夜视仪基本原理.docVIP

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红外线光谱。 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。 原子由原子核（包括质子和中子）和电子云构成。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，电子会以光子（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： 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。 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，称为温谱图。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。 探测器元生成的温谱图被转化为电脉冲。 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。 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.供图在白天，很容易 就能一览无余…… Infrared, Inc.供图……但在夜晚， 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： 非冷却型——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。 低温冷却型——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夜视设备（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