黑夜中的眼睛——微光夜视仪的前世今生
作者：耿霖1120223207
自人类演化以来，日出而作日落而息的生活方式便已成功“刻进”人类的基因之中，然而在经历了上万年的生产力提升与科技水平的发展后，人类无法再忍受在漫长无光的黑夜里无所事事，发明了从取火到灯光照明的一系列技术，让我们在黑夜里也能看得清火光或灯光下的物体。但是，有没有一种技术，能让我们在即使没有人工光源的照射的情况下，依然有能看清黑暗中的物体的能力呢？当然有，那便是微光夜视仪。
与大多数人印象中那种在影视作品或游戏中看到过的，在镜头中看到的，在黑暗的背景中出现一个个“发光的小人”式的红外热像仪（图1）不同，我们这里所讲到的微光夜视仪能做到在极黯淡的月光或星光照射的条件下，像白天一样看清视野内的几乎所有物体（图2）。
图1 图2
二者的工作方式有着本质区别，微光夜视仪靠的是放大在微弱光，也就是月光或星光照射下的物体所成像的亮度，以此使光强达到我们可以看到的水平。而红外热像仪靠的是收集所有物体因为具有温度而放射出的红外线而形成我们可以看到的图像。简而言之，微光夜视仪是增强物体的原图像亮度，红外热像仪则是分辨红外线的不同而构成图像。有敏锐的读者可能会想到，如果我拍摄的视野内的所有物体它们尽管样式各异，如果它们辐射红外线的本领高度相近，那么红外热像仪是不是就看不到东西了。这是当然的，虽然生活中几乎不存在这种极端情况，但这种理论下的不足也是明显的。
另一点区别则是，由于一般情况下更热的物体会发出更多的红外热辐射，那么热像仪下不同温度的相同物体显示出的亮暗也会有所区别，这会导致一些目标识别的错误。同时也会出现背景一片灰白唯独一杯热水极亮的情况，这也许违背了我们夜视的初衷。
而微光夜视仪则可以忽略热学方面的这些限制。我们在生活中，白天能清楚看到的物体，靠的几乎都是室外的太阳从窗户透进来的光，先打在物体上，不同物体因为反射光的能力不同而把不同强度色彩的光反射到我们的眼中，这就是我们视觉的由来。那么，现在唯一的区别是我们把太阳光换成了月光，甚至更暗的星光，但是物体依然是在反射这些光的，我们能接收到这些光，只是太暗了我们才看不见而已。微光夜视仪则可以把这些暗光按照原比例增强达到让我们能看见的程度。当然，目前的红外夜视仪尚未能做到还原物体的色彩，其限制机理我们后面会说到。图3是热像仪和微光夜视仪对同一个物体不同的成像效果，我们可以看到，热像仪能清楚看到人的轮廓，但对竹林的分辨显然不及夜视仪，也就是说，微光夜视仪对全景物的分辨具有明显优势。
图3
微光夜视仪的核心元件在于像增强管，它承载着把微弱光图像增强到可视水平的功能。接下来我来具体讲解微光夜视仪是如何一步步发展到现在的水平，这其中的技术原理和工艺进步。
我们的目的是把较暗的光图象转化为更亮的光图案而像的细节不发生明显变化。一步实现倍增光强在视觉领域有着绝对的弊端，那就是噪声极大、成像质量极差，且同时只能增强一种颜色（单波长）的光。但先把光转化为电再转化为光信号则有完备的理论体系，像增强管则是运用了这方面的理论，再配合不断发展的硬件水平实现前面说的目的。
首先，把光学图案转化为电子图案靠的是外光电效应。在一些特殊材料（我们称之为光阴极）上，当符合材料要求的光子撞击光阴极时，该材料会发射出电子，这使转化成为可能。同时，光越强，同一时间光子撞击数越多，电子流也会随之增大，为不同光强物体的分辨提供理论基础。那么，我只要把经过透镜成像位置放上光阴极屏，那么图像的每个点都能撞击出电子流，且强度与光强正相关，这就是像增强管第一步过程（图4）。
图4
接下来是重新把二维电子图转化为光学图像。某些材料在受到电子轰击后会发光，这种材料我们称之为晶态磷光体，发光强度与电子流强度成正比。这样电子图像轰击到荧光屏幕上，就可以把电子图像再转化回光学图像，我们再通过透镜把小图像放大聚焦到眼中，就实现了夜视功能。
回到像增强管的结构问题，光阴极和荧光屏一前一后有没有实现光强的增大，这要看转化效率如何。一般而言都是不够的，那么需要我们在中间增大电子流的强度。要么进一步增大电子数，要么增大电子的运动速度都可以增大电子流强度。这之间的元件发生了许多技术的迭代，我们接下来会进一步说明。
自此我们已经大致了解了像增强管的大致原理（图5），接下来我来讲讲工业界都对像管进行了什么样的改进。
图5 聚焦线圈只是电子加速的一种
像增强管的发展可以分为：零代，一代，二代，三代和超二代这几代，其中每个代际都有标志性的技术突破。
首先是依据我前文简要提到的技术直接设计出的零代管，它在1934年由荷兰飞利浦公司研制出，并由1936年由美国正式研制出实用型夜视仪。值得一提的是，即使内部有静电聚焦这样的电子加速结构，在当时的光强度也达不到要求。但是，光阴极材料因为可以吸收一些近红外光发射电子，因此使用时要配套一个很大的红外光源照射目标。这一代标志性的元件便是灯源和一个为静电聚焦要用到的大大的电源（图6）。
图6 图7
作为初期发展产物，光学性能肯定只能说是差强人意，那么有哪些优化方案呢。我们从结构入手：光阴极材料的提升空间是增大转化效率（我们称之为光电灵敏度）和对不同波长的光的转化能力（我们称之为光谱响应范围）；电子增强结构的提升空间则是优化元件分布和制备水平；荧光屏材料的提升空间是提高材料的物理性能。这些都是贯穿始终的，后面不再赘述。
当然还有一些开创性的结构发展，1961年美国RCA公司制备出了光纤面板，简要来说，它可以把光学图像每个点的光几乎无损失的传到另一端，图像不变，这样，我们就可以把两个管之间用光纤面板连接起来，不用担心透镜无法严格贴合造成的成像质量的损失（如强度下降，图像边缘严重畸变）。这种结构（我们称之为级联）通过几次增大实现光强指数级增大而不再需要大功率电源提供的高压增大电流强度而增强光强。
那么光阴极的发展（此时达到多碱光阴极S20，我们可以简单理解为拓宽了对不同波长光的响应范围，从原来很少颜色的光增加了范围，同时性能大幅提升）与因光线面板达成的级联，共同实现了从零代到一代的跨越，它的特点是级联造成的尺寸增大，变得很长，同时不再需要大功率电源提供高压环境（图7）。
一代到二代的跨越则是MCP微通道板的发明，简要来说，它代替了原来的静电聚焦结构，小小一片就能把电子实现指数级倍增（图8），从而又不再需要级联实现光倍增。这时它的体积就变得很小了（图9）。
图8 图9
二代到三代的跨越则是发现了性能更佳的光阴极，名为负电子亲和势材料（图10），简单来说，它的效率和光谱响应有了革命性的提升，同时脆弱的材料需要离子阻挡膜的保护，防止电子电离出非严格真空的空气离子反过来轰击阴极材料，这会导致材料寿命大幅下降，膜的存在会降低成像质量，这是不得不做出的妥协。当然，还有一种技术叫做自动门控，它可以监测光强而改变电压大小，防止过多离子轰击阴极材料，实现去膜效果。
图10
超二代则是欧洲等地因美国对负电子亲和势材料的垄断而在二代管上做出的极致性能优化，比肩三代，具体不过多赘述。
最后是一些前沿产品，它们分别是美国L3Harris（图11）、欧洲Photonis（图12）和国产北方夜视（图13），它们性能均很优异（图14）。
图11 图12 图13
图14
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