征服黑夜的夜视仪：光电效应
一、引言
黑夜是人类的天敌，因为我们的眼睛在黑暗中很难去看清周围的环境。然而，有些动物却能够在黑夜中自由活动，比如猫、狼、猫头鹰等。它们的眼睛有什么特殊的结构或功能吗？我们能否制造出能够在黑夜中观察的仪器呢？
答案是肯定的。20世纪60年代初第一代微光夜视仪在美国研制成功并正式装备部队，在越战中发挥了重要作用［1］。小时候玩使命召唤电子游戏时，有些关卡士兵需要在黑夜中作战，这时我会按下键盘上的“N“键打开夜视仪，这是屏幕上会显示出绿色的场景，这就是我对夜视仪的第一印象。
图1 夜视仪中另一位带夜视仪的士兵 来源：维基百科 词条Night Vision Device
夜视仪是一种增强黑夜中的视觉的仪器。根据其工作原理和性能，夜视仪大致可以分为三类：主动红外夜视仪，微光夜视仪和热成像仪。主动红外夜视仪是最早出现的一种夜视仪，它的原理是利用红外光源（如红外激光或红外灯）照射目标，然后通过红外接收器（如红外摄像头或红外眼镜）接收反射的红外光，再转换成可见光图像。主动红外夜视仪的优点是价格低廉，不受环境光线的影响，可以在完全黑暗的情况下使用。缺点是需要额外的红外光源，容易被其他夜视仪发现，而且图像质量较差，分辨率低，色彩单一。
微光夜视仪是目前最常见的一种夜视仪，它的原理是利用一个影像增强器，将环境中的微弱光线（如月光，星光，城市光污染等）放大几千甚至几万倍，使人的眼睛能够看到清晰的图像。微光夜视仪的优点是图像质量高，分辨率高，色彩丰富，而且不需要额外的光源，不易被发现。缺点是价格昂贵，受环境光线的影响，不能在完全黑暗的情况下使用，而且容易受到强光的损伤。热成像仪是一种利用热辐射原理的夜视仪，它的原理是利用一个热像仪，将目标发出的红外热辐射转换成可见光图像。热成像仪的优点是不受环境光线的影响，可以在完全黑暗的情况下使用，而且可以区分不同温度的目标，适合用于探测生物或者隐藏的物体。缺点是价格非常昂贵，而且图像质量较差，分辨率低，色彩单一，不能显示细节。本文将带领读者了解的就是微光夜视仪与其背后的光电效应，揭示这项科技是如何征服黑夜的。
微光夜视仪的发展经历了几个阶段，从最初的第零代到现在的第三代，性能和技术都有了很大的提升。第一代夜视仪是指1950年代到1960年代出现的微光夜视仪，它们利用一个影像增强器，将环境中的微弱光线放大几千倍，使人的眼睛能够看到清晰的图像。第一代夜视仪的优点是不需要额外的光源，体积小，重量轻，而且价格低廉。缺点是图像质量较差，分辨率低，色彩单一，而且容易受到强光的损伤。第一代夜视仪主要被美国和苏联等国家的军队使用，用于步枪，手枪，头盔等装备上［2］。第二代夜视仪是指1970年代到1980年代出现的微光夜视仪，它们在第一代的基础上添加了一个微通道板，增强了光子的流动，让成像清晰度和亮度大大提高。
第二代夜视仪的优点是图像质量高，分辨率高，色彩丰富，而且不易受到强光的损伤。缺点是价格昂贵，而且仍然受环境光线的影响，不能在完全黑暗的情况下使用。第二代夜视仪主要被美国和欧洲等国家的军队使用，用于步枪，手枪，头盔，望远镜等装备上。第三代夜视仪是指1990年代到现在的微光夜视仪，它们在第二代的基础上使用了砷化镓光电阴极，感光度远远高于普通光电阴极。第三代夜视仪的优点是图像质量非常高，分辨率高，色彩丰富，而且不受环境光线的影响，可以在完全黑暗的情况下使用，而且寿命长，耐用性强。缺点是价格非常昂贵，而且受到出口限制，只有美国和法国等少数国家的军队可以使用，用于步枪，手枪，头盔，望远镜，瞄准镜等装备上。
夜视仪的基本原理是将黑暗中的微弱的光线，比如月光、星光、红外线等，转换成电信号，然后放大电信号，再转换成可见光，从而让人眼能够看到黑夜中的物体的轮廓和细节。夜视仪的结构如图2所示。
当黑夜中的微弱的光线经过物镜聚焦后，照射到光电倍增管，经过光电倍增管内部的一系列电极的加速和倍增，最后打到光电倍增管出射端的荧光材料，它能够将电信号转换成可见光，从而在荧光屏上形成一幅图像。这幅图像是黑白的，因为光电倍增管只能够放大光的强度，而不能保留光的颜色。最后，人眼通过目镜观察荧光屏上的图像，就能够看到黑夜中的物体的轮廓和细节。夜视仪的放大倍数一般在2到10之间，视野角一般在30到60度之间，有效观察距离一般在100到500米之间，不同的型号和规格有所不同。
图2 夜视仪的结构
二、光电效应
像增强器的基本原理就是光电效应中的外光电效应。外光电效应是指当光照射到某些物质的表面时，会使物质表面的电子脱离原子，从而产生电流的现象。这种现象最早是在1887年由德国物理学家海因里希·赫兹发现的，紫外线照射到金属电极上，可以帮助产生电火花，但是当时的物理理论无法解释它的原理。直到1905年，爱因斯坦给出了光电效应实验数据的理论解释。爱因斯坦认为，光并不是连续的波，而是由一些能量量化的粒子组成的，这些粒子就是后来被称为光子的东西，而这光子的能量和其所组成的光的频率有关。这个突破性的理论不但能够解释光电效应，也推动了量子力学的诞生。
当光子照射到物质表面时，会与物质表面的电子发生碰撞，将能量传递给电子。如果光子的能量大于电子的能量阈值（也称为逸出功），也就是电子需要从原子中脱离的最小能量，那么电子就会被打出来，形成电流。图3就是外光电效应的示意图。
图3 外光电效应 来源：维基百科 词条Photoelectric effect
光电效应的特点有以下几点：
1．光电效应是一种瞬时的现象，即只要光照射到物质表面，就会立即产生电流，不需要任何延迟时间。
2．光电效应的电流大小与光的强度成正比，即光越亮，电流越大。这是因为光的强度与光子的数量成正比，光子越多，打出的电子越多，电流越大。
3．光电效应的电流大小与光的频率无关，只要光的频率大于逸出功除以普朗克常数，就会产生电流。这是因为光的频率只影响打出电子的能量，而不影响打出电子的数量。
4．光电效应的电子的能量与光的频率成正比，即光的频率越高，电子的能量越大。这是因为电子的能量等于光子的能量减去逸出功，所以电子的能量与光的频率成正比。
三、像增强器
图4 像增强器原理 来源：biliili ＠中智科仪
像增强器有一个光电阴极，由于外光电效应，当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子［3］。当电子通过电子管时，类似的电子从管内的原子中释放出来，通过使用管内的微通道板（MCP），将原来的电子数量乘以数千倍。MCP是一种微小的玻璃，里面有数百万个微孔（微通道），是用光纤技术制造的。MCP包含在真空中，在圆盘的两侧有金属电极。每个通道的长度大约是宽度的45倍，它的作用相当于电子倍增器。当来自光电阴极的电子击中MCP的第一个电极时，它们被电极对之间发送的5000伏脉冲加速进入玻璃微通道。当电子通过微通道时，它们会导致成千上万的其他电子在每个通道中释放，这一过程称为级联二次发射。
基本上，原始电子与通道的一侧碰撞，激发原子并导致其他电子被释放。这些新电子也会与其他原子碰撞，产生连锁反应，导致成千上万的电子离开只有少数电子进入的通道。一个有趣的事实是，MCP中的微通道以轻微的角度（大约5度到8度偏差）创建，以鼓励电子碰撞，并减少离子和来自输出端的荧光粉的直接光反馈。在图像增强管的末端，电子击中涂有荧光粉的屏幕。这些电子相对于它们通过的通道保持它们的位置，这提供了一个完美的图像，因为电子与原始光子保持相同的排列。电子的能量使荧光粉达到激发态并释放光子，这些荧光粉在屏幕上产生绿色图像［4］。
四、微光夜视仪的优缺点
微光夜视仪的优点有以下几点：
1．微光夜视仪能够让人类在黑夜中看到物体的轮廓和细节，增强了人类的视觉能力，扩展了人类的活动范围。
2．微光夜视仪能够利用黑夜中的微弱的光线，不需要额外的光源，不会暴露自己的位置，适合于隐蔽的观察和侦察。
3．微光夜视仪能够观察到人眼无法感知的红外线，可以用于探测热源，比如人体、动物、火焰等，有助于发现隐藏的目标或危险。
微光夜视仪的缺点有以下几点：
1．微光夜视仪的成本较高，一般需要几千到几万元不等，不是普通人能够轻易购买的。
2．微光夜视仪的重量较大，一般需要几百到几千克不等，不是方便携带的。
3．微光夜视仪的使用寿命较短，一般只能使用几百到几千小时不等，需要定期更换或维修。
4．微光夜视仪的图像质量较差，只能显示黑白的图像，不能显示颜色，也不能显示细微的纹理和细节。
5．微光夜视仪的使用环境有限，不能在白天或强光下使用，也不能在雨雪或雾霾等低能见度的情况下使用。
五、结语
夜视仪是一种利用光电效应来增强黑夜中的视觉的仪器，它能够让人类在黑夜中看到物体的轮廓和细节，扩展了人类的活动范围，也为人类的科学研究、军事行动、户外探险等提供了便利。然而，夜视仪也有一些缺点，比如成本高、重量大、寿命短、图像质量差、使用环境有限等，需要不断地改进和完善。光电效应是夜视仪的核心原理，它是一种光和电的相互转换的现象，它揭示了光的粒子性，也为量子物理的发展奠定了基础。通过学习光电效应，我们可以了解夜视仪的工作原理，也可以拓展我们的物理知识，提高我们的科学素养。
参考文献：［1］ 王丽，尚晓星，王瑛．微光夜视仪的发展［J］．激光与光电子学进展， 2008（3）：5．DOI：10．3788／LOP20084503．0056．［2］ 周立伟．关于微光像增强器的品质因数［J］．红外与激光工程，2004（04）：331－337．［3］ 武兴建，吴金宏． 光电倍增管原理、特性与应用［J］． 国外电子元器件，2001（8）：13－17．［4］ Haque M J， Muntjir M． Night vision technology： an overview［J］． International Journal of Computer Applications， 2017， 167（13）： 8887－37．注：未标注图源为自制
原文标题 ： 科普征文 ｜ 征服黑夜的夜视仪：光电效应
