物上，或作為直升機中設備的一部分）提供夜視功能時，可使用攝影機。許多較新的便攜式攝影機都內置了夜視功能。