女子睡醒為何如此疲憊？
新婚夫婦的門為何夜夜被敲？
這背後是人性的扭曲還是道德的淪喪？
本期小編将帶你一起走近科學
對于擁有貓貓的鏟屎官們來說，這些問題的答案可能是：
你家貓半夜又在你的卧室搗亂了。。。
要是你還堅稱貓貓是安分守己的好孩子，那麼我建議你在卧室安裝一個夜視攝像頭，看看你睡着後的小貓咪都在幹嘛。
比如：
你睡着後的貓咪都在幹嘛 來源：沒品圖
當你感歎人生已經如此艱難的時候，生活可能還會随時給你來一記暴擊。。。
這些攝像頭是怎麼在伸手不見五指的時候看清“生活本質”的呢？沒錯，我們今天的主題就是
夜視儀
來源：軍報記者
夜視儀是一種能在黑暗環境下幫助我們看清東西的儀器，它分為被動式和主動式，前者靠接受物體反射的微弱光線并将其增強形成圖像，以微光夜視儀為代表；後者通過探測物體自身發出的紅外輻射形成“熱圖像”，是以又稱為“紅外熱像儀”。
微光夜視儀與紅外熱像儀 來源：sohu & zhihu
1
微光夜視儀
微光夜視儀是目前應用最普遍的夜視産品了，廣泛應用于夜間監控，公安偵察，醫療影像等領域中。
搶鏡“嫦娥五号”的小動物
微光夜視儀可以在極低亮度的環境下，利用火光、月光、星光、大氣輝光等微弱光線或者發射紅外探測光照射物體，物體反射的光通過像增強器放大後轉變成人眼可清晰觀察的圖像，進而實作在夜間對目标進行觀察。
微光夜視儀結構 來源：參考文獻[10]
微光夜視儀的核心部件是像增強器，它主要由光電陰極、微通道闆、熒光螢幕三個部分組成。
像增強器原理 來源：bilibili @中智科儀
光電陰極将微弱的原始光信号通過光電效應轉化成光電子，再通過微通道闆對電子進行倍增，利用二次發射的電子能将光電子數量增加數百上千倍，最後在熒光螢幕 (陽極)上将增強後的電子信号再次轉換為光學信号，讓人眼可以看到。在整個過程中，電子會被外加的靜電場加速，進一步增強信号。
這其中涉及到兩個比較有意思的實體現象：光電效應和電子倍增。
光電效應示意圖 來源：wikipedia
當光子撞擊到光電陰極 (通常是堿金屬薄膜或者砷化镓一類的半導體物質)後，材料會吸收光子的能量，如果這個能量大于這種材料的逸出功，光電子就會被激發出來，這就是光電效應現象。
光電效應現象首次于1887年被德國實體學家海因裡希·赫茲發現。
海因裡希·赫茲 來源：wikipedia
1905年，阿爾伯特·愛因斯坦發表論文《關于光産生和轉變的一個啟發性觀點》，首次利用光量子的概念解釋了光電效應的實驗資料。
愛因斯坦也由于“他對理論實體學的成就，特别是光電效應定律的發現”，獲得1921年諾貝爾實體學獎。
微通道闆MCP 來源：bilibili @中智科儀
另一個有趣的現象是電子倍增。電子倍增是通過像增強器來完成的。微通道闆裡有很多排列整齊的孔道，當1個電子進入孔道并撞擊孔道内壁的二次發射材料時，會誘導大約1~3個二次電子發射。這些電子被外部的電場加速，再次撞擊孔道内壁則會激發更多的電子，這個過程不斷重複，會導緻大量的電子被激發出來。大量的電子通過外電場的加速，撞擊到熒光屏上，再次轉換為光信号。此時的光信号，已經是入射時強度的成百上千倍了。
電子倍增管 來源：wikipedia
2
紅外熱成像夜視儀
來源：google
微光夜視儀固然好用，但在陰天和漆黑無光或煙霧條件下使用效果就不太好了，這時候紅外熱成像夜視儀就派上用場了。
顧名思義，熱成像涉及到“熱”和“成像”兩個方面。熱，一切物體都會向四周進行熱輻射，是以可以通過一定的手段捕捉到這些熱輻射信号，并将其轉化成便于我們觀察的圖像。
熱力學告訴我們，一切溫度高于絕對零度 (-273.15℃)的物體都能産生熱輻射，熱輻射的光譜是連續譜，波長理論上可以從0到∞，而且溫度越高，熱輻射中短波的成分也越多。
我們需要探測的熱輻射波長範圍是多少？在溫度較低時，熱輻射主要以肉眼看不見的紅外光傳播，以人體表面溫度36℃為例，熱輻射強度最大的波長為9371nm，屬于遠紅外波段；當溫度到達幾千攝氏度的時候，熱輻射的波長才會落在可見光波段。顯然，對于我們生活中的物體來說，熱輻射的波長還是在紅外波段。
光譜圖 來源：google
但問題還沒有結束，空氣對于紅外線是有吸收的，且對于不同波長的紅外線吸收程度不同。吸收率小即透射率高的波段稱作“大氣視窗” (在短波、中波、長波譜段，主要的大氣視窗分别為0.7~2.5μm，3~5μm，8~14μm)。我們探測熱輻射的波長還得挑選在大氣視窗之内，否則就做無用功了。
紅外線的大氣視窗 來源：wikipedia
常見的紅外熱成像儀是通過對中長波紅外波段 (9-14μm)的電磁波進行探測和成像的。
紅外熱成像儀結構示意圖 來源：zhihu
與照相機的原理相仿，紅外熱成像儀也有一個用來收集和聚焦紅外光的鏡頭和探測其強度的感光元件。
普通光學鏡頭的材質是玻璃或者樹脂，這些材料是透明的，對可見光的透過性較好，但是對紅外線的透過性極差，而紅外熱成像儀的鏡頭是用鍺玻璃制作的。
鍺玻璃 來源：GW Scientific
鍺玻璃是不透明的，是以在可見光波段不具有透過性。但是，鍺玻璃之是以被稱為紅外熱成像儀的“靈魂”，是因為它在中遠紅外波段(2-16μm)具有很好的透光性能，完美适配波段要求。在實際應用中，還可以通過鍍膜的方式進一步增加紅外線的透過率。
鍺多晶 來源：wikipedia
但鍺屬于稀有元素金屬，鍺礦石的分布非常分散且稀少，高純鍺的提取難度也很大，這些因素都導緻了鍺玻璃的生産成本比較高，是以紅外熱成像儀的鏡頭也比普通光學鏡頭要 貴 不少。
硫鍺鐵銅礦 來源：wikipedia
紅外探測器其實有多種技術實作方案，包括制冷型的和非制冷型的紅外焦平面探測器。後者在絕對性能上比前者稍差，但由于技術的不斷發展，在日常生活中，其成本效益已經遠遠超過了前者。
微測輻射熱計像元結構示意圖 來源：google
紅外探測器的表面布滿了形成陣列的“微橋”，“微橋”由多層材料組成，由上到下分别是紅外吸收層、熱敏層還有起到支撐與電連接配接作用的“橋臂”和“橋墩”。當外界的紅外信号通過鏡頭聚焦到探測器焦平面陣列上時，各個吸收層吸收紅外線能量後會分别産生細微的溫度變化，進而引起各微橋的熱敏層電阻值發生相應的變化，并将這些變化轉換成電信号輸出，經過探測器外的進一步資料處理，我們就能得到反映目标場景溫度分布的可視化圖像。
來源：google
小夥伴們可能會聯想到紅外測溫，在疫情期間進出公共場所的時候，會有一個攝像頭對着我們，而旁邊的顯示器上則會實時地顯示我們的溫度。其實，紅外測溫裝置也包含着紅外成像儀，隻不過相比起成像，還多了一個推算溫度的步驟。
實體所旁邊某水果店
我們在探測器上得到的原始資料，隻能定性地描述測量場景中的熱輻射分布，但并不能給出物體實際的溫度。這就需要我們給物體溫度和輻射資料之間的關系做一個定标，我們通常利用黑體作為基準源。
黑體，是一個理想的實體模型，它能夠吸收外來的全部電磁輻射，并且不會有任何的反射與透射。
開有小孔的腔體可以模拟黑體 來源：wikipedia
考慮到能量守恒，黑體将會把其吸收到的所有能量也同時輻射出來，而普通物體會有反射或者透射造成的能量損失，是以在一定溫度下，黑體的輻射能力是最強的。随着溫度上升，黑體所輻射出來的電磁波則稱做黑體輻射。
普通的物體畢竟不是黑體，這邊我們需要引入一個發射率的概念，發射率指物體的輻射能力與相同溫度下黑體的輻射能力之比，是一個小于1的數，和物體的材質有關。
常見物體的發射率 來源：zhihu
不同發射率的物體在相同的溫度下的熱輻射是不同的，如下圖所示：
相同溫度下，不同發射率的物體 來源：zhihu
相同溫度、不同發射率的物體在紅外熱成像儀上亮度是不同的。是以，我們還需要人為地将我們待測物體的發射率告訴儀器，才可能得到較為準确的溫度值。另外，溫度的測量值還會被測量距離，環境因素所影響，在這裡就不做過多贅述了。
3
未來的夜視
除了不斷地提高各種夜視儀器的性能之外，科學家們已經不滿足于正常意義上的夜視儀器了。想象一下，如果人眼可以突破可見光的限制，直接“看到”紅外波段的電磁波，不借助任何儀器就可以實作夜視，這該有多友善啊。
事實上科學家們已經研發出了一種非常微小的裝置“上轉換納米粒子”，在小鼠身上的測試表明，納米粒子會自動附着在小鼠視網膜的光感受器上，吸收紅外光并将其轉換成可見的綠光。被“增強視覺”的小鼠不僅能感覺紅外光，還能區分研究人員所提供的不同紅外模式。
獲得“增強視力”的小鼠 來源：參考文獻[12]
這種增強的紅外探測能力似乎并沒有幹擾或者取代動物自身具有的視覺能力，且不需要外部電源，能保持長達兩個月的活性。這項技術除了可以應用于本來就需要夜視的領域，甚至還可以為色盲症提供解決方案。
人類對于夜視還在不斷地探索，也許在未來的某一天，人類真的可以不費力地突破自然的視覺限制，以全新的視角來看待這個世界。
參考文獻：
[1] Black-body radiation Wikipedia
[2] Thermal radiation Wikipedia
[3] Thermography Wikipedia
[4] Night vision Wikipedia
[5] 微光夜視儀 百度百科
[6] 熱像儀 百度百科
[7] 非制冷紅外焦平面探測器——熱成像系統的核心，國際角逐的焦點 知乎
[8] 紅外測溫這些事 (熱成像科普系列第二篇) 知乎
[9] 紅外熱成像儀測量體溫的原理與精度限制 知乎
[10] 王麗, 尚曉星, 王瑛. 微光夜視儀的發展. 中國光學期刊網, 2008
[11] 王江安, 肖偉岸, 申林. 海空背景下目标紅外輻射特征分析. 海軍工程大學學報, 2001
[12] Yuqian Ma et al. Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae. Cell, 2019
編輯：小林綠子 & 啵啵蛏
我們是誰：
MatheMagician，中文“數學魔術師”，原指用數學設計魔術的魔術師和數學家。既取其用數學來變魔術的本義，也取像魔術一樣玩數學的意思。文章内容涵蓋網際網路，計算機，統計，算法，NLP等前沿的數學及應用領域；也包括魔術思想，流程鑒賞等魔術内容；以及結合二者的數學魔術分享，還有一些思辨性的談天說地的随筆。希望你能和我一起，既能感性思考又保持理性思維，享受人生樂趣。歡迎掃碼關注和在文末或公衆号留言與我交流！
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