科普｜走近“夜视仪”的过去与未来

原标题：科普｜走近“夜视仪”的过去与未来

女子睡醒为何如此疲惫？

新婚夫妇的门为何夜夜被敲？

真相为何如此扑朔迷离？

这背后到底隐藏着哪些不为人知的玄机?

本期让我们一起走近科学。

对于拥有猫猫的铲屎官们来说，这些问题的答案可能是：你家猫半夜又在你的卧室捣乱了。。。

要是你还坚称猫猫是安分守己的“好孩子”，那么我建议你在卧室安装一个夜视摄像头，看看你睡着后的小猫咪都在干嘛。

比如：

你睡着后的猫咪都在干嘛来源：没品图

当你卸下一天的疲惫，正要沉沉睡去的时候，生活可能还会随时给你来一记暴击。。。

这些摄像头是怎么在伸手不见五指的时候看清“生活本质”的呢？没错，我们今天的主题就是：

夜视仪

来源：军报记者

夜视仪是一种能在黑暗环境下帮助我们看清东西的仪器，它分为被动式和主动式，前者靠接受物体反射的微弱光线并将其增强形成图像，以微光夜视仪为代表；后者通过探测物体自身发出的红外辐射形成“热图像”，所以又称为“红外热像仪”。

微光夜视仪与红外热像仪来源：sohu & zhihu

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微光夜视仪

微光夜视仪是目前应用最普遍的夜视产品了，广泛应用于夜间监控，公安侦察，医疗影像等领域中。

抢镜“嫦娥五号”的小动物

微光夜视仪可以在极低亮度的环境下，利用火光、月光、星光、大气辉光等微弱光线或者发射红外探测光照射物体，物体反射的光通过像增强器放大后转变成人眼可清晰观察的图像，从而实现在夜间对目标进行观察。

微光夜视仪结构

微光夜视仪的核心部件是像增强器，它主要由光电阴极、微通道板、荧光屏幕三个部分组成。

像增强器原理来源：bilibili @中智科仪

光电阴极将微弱的原始光信号通过光电效应转化成光电子，再通过微通道板对电子进行倍增，利用二次发射的电子能将光电子数量增加数百上千倍，最后在荧光屏幕 (阳极)上将增强后的电子信号再次转换为光学信号，让人眼可以看到。在整个过程中，电子会被外加的静电场加速，进一步增强信号。

这其中涉及到两个比较有意思的物理现象：光电效应和电子倍增。

光电效应示意图

当光子撞击到光电阴极 (通常是碱金属薄膜或者砷化镓一类的半导体物质)后，材料会吸收光子的能量，如果这个能量大于这种材料的逸出功，光电子就会被激发出来，这就是光电效应现象。

光电效应现象首次于1887年被德国物理学家海因里希·赫兹发现。

海因里希·赫兹

1905年，阿尔伯特·爱因斯坦发表论文《关于光产生和转变的一个启发性观点》，首次利用光量子的概念解释了光电效应的实验数据。

爱因斯坦也由于“他对理论物理学的成就，特别是光电效应定律的发现”，获得1921年诺贝尔物理学奖。

微通道板MCP来源：bilibili @中智科仪

另一个有趣的现象是电子倍增。电子倍增是通过像增强器来完成的。微通道板里有很多排列整齐的孔道，当1个电子进入孔道并撞击孔道内壁的二次发射材料时，会诱导大约1~3个二次电子发射。这些电子被外部的电场加速，再次撞击孔道内壁则会激发更多的电子，这个过程不断重复，会导致大量的电子被激发出来。大量的电子通过外电场的加速，撞击到荧光屏上，再次转换为光信号。此时的光信号，已经是入射时强度的成百上千倍了。

电子倍增管

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红外热成像夜视仪

微光夜视仪固然好用，但在阴天和漆黑无光或烟雾条件下使用效果就不太好了，这时候红外热成像夜视仪就派上用场了。顾名思义，热成像涉及到“热”和“成像”两个方面。热，一切物体都会向四周进行热辐射，因此可以通过一定的手段捕捉到这些热辐射信号，并将其转化成便于我们观察的图像。

热力学告诉我们，一切温度高于绝对零度 (-273.15℃)的物体都能产生热辐射，热辐射的光谱是连续谱，波长理论上可以从0到∞，而且温度越高，热辐射中短波的成分也越多。

我们需要探测的热辐射波长范围是多少？在温度较低时，热辐射主要以肉眼看不见的红外光传播，以人体表面温度36℃为例，热辐射强度最大的波长为9371nm，属于远红外波段；当温度到达几千摄氏度的时候，热辐射的波长才会落在可见光波段。显然，对于我们生活中的物体来说，热辐射的波长还是在红外波段。

光谱图

但问题还没有结束，空气对于红外线是有吸收的，且对于不同波长的红外线吸收程度不同。吸收率小即透射率高的波段称作“大气窗口” (在短波、中波、长波谱段，主要的大气窗口分别为0.7~2.5μm，3~5μm，8~14μm)。我们探测热辐射的波长还得挑选在大气窗口之内，否则就做无用功了。

红外线的大气窗口

常见的红外热成像仪是通过对中长波红外波段 (9-14μm)的电磁波进行探测和成像的。

红外热成像仪结构示意图

与照相机的原理相仿，红外热成像仪也有一个用来收集和聚焦红外光的镜头和探测其强度的感光元件。

普通光学镜头的材质是玻璃或者树脂，这些材料是透明的，对可见光的透过性较好，但是对红外线的透过性极差，而红外热成像仪的镜头是用锗玻璃制作的。

锗玻璃

锗玻璃是不透明的，因此在可见光波段不具有透过性。但是，锗玻璃之所以被称为红外热成像仪的“灵魂”，是因为它在中远红外波段(2-16μm)具有很好的透光性能，完美适配波段要求。在实际应用中，还可以通过镀膜的方式进一步增加红外线的透过率。

锗多晶

但锗属于稀有元素金属，锗矿石的分布非常分散且稀少，高纯锗的提取难度也很大，这些因素都导致了锗玻璃的生产成本比较高，因此红外热成像仪的镜头也比普通光学镜头要贵不少。

硫锗铁铜矿

红外探测器其实有多种技术实现方案，包括制冷型的和非制冷型的红外焦平面探测器。后者在绝对性能上比前者稍差，但由于技术的不断发展，在日常生活中，其性价比已经远远超过了前者。

微测辐射热计像元结构示意图

红外探测器的表面布满了形成阵列的“微桥”，“微桥”由多层材料组成，由上到下分别是红外吸收层、热敏层还有起到支撑与电连接作用的“桥臂”和“桥墩”。当外界的红外信号通过镜头聚焦到探测器焦平面阵列上时，各个吸收层吸收红外线能量后会分别产生细微的温度变化，从而引起各微桥的热敏层电阻值发生相应的变化，并将这些变化转换成电信号输出，经过探测器外的进一步数据处理，我们就能得到反映目标场景温度分布的可视化图像。

某水果店

我们在探测器上得到的原始数据，只能定性地描述测量场景中的热辐射分布，但并不能给出物体实际的温度。这就需要我们给物体温度和辐射数据之间的关系做一个定标，我们通常利用黑体作为基准源。

开有小孔的腔体可以模拟黑体

考虑到能量守恒，黑体将会把其吸收到的所有能量也同时辐射出来，而普通物体会有反射或者透射造成的能量损失，因此在一定温度下，黑体的辐射能力是最强的。随着温度上升，黑体所辐射出来的电磁波则称做黑体辐射。

普通的物体毕竟不是黑体，这边我们需要引入一个发射率的概念，发射率指物体的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比，是一个小于1的数，和物体的材质有关。

常见物体的发射率

不同发射率的物体在相同的温度下的热辐射是不同的，如下图所示：

相同温度下，不同发射率的物体

相同温度、不同发射率的物体在红外热成像仪上亮度是不同的。因此，我们还需要人为地将我们待测物体的发射率告诉仪器，才可能得到较为准确的温度值。另外，温度的测量值还会被测量距离，环境因素所影响，在这里就不做过多赘述了。

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未来的夜视

除了不断地提高各种夜视仪器的性能之外，科学家们已经不满足于正常意义上的夜视仪器了。想象一下，如果人眼可以突破可见光的限制，直接“看到”红外波段的电磁波，不借助任何仪器就可以实现夜视，这该有多方便啊。

事实上科学家们已经研发出了一种非常微小的设备“上转换纳米粒子”，在小鼠身上的测试表明，纳米粒子会自动附着在小鼠视网膜的光感受器上，吸收红外光并将其转换成可见的绿光。被“增强视觉”的小鼠不仅能感知红外光，还能区分研究人员所提供的不同红外模式。

获得“增强视力”的小鼠

这种增强的红外探测能力似乎并没有干扰或者取代动物自身具有的视觉能力，且不需要外部电源，能保持长达两个月的活性。这项技术除了可以应用于本来就需要夜视的领域，甚至还可以为色盲症提供解决方案。

人类对于夜视还在不断地探索，也许在未来的某一天，人类真的可以不费力地突破自然的视觉限制，以全新的视角来看待这个世界。

好的，回到标题的问题。这到底是为什么呢？为什么呢？什么呢？

莫慌，再从头看一遍。

参考文献：

1.微光夜视仪 百度百科

2.非制冷红外焦平面探测器——热成像系统的核心，国际角逐的焦点 知乎

3.红外测温这些事 (热成像科普系列第二篇) 知乎

4.红外热成像仪测量体温的原理与精度限制 知乎

5.王丽, 尚晓星, 王瑛. 微光夜视仪的发展. 中国光学期刊网, 2008

6.王江安, 肖伟岸, 申林. 海空背景下目标红外辐射特征分析. 海军工程大学学报, 2001

7.Yuqian Ma et al. Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae. Cell, 2019

来源：中科院物理所