אמצעי ראיית לילה

אמצעי ראיית לילה (בראשי תיבות: אמר"ל) הם מכשירים שנועדו לאפשר למשתמש בהם לראות בתנאי חושך. אמצעי תצפית אלה משמשים לרוב לצרכים ביטחוניים וצבאיים. קיים מגוון של אמצעים כאלה: משקפות, מצלמות, כוונות טלסקופיות וכדומה.

מגבר אור כוכבים

העין האנושית רגישה לאור בתחום אורכי הגל 700-400 ננומטר. ביום, או תחת תאורה מלאכותית, ניתן לצפות בנוף משום שהאור מוחזר ממנו אל העין. בלילה מוגבלת ראיית האדם עקב מיעוט האור הזמין, המגיע בעיקר מהירח והכוכבים.
אמר"ל מסוג "מגבר אור כוכבים" (מא"כ) מתבסס על מערכת אופטית דומה למשקפת. במערכת יש עדשה ראשית (עצמית), שאוספת אור מהשטח וממקדת אותו לתמונה על גבי שפופרת שמגבירה את האור. עדשה נוספת (העינית) מעבירה את התמונה אל עין הצופה. במידה שהמפתח האופטי של המערכת גדול יותר מזה של עין האדם, הדבר תורם אף הוא להגברת התמונה. 
השפופרת היוצרת את ההגבר בנויה ממשטח רגיש לאור, מ"כוורת" הגברה וממשטח פולט אור. המשטח הרגיש לאור בכניסת השפופרת נמצא במישור המוקד של העוצמית, והתמונה הנופלת עליו "מתורגמת" לתמונה אלקטרונית בהסתמך על האפקט הפוטואלקטרי: הפוטונים הפוגעים בפוטוקתודה משחררים ממנה אלקטרונים, ונוצר זרם יחסי לעוצמת האור. אלקטרונים אלו מגיעים לכוורת, (נקראת "לוח רב ערוצי", באנגלית: Multi-Channel Plate, בראשי תיבות: MCP). שהיא מטריצה של עשרות אלפי צינורות דקיקים, שכל אחד מהם מייצג פיקסל אחד בתמונה. על חלק זה בשפופרת מפל מתח גבוה שגורם להכפלת כמות האלקטרונים ב"מפולת", ולכן הזרם במוצא ה-MCP גבוה בהרבה מאשר בכניסה שלו. זרם זה פוגע במסך זרחני (אין קשר ליסוד זרחן) שפולט אור נראה, בדרך כלל בצבע ירוק, כיוון שרגישות העין האנושית מרבית באור ירוק.
את איכות התמונה אפשר לשפר על ידי שימוש בפנסי תת אדום שאינם נראה לעין רגילה. חסרונה של הארה אקטיבית כזו היא שאמר"ל אחר יהיה מסוגל לזהות את אותה קרינה תת-אדומה ולחשוף את התצפית.
למגברי אור כוכבים חיסרון בולט יחסית לאמר"ל תרמי (שיתואר בסעיף הבא), והוא שאפילו חשיפה קצרה לאור בעוצמה מלאה (כמו אור יום או אור פנס) עלולה לגרום ל"שריפת" הפיקסלים בגלאי באופן בלתי-הפיך. הבעיה עלולה לקרות גם בצפייה באורות חזקים יחסית בלילה במשך זמן רב, למשל כשצופים באזור שחלקו חשוך אך חלק אחר בו מואר על ידי פנס - הפיקסלים שעליהם נופל אור חזק עלולים להיצרב, וצריבה זו תישאר גם כאשר צופים באזור אחר. יתרונו של המא"כ הוא בצריכת האנרגיה הנמוכה שלו וממדיו הקטנים שמאפשרים להתקינו על מגוון אמצעים כגון כוונות לרובים, מצלמות וידאו, משקפות וכן הלאה.

אמצעי ראיית לילה תרמי

כל גוף פולט קרינה אלקטרומגנטית (ראה: "קרינת גוף שחור") שהתפלגותה על-פני הספקטרום תלויה בטמפרטורה שלו, ולכן היא מכונה לעיתים קרינת חום. ככל שטמפרטורת הגוף גבוהה יותר, כך אורך-הגל שבו "קרינת החום" מקסימלית הוא קצר יותר. רוב הקרינה של גופים ב"טמפרטורת החדר" (בסביבות 300 קלווין או 30 מעלות צלזיוס), כמו גוף אדם או מכוניות, נמצאת באורכי גל ארוכים מזה של האור הנראה, באזור הספקטרום המכונה "תת אדום רחוק". אמר"ל תרמיים מתרגמים את התמונה המתקבלת מקרינה בתחום זה לתמונת אור נראה שבני אדם יכולים לצפות. 
אמצעים תרמיים יהיו לרוב גדולים וכבדים יותר מהאמצעים המבוססים על הגברת אור, וצריכת החשמל שלהם רבה יותר. זאת מכיוון שהמנגנון שלהם מקורר: כדי לקבל רגישות גבוהה ולהקטין את רמת ה"רעש" מקובל לקרר את הגלאים לטמפרטורה נמוכה מאוד. יתרונם של מכשירים אלה הוא טווח התצפית הגדול שלהם ויכולתם לראות דרך חומרים מסוימים המעבירים קרינה תת-אדומה (כמו למשל רשת הסוואה) אך אטומים לאור נראה. ניתן למשל לראות אדם המסתתר מאחורי וילון. בניגוד למגברי אור כוכבים, מכשירים אלה מסוגלים לפעול גם בשעות היום, אך אז איכות התמונה גרועה יותר, כי הקונטרסט נפגע מעליית הטמפרטורה ומהחזרה ישירה של אור השמש מפני השטח.
לאטמוספירה בליעה חזקה בחלקים גדולים של הספקטרום התת-אדום עקב נוכחותם של אדי מים באוויר, אך ישנם שני תחומים שבהם הבליעה היא מעטה ולכן הם עדיפים לתצפית. תחומים אלו נקראים "חלונות אטמוספיריים" והם נמצאים בתחום אורכי-הגל שבין 3 לבין 5 מיקרון, ובין 8 לבין 12 מיקרון. רוב אמצעי התצפית התרמיים פועלים באחד התחומים האלה.
כדי שהאמצעי התרמי יוכל לקלוט את הקרינה ולהציג תמונה המבוססת על הבדלי הטמפרטורה שבין הגופים השונים דרוש גלאי מתאים. כפי שישנם גלאים ש"רגישים" לקרינה בתחום האור הנראה (למשל גלאי ה-CCD במצלמות המבוססים על צורן), ישנם גלאים אחרים הרגישים לקרינה בתחום התת-אדום, ובהם נעשה שימוש באמר"לים תרמיים (המבוססים על אינדיום-אנטימוניד, InSb או כספית-קדמיום-טלוריד, HgCdTe). עד שנות התשעים של המאה ה-20 לא הייתה יכולת לבנות מערכים של גלאים כאלה, ולכן אמצעי התצפית התרמיים כללו אז רק גלאי יחיד, שקורר לטמפרטורות קריוגניות, בדרך כלל על ידי התפשטות גז. התמונה נוצרה על ידי מערכת אופטו-מכנית של מראות ומנועים מהירים שסרקו את פני השטח בקצב גבוה. מערכת אלקטרונית בנתה אות וידאו מהאות במוצא הגלאי, בשילוב תזמון עם מערכת הסריקה המכנית. מערכות אלה הן יקרות מאוד ומסורבלות. במשך שנות התשעים פותחו מערכי גלאים ששימוש בהם מאפשר להיפטר מהסריקה המכנית, והם מקוררים לטמפרטורות נמוכות פחות על ידי מקררים תרמואלקטריים. ישנם גם אמר"לים תרמיים לא מקוררים, שהם ניידים וקלים יותר שכן אינם זקוקים למערכת קירור, אך ביצועיהם נחותים בדרך כלל . 
ישנם אמר"לים המיישמים את שתי השיטות (הגברת אור כוכבים וחישה תרמית), ובהם עשויה להתקבל תמונה ברורה ביותר, קרובה לזו שנצפית באור יום.
אפשרות נוספת היא להשתמש באמצעי תצפית תרמי אקטיבי. במערכות אלו סורקים את פני השטח באמצעות קרן לייזר (בדרך כלל לייזר CO₂). מערכת אופטית אוספת את הקרינה מהשטח באופן זהה למערכת תרמית פסיבית, אך האות הנקלט מעובד באופן שונה. מכיוון שקרן הלייזר נסרקת בקצב גבוה, היא גורמת ליצירת אות בתדר הסריקה. ניתן אם כן לקבל שני אותות: אות קבוע (DC) ואות חילופין (AC). האות הקבוע נגרם מפליטת פני השטח, והוא זהה לאות שקולטת מערכת תרמית פסיבית. אות החילופין נגרם מהחזרת קרן הלייזר מהשטח. שני האותות משלימים זה את זה: עיבוד משולב שלהם מאפשר יצירת תמונה ובה פרטים נוספים, או קונטרסט משופר בהשוואה למערכת תרמית פסיבית. כך למשל, טנק שנמצא בטמפרטורה דומה לטמפרטורת האדמה שסביבו עשוי לפלוט כמות חום דומה, אך ההחזרה ממנו תהיה שונה מאוד. במצב זה, תמונה שתפיק מערכת פסיבית תהיה בעלת פרטים מעטים וניגודיות גרועה בהשוואה לתמונה שתפיק מערכת אקטיבית, שכן זו מודדת את ההחזרה של פני השטח. מכיוון שהמערכת שולחת פולסי לייזר קצרים מאוד ניתן גם למדוד באמצעותה את זמן המעוף של הפולס עד חזרתו מהשטח, וכך לחשב את הטווח אל השטח, בדומה למד טווח לייזר. 

המערכות האקטיביות הן יקרות ומורכבות בהרבה מהמערכות הפסיביות בגלל מערכת הלייזר, מערך הסריקה המכני ועיבוד מורכב של אותות ותמונות. כמו כן ישנה בעיה בטיחותית בהפעלת לייזרים כאלה, שפגיעתם בעין עלולה לעוור. לכן משתמשים באמצעים תרמיים אקטיביים בעיקר במערכות מוטסות או במקרים מיוחדים.