征服黑夜的夜视仪:光电效应

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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

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