夜視鏡工作原理

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

在過去的30年中，由于夜視技術(shù)的進步，許多國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管，雙鏡筒的優(yōu)點是兩眼可各自對焦，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，和機載電源互不干擾。正常使用時，夜視鏡與飛行員的視線在同一直在線，必要時用手往上推就會彈開。

夜視鏡是一種影像增強器，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。影像增強器依據(jù)光能量放大的原理全被動式操作，對光譜中波長在600~950納米（紅光及近紅外線）的部分很敏感，會把該區(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，這一部分光譜稱為夜視鏡反應光譜（NVG spectral response）。所以影像增強器在完全黑暗的環(huán)境中沒有任何作用，得有一些亮光才行。

影像增強器的增強管（tube）工作方式如下：影像先聚焦于一根被稱為光電陰極（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)生影像的熒光畫面，飛行員通過目鏡（eyepiece lens）觀看。

夜視鏡工作原理

影像增強管的樣子

夜視鏡內(nèi)一般會有濾光鏡，用于過濾藍光和綠光，讓夜視鏡符合光線兼容要求。夜視鏡進光量增加會導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亮度控制（Automatic Brightness Control），當進入鏡內(nèi)的光線太亮時會自動降低系統(tǒng)的放大倍率，以保持恒定的畫面亮度。

夜視鏡的光線放大能力和視敏度（visual acuity）在這幾年進步神速，鏡體的重量也輕了許多，掛在飛行頭盔上即使在劇烈機動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)時期問世，主要用于步兵的夜間觀測及偵察任務，分辨率大約是20/80斯內(nèi)倫視敏度（Snellen Visual Acuity，標準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，但與未戴上時的20/200相比已是很大的進步了。早期夜視鏡都有所謂“光暈”（blooming）的問題，就是飛行員眼中看到的光源會有月暈現(xiàn)象，導致夜視鏡放大倍率下降，性能也因此衰減。目前最先進的技術(shù)已能有效解決這個問題，憑借自動且極快速開關(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)過改進后的第二代夜視鏡，光筒較小較輕，雙眼鏡筒能提供立體視覺，最重要的兩根增強管內(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)、類似蜂巢狀的薄板結(jié)構(gòu)，里面約有一千萬根極小的中空增強管（稱為微信道），彼此相互平行，但與光線光電子射入的方向夾8°的斜角，離開光電陰極的電子進入微信道后，由于傾斜角的關(guān)系會先撞擊管壁，撞出管壁中的電子，如此在管壁經(jīng)過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，一個微通道就是影像中的一個像素（pixel）。

美軍最常見的第二代夜視鏡是AN/PVS-5，它的圓形視場（circular field of view）為40°，目視分辨率提升到20/55。AN/PVS-5本不是為航空應用而設計的，但經(jīng)過改進、搭配與頭盔兼容的面罩后，可掛在美國陸軍航空隊的SPH-4標準頭盔上。AN/PVS-5在90年代中后期前一直是美國陸軍的重要裝備。

AN/PVS-5只能說湊活使用在直升機頭盔上

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

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

A-10飛行員們在調(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厘米影像增強管取代傳統(tǒng)的兩支18厘米管，因此可提供95到100°的視場，中央?yún)^(qū)域的視場（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采用，因獵殺本拉登一戰(zhàn)而名聲大噪

座艙燈光會干擾夜視鏡的操作，事實上飛行員如果要高枕無憂地使用夜視鏡，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管，微光放大倍率也會下降，因為座艙燈光干擾了夜視鏡產(chǎn)生的影像，降低了明暗對比。解決方法是在機艙內(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、顏色、亮度都不會干擾夜視鏡的操作，兼容光讓飛行員可從鏡筒觀看外界，同時至少可辨認座艙內(nèi)的警告及警告燈。實現(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，或是以化學光源（chemical light sticks）作為座艙儀表的背光（flood-light）。

F/A-18E上的可見光/近紅外線雙模編隊燈，對夜視鏡友好

夜視鏡必須能夠辨認防撞燈、方位燈以及編隊燈，但在執(zhí)行戰(zhàn)斗任務時，這些燈光又必須是肉眼無法看見。這種所謂的偽裝（covert）模式燈光就發(fā)出肉眼不可見的紅外光，實現(xiàn)偽裝燈光的方法有兩種：一、以濾光鏡擋掉可見光，僅讓紅外線通過；二、以紅外二極管做光源。在其它一些如搜救（Search and Rescue）、編隊飛行任務時，機外燈光不能偽裝，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——必需經(jīng)過適當?shù)挠柧?。即便是最新一代的夜視鏡，視場也只有40°，有些飛行員在剛開始時會覺得夜視鏡畫面幽閉，讓他們對四周環(huán)境無法一覽無遺，但經(jīng)過適當?shù)挠柧毤斑m度掃視四周后，通常都能舒緩這種“以管窺天”的詭異感。

夜視設備的優(yōu)點很多，能讓飛行員得以執(zhí)行原本力不從心的任務。但在優(yōu)點下也暗藏著許多風險，例如有些飛行員對自己運用夜視設備的能力過度自信，越來越多的軍機事故都可歸咎于使用夜視鏡。雖然可憑借適當訓練和模擬機訓練來降低事故率，但夜視鏡訓練上最大的問題在于飛行員太過相信自己的眼睛。視覺是人類的主要感官之一，戴上夜視鏡后，人們得以在黑暗中繼續(xù)保持視覺，導致對它過分依賴而忽略了其它的感官。飛行員從夜視鏡所見的事物并不如他所想象的那么清晰，在低照明度下整個世界完全走樣，物體的色彩、對比、質(zhì)地都會與白日所見大相徑庭，這些限制都需牢記在心。