夜視鏡的綠色景象

夜視裝備到底如何運作?

撰文/菲謝蒂(Mark Fischetti)
翻譯/吳鴻

人類的肉眼在黑暗中看不到東西,但在最近的美伊戰爭期間,電視機前的觀眾經常看到有如鬼魅的綠色戰車、士兵和記者,正在與黑暗的沙漠對抗,這是因為攝影機有內建的夜視管。使用同樣的技術,戶外活動愛好者可以觀察夜行動物或夜半水面上的浮標,而警察也能在掩蔽的門廊外監視壞人的行動。


不管夜晚有多黑暗,星星、月亮及許多人造裝置仍然會提供少量光子,讓夜視鏡能偵測得到影像。二次世界大戰期間,美國軍方發明了這種裝置,自此之後它就慢慢流向消費者,其間已有好幾「代」的進步。粗略的可用標準,是由位於維吉尼亞州貝爾瓦堡的美國陸軍夜視實驗室所定義的。到1980年代晚期,第一代和第二代已經輸給最佔優勢的「第三代」產品。在弦月(照度為0.01勒克斯)的光線下,它可以識別出站在550公尺外身高180公分的人;品質優良的單眼夜視鏡要價大約2000~3500美元。


任何這類裝置的核心都有一個增強管,能將極少量的光子轉換成電子,然後加以放大並轉換成可見的影像。這些管子會逐漸退化(最佳的產品可提供一萬小時的作業效力),但可以替換;在煙霧、沙塵暴及霧氣裡,即使能發揮作用,效果也很有限。因此,有些士兵使用某種紅外線護目鏡,擷取敵軍或車輛的熱梯度(或剛剛經過的人留下的殘餘熱梯度),然後繪成黑白影像。這種影像的清晰度比不上夜視管,而且若現場物體的溫度一致(如道路和路上的坑洞),那就什麼也看不見。但紅外線儀器可偵測到幾公里外的物體。


製造廠商因此開始生產幾種「混合式」護目鏡的原型,能夠將紅外線影像覆蓋在綠色的增強管影像上。美國軍方最重要的供應商,位於維吉尼亞州洛亞諾克市「ITT工業夜視」的製造工程副總裁佩克說:「我相信下一代的夜視鏡將會採用這項技術。」到時候,雖然我們的人生仍舊有一半要在夜裡度過,卻再也不會困在黑暗中。


你知道嗎?

◆6000伏特的挑戰增強管內部的光電陰極、微道板和螢光屏幾乎碰在一起,但加速電子橫越其微小間隙的電壓,範圍卻在500~6000伏特。ITT工業夜視的佩克說:「工程上的最大挑戰,就是使這些平行板之間保持非常靠近,卻絕不會接觸,讓我們能夠施加那麼高的電壓而不會造成任何損壞。」使用電源供應轉換電路,兩個AA電池就能以極低的電流提供急遽升降的電壓,可持續50~60小時。


◆MOUT保護早期的第三代夜視鏡,在光線明暗變化很大的地方(例如都市),很難維持穩定的影像。因此對執行所謂「城市地形軍事行動」(MOUT)的士兵而言,其使用效果就會降低。但藉由限制增強管內部的電壓並降低其電流,廠商就能提升這類裝置的功能範圍。如今,士兵可以在路燈微亮的巷內,監視某個藏在暗處的敵軍,即使過往汽車的大燈突然將景象改變了,仍然能繼續盯著不放。


◆不得外銷具有夜視功能的單眼及雙筒望遠鏡、護目鏡、攝影機、射擊瞄準鏡等設備,是美國國務院「限制出口」的產品。任何個人或公司,若在未取得授權的情況下,私自將這項技術銷售或輸送到其他國家,可能會面臨嚴重的罰款,甚至要坐牢。

夜視影像


夜視影像之所以是綠色,是因為這種儀器內部的磷光體會發出波長接近550奈米的綠色光,這是人類眼睛的「最大亮光視覺」(眼睛最敏感的波長,可將人腦對比的感覺最佳化)。


單眼透鏡


單眼透鏡會將黑暗中珍貴而稀少的光子,集中到真空中的一個增強管。在這裡面,光電陰極(1)會將光子轉換成電子。有一道電壓會使電子加速通過幾密耳(1/1000英寸)之後、約兩張紙厚的微道板(2)。此平板會讓電子倍增,而第二道電壓會使電子加速,射向同樣只有幾密耳之外的螢光屏(3)。它會將電子轉換回光子,抵達目鏡。


1. 光電陰極層(右上圖)
光子會打到只有幾微米厚的光電陰極層,其能量會釋放出電子。對於夜空主要輻射出來的紅光和近紅外線的光頻率,砷化鎵會有強烈的反應。


2. 微道板(右中圖)
微道板有數百萬個微小而偏斜的管道。電子進入管道,在管道壁上反彈。每次碰撞會多產生兩個或三個電子,使原本的數目增加許多倍。有些碰撞產生的正離子會流回光電陰極層,降低效果,因此使用一片薄膜來防止這種情形。遍及平板各處的電壓會驅動電子穿過微管道。


3. 螢光屏(右下圖)
螢光屏受到加速的電子擊中,就會激發磷光粒子,因而發出可見影像,與陰極射線管非常類似。有一片薄膜會防止光子反射回光電陰極層,以免造成破壞性的反饋。


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2003年第19期9月號】


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