야간 투시 라는 단어를 볼 때 가장 먼저 생각할 수 있는 것은 달이 없는 밤에 어두운 건물에서 누군가를 찾기 위해 야간 투시경 고글을 착용하는 내용의 스파이 또는 액션 영화입니다. 그리고 당신은 "그게 정말 효과가 있나요? 당신은 실제로 어둠 속에서 볼 수 있습니까?"
The answer is most definitely yes. With the proper night-vision equipment, you can see a person standing over 200 yards (183 m) away on a moonless, cloudy night! Night vision can work in two very different ways, depending on the technology used.
- Image enhancement - This works by collecting the tiny amounts of light, including the lower portion of the infrared light spectrum, that are present but may be imperceptible to our eyes, and amplifying it to the point that we can easily observe the image.
- Thermal imaging - This technology operates by capturing the upper portion of the infrared light spectrum, which is emitted as heat by objects instead of simply reflected as light. Hotter objects, such as warm bodies, emit more of this light than cooler objects like trees or buildings.
이 기사에서는 두 가지 주요 야간 투시 기술에 대해 배웁니다. 또한 다양한 유형의 야간 투시경 장비 및 응용 프로그램에 대해 논의할 것입니다. 그러나 먼저 적외선에 대해 이야기합시다.
- 적외선
- 열화상
- 이미지 향상
- 세대
- 야간 투시경 장비 및 응용 분야
적외선
야간 시력을 이해하기 위해서는 빛 에 대해 이해하는 것이 중요합니다 . 광파의 에너지 양은 파장과 관련이 있습니다. 파장이 짧을수록 에너지가 높습니다. 가시광선 중에서 보라색이 에너지가 가장 많고 빨간색이 가장 에너지가 적습니다. 가시광선 스펙트럼 바로 옆에는 적외선 스펙트럼이 있습니다.
적외선은 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
- 근적외선 (근적외선) - 가시광선에 가장 가까운 근적외선은 0.7~1.3 마이크론 또는 7000억분의 1미터에서 13억분의 1미터 범위의 파장을 갖습니다 .
- 중적외선 (mid-IR) - 중적외선의 파장 범위는 1.3~3마이크론입니다. 근적외선과 중적외선 모두 리모콘을 비롯한 다양한 전자 장치에서 사용됩니다 .
- 열적외선 (열적외선) - 적외선 스펙트럼의 가장 큰 부분을 차지하는 열적외선은 3미크론에서 30미크론 이상의 파장 범위를 갖습니다.
열적외선과 다른 두 가지의 주요 차이점은 열적외선이 물체에서 반사되지 않고 방출 된다는 것입니다. 적외선은 원자 수준 에서 일어나는 일 때문에 물체에서 방출됩니다 .
원자
원자 는 끊임없이 움직입니다. 그들은 지속적으로 진동하고, 움직이고, 회전합니다. 우리가 앉아 있는 의자를 구성하는 원자조차도 이리저리 움직입니다. 고체는 실제로 움직이고 있습니다! 원자는 다양한 여기 상태에 있을 수 있습니다 . 즉, 그들은 다른 에너지를 가질 수 있습니다. 원자에 많은 에너지를 가하면 바닥 상태 에너지 준위를 벗어나 여기 준위 로 이동할 수 있습니다 . 여기 수준은 열, 빛 또는 전기를 통해 원자에 적용되는 에너지의 양에 따라 다릅니다.
원자는 핵 ( 양자 와 중성자를 포함 )과 전자 구름으로 구성 됩니다. 이 구름에 있는 전자를 여러 다른 궤도 에서 핵을 도는 것으로 생각하십시오 . 원자에 대한 보다 현대적인 견해는 전자에 대한 이산 궤도를 묘사하지 않지만 이러한 궤도를 원자의 다른 에너지 준위로 생각하는 것이 유용할 수 있습니다. 다시 말해, 우리가 원자에 약간의 열을 가하면 더 낮은 에너지 궤도에 있는 전자 중 일부가 더 높은 에너지 궤도로 전환되어 핵에서 더 멀리 이동할 것이라고 기대할 수 있습니다.
전자가 더 높은 에너지 궤도로 이동하면 결국 바닥 상태로 돌아가기를 원합니다. 그럴 때 에너지를 광자 , 즉 빛의 입자로 방출합니다. 항상 광자로 에너지를 방출하는 원자를 볼 수 있습니다. 예를 들어, 토스터기 의 발열체 가 밝은 빨간색으로 바뀌면 열에 의해 여기된 원자가 빨간색 광자를 방출하여 빨간색이 됩니다. 들뜬 전자는 이완된 전자보다 더 많은 에너지를 가지고 있으며, 전자가 이 들뜬 수준에 도달하기 위해 일정량의 에너지를 흡수한 것처럼 이 에너지를 방출하여 바닥 상태로 돌아갈 수 있습니다. 이 방출된 에너지는 광자(빛 에너지)의 형태입니다. 방출된 광자는 광자가 방출될 때 전자의 에너지 상태에 따라 매우 특정한 파장(색상)을 갖습니다.
살아 있는 모든 것은 에너지를 사용하며 엔진 이나 로켓 과 같은 무생물도 마찬가지 입니다. 에너지 소비는 열을 발생시킵니다. 차례로, 열은 물체의 원자가 열적외선 스펙트럼의 광자를 방출하도록 합니다. 물체가 뜨거울수록 방출하는 적외선 광자의 파장은 짧아집니다. 매우 뜨거운 물체는 가시 스펙트럼에서 광자를 방출하기 시작하여 빨간색으로 빛나는 다음 주황색, 노란색, 파란색을 거쳐 결국 흰색으로 이동합니다. 빛과 광자 방출에 대한 더 자세한 정보는 전구 작동 원리 , 레이저 작동 원리 및 빛 작동 원리 를 읽어보십시오 .
야간 투시경에서 열화상은 이 적외선 방출을 이용합니다. 다음 섹션에서는 이것이 어떻게 수행되는지 살펴보겠습니다.
열화상
열화상이 작동하는 방식은 다음과 같습니다.
- 특수 렌즈는 시야에 있는 모든 물체에서 방출되는 적외선의 초점을 맞춥니다.
- 초점을 맞춘 빛은 적외선 감지기 요소 의 위상 배열 에 의해 스캔됩니다 . 감지기 요소는 열화상도 라고 하는 매우 상세한 온도 패턴을 생성합니다 . 검출기 어레이가 온도 기록을 만들기 위한 온도 정보를 얻는 데는 약 1/30초만 걸립니다. 이 정보는 검출기 어레이의 시야에 있는 수천 개의 지점에서 얻습니다.
- 검출기 요소에 의해 생성된 열기록도는 전기 충격으로 변환됩니다.
- 임펄스는 요소의 정보를 디스플레이용 데이터로 변환하는 전용 칩이 있는 회로 기판인 신호 처리 장치로 전송됩니다.
- 신호 처리 장치는 정보를 디스플레이로 보내고 적외선 방출의 강도에 따라 다양한 색상으로 표시됩니다. 모든 요소의 모든 충동이 결합하여 이미지가 생성됩니다.
열화상 장치의 종류
대부분의 열화상 장치는 초당 30번의 속도로 스캔합니다. 그들은 화씨 -4도(섭씨 -20도)에서 3,600F(2,000C) 사이의 온도를 감지할 수 있으며 일반적으로 약 0.4F(0.2C)의 온도 변화를 감지할 수 있습니다.
열화상 장치에는 두 가지 일반적인 유형이 있습니다.
- 비냉각식 - 이것은 가장 일반적인 유형의 열화상 장치입니다. 적외선 감지기 요소는 실온에서 작동하는 장치에 포함되어 있습니다. 이 유형의 시스템은 완전히 조용하고 즉시 활성화되며 배터리가 내장되어 있습니다.
- 극저온 냉각 - 더 비싸고 거친 사용으로 인한 손상에 더 취약한 이 시스템에는 32F(영도 C) 미만으로 냉각되는 컨테이너 내부에 요소가 밀봉되어 있습니다. 이러한 시스템의 장점은 요소 냉각으로 인한 놀라운 해상도와 감도입니다. 극저온 냉각 시스템은 1,000피트(300m) 이상 떨어진 곳에서 0.2F(0.1C)의 작은 차이를 "볼" 수 있습니다.
열화상은 사람을 감지하거나 거의 완전한 어둠 속에서 작업하는 데 유용하지만 대부분의 야간 투시 장비는 이미지 향상 기술을 사용합니다.
이미지 향상
이미지 향상 기술은 대부분의 사람들이 야간 투시경에 대해 이야기할 때 생각하는 것입니다. 실제로 이미지 향상 시스템은 일반적으로 NVD(야간 투시 장치 )라고 합니다. NVD는 적외선 및 가시광선을 수집하고 증폭하기 위해 이미지 강화 튜브 라고 하는 특수 튜브에 의존합니다 .
이미지 향상이 작동하는 방식은 다음과 같습니다.
- 대물 렌즈 라고 하는 기존 렌즈 는 주변광과 일부 근적외선을 포착합니다.
- 수집된 빛은 이미지 강화 튜브로 보내집니다. 대부분의 NVD에서 이미지 강화 튜브의 전원 공급 장치는 2개의 N-Cell 또는 2개의 "AA" 배터리 에서 전원을 공급받습니다 . 튜브는 이미지 튜브 구성 요소에 약 5,000볼트의 고전압을 출력합니다.
- 화상 텐시 튜브가 갖는 광 음극 전자로 광 에너지의 광자를 변환하는 데 사용된다.
- 전자가 튜브를 통과할 때 튜브의 원자에서 유사한 전자가 방출되어 튜브의 마이크로채널 플레이트 (MCP)를 사용하여 원래의 전자 수에 수천 배를 곱합니다 . MCP는 광섬유 기술을 사용하여 만든 수백만 개의 미세한 구멍(마이크로 채널)이 있는 작은 유리 디스크입니다.. MCP는 진공 상태에 있으며 디스크 양쪽에 금속 전극이 있습니다. 각 채널은 너비보다 약 45배 더 길고 전자 증배수로 작동합니다. 광음극의 전자가 MCP의 첫 번째 전극에 부딪히면 전극 쌍 사이에서 전송되는 5,000V 버스트에 의해 유리 마이크로채널로 가속됩니다. 전자가 마이크로 채널을 통과할 때 캐스케이드 2차 방출 이라는 프로세스를 사용하여 각 채널에서 수천 개의 다른 전자가 방출됩니다.. 기본적으로 원래 전자는 채널 측면과 충돌하여 원자를 여기시키고 다른 전자를 방출합니다. 이 새로운 전자는 또한 다른 원자와 충돌하여 수천 개의 전자가 몇 개만 들어갔던 채널을 떠나는 연쇄 반응을 생성합니다. 흥미로운 사실은 MCP의 마이크로채널이 약간의 각도(약 5도에서 8도 바이어스)로 생성되어 전자 충돌을 촉진하고 출력 측의 형광체로부터의 이온 및 직사광 피드백을 모두 감소시킨다는 것입니다.
- 이미지 강화 튜브의 끝에서 전자는 형광체로 코팅된 화면에 부딪 힙니다 . 이 전자는 통과한 채널과 관련하여 위치를 유지하며 전자가 원래 광자와 동일한 정렬을 유지하기 때문에 완벽한 이미지를 제공합니다. 전자의 에너지는 형광체가 여기 상태에 도달하고 광자를 방출하도록 합니다. 이 형광체는 야간 투시경의 특징이 된 화면에 녹색 이미지를 만듭니다.
- 녹색 형광체 이미지는 접안 렌즈 라고 하는 다른 렌즈를 통해 볼 수 있으며, 이를 통해 이미지를 확대하고 초점을 맞출 수 있습니다. NVD는 모니터 와 같은 전자 디스플레이에 연결 되거나 접안 렌즈를 통해 직접 이미지를 볼 수 있습니다.
세대
NVD는 40년 이상 사용되었습니다. 세대 별로 분류됩니다 . NVD 기술의 각각의 실질적인 변화는 새로운 세대를 구축합니다.
- 0세대 - 미 육군이 만든 최초의 야간 투시 시스템으로 제2차 세계 대전과 한국 전쟁 에 사용된 이 NVD는 능동 적외선을 사용 합니다. 이것은 IR Illuminator 라고 하는 프로젝션 유닛이, NVD에 첨부되어 있습니다. 이 장치는 일반 손전등의 광선과 유사한 근적외선 광선을 투사합니다. 육안으로 볼 수 없는 이 광선은 물체에서 반사되어 NVD의 렌즈로 다시 반사됩니다. 이 시스템은 전자를 가속하기 위해 음극과 함께 양극을 사용합니다. 이 접근 방식의 문제는 전자의 가속이 이미지를 왜곡하고 튜브의 수명을 크게 단축한다는 것입니다. 원래 군사용으로 사용된 이 기술의 또 다른 주요 문제는 적대국에 의해 빠르게 복제되어 적군이 자신의 NVD를 사용하여 장치에서 투사된 적외선 빔을 볼 수 있다는 것입니다.
- 1세대 - 차세대 NVD는 능동 적외선에서 벗어나 수동 적외선을 대신 사용합니다. 한때 미 육군에서 Starlight 라고 불렀던 이 NVD는 달과 별 이 제공하는 주변광을 사용 하여 환경에서 반사되는 적외선의 정상적인 양을 증가시킵니다. 이것은 그들이 투사된 적외선 광원을 필요로 하지 않았다는 것을 의미합니다. 이것은 또한 흐리거나 달이 없는 밤에는 잘 작동하지 않는다는 것을 의미합니다. 1세대 NVD는 음극과 양극 모두에서 0세대와 동일한 이미지 강화 튜브 기술을 사용하므로 이미지 왜곡과 짧은 튜브 수명이 여전히 문제입니다.
- 2세대 - 이미지 강화 튜브의 주요 개선으로 2세대 NVD가 탄생했습니다. 1세대 장치보다 향상된 해상도와 성능을 제공하며 훨씬 더 안정적입니다. 2세대의 가장 큰 이점은 달이 없는 밤과 같이 매우 낮은 조명 조건에서도 볼 수 있다는 것입니다. 이 증가된 감도는 이미지 강화 튜브에 마이크로채널 플레이트가 추가되었기 때문입니다. MCP는 원래 전자를 가속하는 대신 실제로 전자 수를 증가시키기 때문에 이미지가 이전 세대 NVD보다 훨씬 덜 왜곡되고 더 밝습니다.
- 3세대 - 3 세대는 현재 미군에서 사용하고 있습니다. 2세대의 기본 기술에는 큰 변화가 없지만 이러한 NVD는 훨씬 더 나은 해상도와 감도를 제공합니다. 이것은 광자를 전자로 변환하는 데 매우 효율적인 갈륨 비소를 사용하여 광음극을 만들기 때문 입니다. 또한 MCP는 이온 장벽으로 코팅되어 있어 튜브의 수명을 획기적으로 증가시킵니다.
- 4세대- 일반적으로 4세대 또는 "필름이 없는 게이트" 기술로 알려진 기술은 저수준 및 고수준 조명 환경 모두에서 전반적으로 상당한 개선을 보여줍니다. 3세대 기술에 추가된 MCP에서 이온 장벽을 제거하면 배경 잡음이 감소하여 신호 대 잡음비가 향상됩니다. 이온 필름을 제거하면 실제로 더 많은 전자가 증폭 단계에 도달하여 이미지가 훨씬 덜 왜곡되고 더 밝아집니다. 자동 게이트 전원 공급 시스템을 추가하여 광음극 전압을 빠르게 켜고 끌 수 있으므로 NVD가 조명 조건의 변동에 즉각적으로 대응할 수 있습니다. 이 기능은 NVD 시스템의 중요한 발전이며,NVD 사용자가 정지 효과 없이 밝은 곳에서 낮은 곳으로(또는 낮은 곳에서 밝은 곳으로) 환경을 빠르게 이동할 수 있다는 점에서. 예를 들어, 야간 투시경을 사용하는 에이전트가 누군가 근처에서 조명을 켰을 때 "보이지 않는" 유비쿼터스 영화 장면을 생각해 보십시오. 새로운 게이트 전원 기능을 사용하면 조명 변경이 동일한 영향을 미치지 않습니다. 개선된 NVD는 조명 변화에 즉시 반응합니다.
소위 "할인" 야간 투시경의 대부분은 0세대 또는 1세대 기술을 사용하며 전문가가 사용하는 장치의 감도를 기대한다면 실망할 수 있습니다. 2세대, 3세대 및 4세대 NVD는 일반적으로 구입하는 데 비용이 많이 들지만 적절히 관리하면 오래갑니다. 또한 모든 NVD는 수집할 주변광이 거의 없는 매우 어두운 영역에서 IR 조명기를 사용하면 이점을 얻을 수 있습니다.
주목해야 할 멋진 점은 모든 단일 이미지 강화 튜브가 군대에서 설정한 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 엄격한 테스트를 거칩니다. 하는 튜브는 MILSPEC 으로 분류됩니다 . 단일 범주에서도 군사 요구 사항을 충족하지 못하는 튜브는 COMSPEC 으로 분류됩니다 .
야간 투시경 장비 및 응용 분야
야간 투시경 장비는 크게 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
- 스코프 - 일반적으로 휴대형 또는 무기에 장착된 스코프는 단안 (하나의 접안 렌즈)입니다. 스코프는 고글처럼 착용하지 않고 손에 들고 다니기 때문에 특정 물체를 더 잘 보고 정상적인 보기 상태로 돌아가고 싶을 때 유용합니다.
- 고글 - 고글은 손에 들고 다닐 수 있지만 대부분 머리에 착용합니다. 고글은 쌍안경 (2개의 접안렌즈)이며 모델에 따라 단일 렌즈 또는 스테레오 렌즈가 있을 수 있습니다. 고글은 어두운 건물에서 움직이는 것과 같이 지속적으로 볼 때 탁월합니다.
- 카메라 - 야간 투시 기술이 적용된 카메라 는 이미지를 모니터 로 보내서 표시하거나 VCR 로 보내 녹화할 수 있습니다. 건물이나 헬리콥터 장비의 일부와 같이 영구적인 위치에서 야간 투시 기능이 필요한 경우 카메라가 사용됩니다. 대부분의 최신 캠코더 에는 야간 투시경이 내장되어 있습니다.
애플리케이션
야간 투시경의 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.
- 군대
- 법 집행
- 수렵
- 야생동물 관찰
- 감시
- 보안
- 항해
- 숨겨진 개체 감지
- 오락
야간 투시경의 원래 목적은 야간에 적의 목표물을 찾는 것이었습니다. 그것은 여전히 항법, 감시 및 표적화뿐만 아니라 그 목적을 위해 군대에서 광범위하게 사용됩니다. 경찰과 보안 부서는 특히 감시를 위해 열화상 및 이미지 향상 기술을 모두 사용하는 경우가 많습니다. 사냥꾼과 자연 애호가는 NVD를 사용하여 밤에 숲을 통과합니다.
형사와 사립 탐정은 야간 투시경을 사용하여 추적하도록 지정된 사람들을 관찰합니다. 많은 기업이 주변 환경을 모니터링하기 위해 야간 투시경이 장착된 영구 장착 카메라를 보유하고 있습니다.
열화상 카메라의 정말 놀라운 능력은 어떤 지역이 교란되었는지 여부를 보여줍니다. 육안으로 명백한 징후가 없더라도 땅을 파서 무언가를 묻었다는 것을 보여줄 수 있습니다. 법 집행 기관은 이를 사용하여 돈, 마약 및 시체를 포함하여 범죄자가 숨긴 항목을 발견했습니다. 또한 최근 벽과 같은 영역의 변화를 열화상을 통해 확인할 수 있어 여러 사례에서 중요한 단서를 제공하고 있습니다.
많은 사람들이 어둠이 내린 후에 찾을 수 있는 독특한 세계를 발견하기 시작합니다. 캠핑을 하거나 사냥을 많이 하는 경우 야간 투시 장치가 유용할 수 있습니다. 필요에 맞는 유형을 선택하십시오.
야간 투시경 및 관련 주제에 대한 자세한 내용은 다음 페이지의 링크를 확인하십시오.
특별한 감사
이 기사를 준비하는 데 도움을 준 ITT Industries , BE Meyers & Co. 및 Infrared, Inc. 에 특별히 감사드립니다 .
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