科普｜走近“夜视仪”的过去与未来

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”。

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

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。

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。

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。

小伙伴们可能会联想到红外测温，在疫情期间进出公共场所的时候，会有一个摄像头对着我们，而旁边的显示器上则会实时地显示我们的温度。其实，红外测温设备也包含着红外成像仪，只不过相比起成像，还多了一个推算温度的步骤。

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。

黑体，是一个理想的物理模型，它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射。

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。

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。

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？

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