走近科學：女子睡醒為何如此疲憊_風聞

　　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？

　　本期小編將帶你一起走近科學

　　對於擁有貓貓的鏟屎官們來説，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

　　當你感嘆人生已經如此艱難的時候，生活可能還會隨時給你來一記暴擊。。。

　　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並將其增強形成圖像，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”，所以又稱為“紅外熱像儀”。

　　微光夜視儀與紅外熱像儀 來源：sohu & zhihu

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　　微光夜視儀

　　微光夜視儀是目前應用最普遍的夜視產品了，廣泛應用於夜間監控，公安偵察，醫療影像等領域中。

　　搶鏡“嫦娥五號”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，從而實現在夜間對目標進行觀察。

　　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、微通道板、熒光屏幕三個部分組成。

　　像增強器原理 來源：bilibili @中智科儀

　　光電陰極將微弱的原始光信號通過光電效應轉化成光電子，再通過微通道板對電子進行倍增，利用二次發射的電子能將光電子數量增加數百上千倍，最後在熒光屏幕 (陽極)上將增強後的電子信號再次轉換為光學信號，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，進一步增強信號。

　　這其中涉及到兩個比較有意思的物理現象：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 (通常是鹼金屬薄膜或者砷化鎵一類的半導體物質)後，材料會吸收光子的能量，如果這個能量大於這種材料的逸出功，光電子就會被激發出來，這就是光電效應現象。

　　光電效應現象首次於1887年被德國物理學家海因裏希·赫茲發現。

　　海因裏希·赫茲 來源：wikipedia

　　1905年，阿爾伯特·愛因斯坦發表論文《關於光產生和轉變的一個啓發性觀點》，首次利用光量子的概念解釋了光電效應的實驗數據。

　　愛因斯坦也由於“他對理論物理學的成就，特別是光電效應定律的發現”，獲得1921年諾貝爾物理學獎。

　　微通道板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。微通道板裏有很多排列整齊的孔道，當1個電子進入孔道並撞擊孔道內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，再次撞擊孔道內壁則會激發更多的電子，這個過程不斷重複，會導致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，再次轉換為光信號。此時的光信號，已經是入射時強度的成百上千倍了。

　　電子倍增管 來源：wikipedia

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　　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，因此可以通過一定的手段捕捉到這些熱輻射信號，並將其轉化成便於我們觀察的圖像。

　　熱力學告訴我們，一切温度高於絕對零度 (-273.15℃)的物體都能產生熱輻射，熱輻射的光譜是連續譜，波長理論上可以從0到∞，而且温度越高，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？在温度較低時，熱輻射主要以肉眼看不見的紅外光傳播，以人體表面温度36℃為例，熱輻射強度最大的波長為9371nm，屬於遠紅外波段；當温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，對於我們生活中的物體來説，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，空氣對於紅外線是有吸收的，且對於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“大氣窗口” (在短波、中波、長波譜段，主要的大氣窗口分別為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窗口之內，否則就做無用功了。

　　紅外線的大氣窗口 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製作的。

　　鍺玻璃 來源：GW Scientific

　　鍺玻璃是不透明的，因此在可見光波段不具有透過性。但是，鍺玻璃之所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，完美適配波段要求。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

　　但鍺屬於稀有元素金屬，鍺礦石的分佈非常分散且稀少，高純鍺的提取難度也很大，這些因素都導致了鍺玻璃的生產成本比較高，因此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現方案，包括製冷型的和非製冷型的紅外焦平面探測器。後者在絕對性能上比前者稍差，但由於技術的不斷發展，在日常生活中，其性價比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

　　紅外探測器的表面佈滿了形成陣列的“微橋”，“微橋”由多層材料組成，由上到下分別是紅外吸收層、熱敏層還有起到支撐與電連接作用的“橋臂”和“橋墩”。當外界的紅外信號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別產生細微的温度變化，從而引起各微橋的熱敏層電阻值發生相應的變化，並將這些變化轉換成電信號輸出，經過探測器外的進一步數據處理，我們就能得到反映目標場景温度分佈的可視化圖像。

　　來源：google

　　小夥伴們可能會聯想到紅外測温，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温度。其實，紅外測温設備也包含着紅外成像儀，只不過相比起成像，還多了一個推算温度的步驟。

　　物理所旁邊某水果店 

　　我們在探測器上得到的原始數據，只能定性地描述測量場景中的熱輻射分佈，但並不能給出物體實際的温度。這就需要我們給物體温度和輻射數據之間的關係做一個定標，我們通常利用黑體作為基準源。

　　黑體，是一個理想的物理模型，它能夠吸收外來的全部電磁輻射，並且不會有任何的反射與透射。

　　開有小孔的腔體可以模擬黑體 來源：wikipedia

　　考慮到能量守恆，黑體將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，因此在一定温度下，黑體的輻射能力是最強的。隨着温度上升，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温度下黑體的輻射能力之比，是一個小於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温度下的熱輻射是不同的，如下圖所示：

　　相同温度下，不同發射率的物體 來源：zhihu

　　相同温度、不同發射率的物體在紅外熱成像儀上亮度是不同的。因此，我們還需要人為地將我們待測物體的發射率告訴儀器，才可能得到較為準確的温度值。另外，温度的測量值還會被測量距離，環境因素所影響，在這裏就不做過多贅述了。

　　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於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現夜視，這該有多方便啊。

　　事實上科學家們已經研發出了一種非常微小的設備“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，吸收紅外光並將其轉換成可見的綠光。被“增強視覺”的小鼠不僅能感知紅外光，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並沒有干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於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。

　　人類對於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] 非製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] 紅外測温這些事 (熱成像科普系列第二篇) 知乎

　　[9] 紅外熱成像儀測量體温的原理與精度限制 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. 海空背景下目標紅外輻射特徵分析. 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