夜視鏡工作原理

從70年代初起，由于精密武器系統(tǒng)的擴(kuò)散，改變了現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中的飛行及作戰(zhàn)方式。為了完成任務(wù)并安全返航，現(xiàn)在的現(xiàn)代化空軍相當(dāng)依賴(lài)夜間低空作戰(zhàn)能力，這都需要夜視設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)。

在過(guò)去的30年中，由于夜視技術(shù)的進(jìn)步，許多國(guó)家的空軍憑借夜視鏡（Night Vision Goggle）大幅提升了作戰(zhàn)能力。夜視鏡的典型位置是架在飛行頭盔上，讓飛行員通過(guò)鏡筒觀看艙外景物，也能從鏡筒下的縫隙查看飛行儀表。夜視鏡提供飛行員優(yōu)質(zhì)的夜間視覺(jué)信息，讓他能看清地平線、物體以及地形。

佩戴AN/AVS-6飛行夜視鏡的直升機(jī)飛行員

飛行員夜視鏡通常是一副雙筒接目鏡，內(nèi)部各有一支影像增強(qiáng)管，雙鏡筒的優(yōu)點(diǎn)是兩眼可各自對(duì)焦，提供單鏡筒欠缺的景深。電源由夜視鏡內(nèi)或頭盔后方的電池供應(yīng)，和機(jī)載電源互不干擾。正常使用時(shí)，夜視鏡與飛行員的視線在同一直在線，必要時(shí)用手往上推就會(huì)彈開(kāi)。

夜視鏡是一種影像增強(qiáng)器，高倍率放大微光后在飛行員眼前呈現(xiàn)接近白天亮度的景像。影像增強(qiáng)器依據(jù)光能量放大的原理全被動(dòng)式操作，對(duì)光譜中波長(zhǎng)在600~950納米（紅光及近紅外線）的部分很敏感，會(huì)把該區(qū)間內(nèi)的反射光或發(fā)射光能量放大，送入飛行員的眼睛，這一部分光譜稱(chēng)為夜視鏡反應(yīng)光譜（NVG spectral response）。所以影像增強(qiáng)器在完全黑暗的環(huán)境中沒(méi)有任何作用，得有一些亮光才行。

影像增強(qiáng)器的增強(qiáng)管（tube）工作方式如下：影像先聚焦于一根被稱(chēng)為光電陰極（photocathode）的感光物質(zhì)上，光電陰極根據(jù)光線撞擊的猛烈程度發(fā)射出數(shù)量與撞擊程度成正比的電子，在電極加速下沖向熒光屏（phosphor screen），在屏上產(chǎn)生影像的熒光畫(huà)面，飛行員通過(guò)目鏡（eyepiece lens）觀看。

夜視鏡工作原理

影像增強(qiáng)管的樣子

夜視鏡內(nèi)一般會(huì)有濾光鏡，用于過(guò)濾藍(lán)光和綠光，讓夜視鏡符合光線兼容要求。夜視鏡進(jìn)光量增加會(huì)導(dǎo)致夜視鏡的性能降低，也影響飛行員的夜視能力，所以夜視鏡通常具有自動(dòng)亮度控制（Automatic Brightness Control），當(dāng)進(jìn)入鏡內(nèi)的光線太亮?xí)r會(huì)自動(dòng)降低系統(tǒng)的放大倍率，以保持恒定的畫(huà)面亮度。

夜視鏡的光線放大能力和視敏度（visual acuity）在這幾年進(jìn)步神速，鏡體的重量也輕了許多，掛在飛行頭盔上即使在劇烈機(jī)動(dòng)中也不致于給飛行員造成太大不適。

第一代夜視鏡大約在60年代初期的越戰(zhàn)時(shí)期問(wèn)世，主要用于步兵的夜間觀測(cè)及偵察任務(wù)，分辨率大約是20/80斯內(nèi)倫視敏度（Snellen Visual Acuity，標(biāo)準(zhǔn)視力在白天看景物的分辨率是20/20視敏度；分母越大代表分辨率越差），雖然不是很好，但與未戴上時(shí)的20/200相比已是很大的進(jìn)步了。早期夜視鏡都有所謂“光暈”（blooming）的問(wèn)題，就是飛行員眼中看到的光源會(huì)有月暈現(xiàn)象，導(dǎo)致夜視鏡放大倍率下降，性能也因此衰減。目前最先進(jìn)的技術(shù)已能有效解決這個(gè)問(wèn)題，憑借自動(dòng)且極快速開(kāi)關(guān)電源以及在微通道平板（micro channel plate）鍍上一層離子障壁（ion barrier）薄膜，大幅降低光暈現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的第二代夜視鏡，光筒較小較輕，雙眼鏡筒能提供立體視覺(jué)，最重要的兩根增強(qiáng)管內(nèi)有許多微通道平板，可大幅增加電子的數(shù)量，提供更明亮的外界影像。微通道平板是一片玻璃材質(zhì)、類(lèi)似蜂巢狀的薄板結(jié)構(gòu)，里面約有一千萬(wàn)根極小的中空增強(qiáng)管（稱(chēng)為微信道），彼此相互平行，但與光線光電子射入的方向夾8°的斜角，離開(kāi)光電陰極的電子進(jìn)入微信道后，由于傾斜角的關(guān)系會(huì)先撞擊管壁，撞出管壁中的電子，如此在管壁經(jīng)過(guò)多次的撞擊后造成電子的數(shù)量急劇增加，因此微通道平板就好像是電子倍增器，一個(gè)微通道就是影像中的一個(gè)像素（pixel）。

美軍最常見(jiàn)的第二代夜視鏡是AN/PVS-5，它的圓形視場(chǎng)（circular field of view）為40°，目視分辨率提升到20/55。AN/PVS-5本不是為航空應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，但經(jīng)過(guò)改進(jìn)、搭配與頭盔兼容的面罩后，可掛在美國(guó)陸軍航空隊(duì)的SPH-4標(biāo)準(zhǔn)頭盔上。AN/PVS-5在90年代中后期前一直是美國(guó)陸軍的重要裝備。

AN/PVS-5只能說(shuō)湊活使用在直升機(jī)頭盔上

第三代夜視增強(qiáng)管在80年代初開(kāi)始測(cè)試，80年代末實(shí)用化。第三代增強(qiáng)管使用砷化鎵（Gallium Arsenide）光電陰極，主要對(duì)可見(jiàn)光最頂端的紅光和紅外線加以反應(yīng)。AN/AVS-6飛行夜視鏡使用了第三代增強(qiáng)管，這是第一套專(zhuān)為飛行員設(shè)計(jì)的夜視系統(tǒng)，AN/AVS-6的物鏡（objective lens）組件上有減藍(lán)（minus blue）濾光鏡，工作光譜約在625-950納米之間，阻擋波長(zhǎng)小于625納米的光線，因此夜視鏡看不見(jiàn)座艙內(nèi)的藍(lán)、綠光儀表和照明光線。此種夜視鏡的圓形視場(chǎng)仍為40°，但分辨率則提升到約20/45，并改進(jìn)了瞳孔間距（inter-pupillary）、傾斜度、前后調(diào)整的人體工學(xué)設(shè)計(jì)。AN/AVS-6現(xiàn)在還有許多仍在繼續(xù)服役中。

90年代初期問(wèn)世的AN/AVS-9是AN/AVS-6的改進(jìn)型，增強(qiáng)管的性能更好，焦距調(diào)整方式更順暢，大型目鏡更舒適。AN/AVS-9的圓周視場(chǎng)還是40°，但放大倍率高達(dá)6,000倍，分辨率接近20/25。

A-10飛行員們?cè)谡{(diào)試AN/AVS-9夜視鏡

最新的全景式夜視鏡（Panoramic Night Vision Goggle）用以四支直徑較小的16厘米影像增強(qiáng)管取代傳統(tǒng)的兩支18厘米管，因此可提供95到100°的視場(chǎng)，中央?yún)^(qū)域的視場(chǎng)（水平30°，垂直40°）依然由雙眼籠罩，而左、右最外圍的部分只提供給左、右眼各自觀看。

四眼外觀的全景式夜視鏡

全景式夜視鏡因其優(yōu)良的性能而很快被特種部隊(duì)采用，因獵殺本拉登一戰(zhàn)而名聲大噪

座艙燈光會(huì)干擾夜視鏡的操作，事實(shí)上飛行員如果要高枕無(wú)憂地使用夜視鏡，座艙燈光和顯示器都得與夜視鏡兼容。座艙內(nèi)的儀表背光、無(wú)線電顯示器、主要警告燈、警告燈……等如果和夜視鏡不兼容，那么即便是第三代增強(qiáng)管，微光放大倍率也會(huì)下降，因?yàn)樽摕艄飧蓴_了夜視鏡產(chǎn)生的影像，降低了明暗對(duì)比。解決方法是在機(jī)艙內(nèi)外安裝符合MIL-L-85762A、MIL-L-3009、以及STA-NAG3800規(guī)范的、與夜視鏡兼容的燈光。

夜視鏡兼容燈光的意思是座艙燈光的光譜波長(zhǎng)、顏色、亮度都不會(huì)干擾夜視鏡的操作，兼容光讓飛行員可從鏡筒觀看外界，同時(shí)至少可辨認(rèn)座艙內(nèi)的警告及警告燈。實(shí)現(xiàn)夜視鏡兼容的方法有好幾種：用塑料或玻璃濾光鏡、換用他種光源、去掉座艙內(nèi)的近紅外（near-lR）光，或是以化學(xué)光源（chemical light sticks）作為座艙儀表的背光（flood-light）。

F/A-18E上的可見(jiàn)光/近紅外線雙模編隊(duì)燈，對(duì)夜視鏡友好

夜視鏡必須能夠辨認(rèn)防撞燈、方位燈以及編隊(duì)燈，但在執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)時(shí)，這些燈光又必須是肉眼無(wú)法看見(jiàn)。這種所謂的偽裝（covert）模式燈光就發(fā)出肉眼不可見(jiàn)的紅外光，實(shí)現(xiàn)偽裝燈光的方法有兩種：一、以濾光鏡擋掉可見(jiàn)光，僅讓紅外線通過(guò)；二、以紅外二極管做光源。在其它一些如搜救（Search and Rescue）、編隊(duì)飛行任務(wù)時(shí)，機(jī)外燈光不能偽裝，但仍得與夜視鏡兼容。

要想熟練使用夜視鏡——尤其是在空戰(zhàn)時(shí)——必需經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)挠?xùn)練。即便是最新一代的夜視鏡，視場(chǎng)也只有40°，有些飛行員在剛開(kāi)始時(shí)會(huì)覺(jué)得夜視鏡畫(huà)面幽閉，讓他們對(duì)四周環(huán)境無(wú)法一覽無(wú)遺，但經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)挠?xùn)練及適度掃視四周后，通常都能舒緩這種“以管窺天”的詭異感。

夜視設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)很多，能讓飛行員得以執(zhí)行原本力不從心的任務(wù)。但在優(yōu)點(diǎn)下也暗藏著許多風(fēng)險(xiǎn)，例如有些飛行員對(duì)自己運(yùn)用夜視設(shè)備的能力過(guò)度自信，越來(lái)越多的軍機(jī)事故都可歸咎于使用夜視鏡。雖然可憑借適當(dāng)訓(xùn)練和模擬機(jī)訓(xùn)練來(lái)降低事故率，但夜視鏡訓(xùn)練上最大的問(wèn)題在于飛行員太過(guò)相信自己的眼睛。視覺(jué)是人類(lèi)的主要感官之一，戴上夜視鏡后，人們得以在黑暗中繼續(xù)保持視覺(jué)，導(dǎo)致對(duì)它過(guò)分依賴(lài)而忽略了其它的感官。飛行員從夜視鏡所見(jiàn)的事物并不如他所想象的那么清晰，在低照明度下整個(gè)世界完全走樣，物體的色彩、對(duì)比、質(zhì)地都會(huì)與白日所見(jiàn)大相徑庭，這些限制都需牢記在心。