夜间范围
背景
夜视镜或夜视设备用于在非常低的光照条件下增强人类的视力。有几种类型的夜视镜。红外成像系统，也称为“主动”夜视设备，将红外光聚焦在场景上。红外线超出了人类可见的光谱范围，因此光束本身是无法检测到的。图像转换技术将红外线照射的场景转换为可见图像。热成像系统以类似的方式工作，将物体、人或动物发出的热量模式转换为视觉图像。为战时使用而完善的夜视设备今天也可在市场上买到，被称为“被动”夜视系统。这些系统将在最小光（例如星光）中拾取的图像放大为可见图像。通过被动夜视设备看到的景象可能比肉眼所能看到的亮 20,000 到 50,000 倍。
夜视设备是为军事用途而开发的，在黑暗中看东西是一个明显的战术优势。美国在越南战争和波斯湾战争中使用了夜视设备。城市和农村警察部队也使用夜视设备。在 1990 年代后期，夜视设备找到了更多的商业渠道。它们开始出现在一些高端汽车中，并直接销售给消费者用于娱乐用途。
历史
对夜视设备的研究始于 1940 年代。到 1940 年代后期，美国军方制定了夜视技术开发计划，并在 1950 年代提出了可行的红外观察系统。这是一项主动技术，这意味着它使用定向红外光束。虽然光束本身是肉眼看不见的，但拥有同等技术的对手可以很容易地捡到光束。 1950 年代和 1960 年代使用的红外查看器被称为“第 0 代”技术。
位于弗吉尼亚州罗阿诺克的 ITT 公司（现为 MIT 工业公司）于 1958 年开始为美国军方生产夜视设备。美国国防部于 1965 年成立了自己的夜视实验室，致力于改进现有技术。在 1960 年代，科学家们开发了第一个可行的被动夜视系统。这些设备被称为“星光”系统，因为它们能够拾取和放大只有星光才能看到的图像。它们也被称为“第一代”设备。他们实际上在月光下工作得最好。第 1 代夜视设备在越南战争期间首次用于战斗。
战后不久开发的改进技术导致了具有更好分辨率的更小、更轻的夜视设备。这些更可靠的仪器被称为“第 2 代”。美国军方在 1970 年代和 1980 年代继续开发和完善夜视技术，为武器瞄准具配备夜视瞄准装置并训练飞行员佩戴夜视镜。被动式第 2 代设备能够在非常低的光照条件下产生良好的可见光图像。
“第 3 代”技术是在 1980 年代后期开发的。这些新的夜视设备使用砷化镓作为图像增强管内的光阴极材料。即使在极低光照的情况下，这也能产生更好的分辨率。美国军队在波斯湾战争中广泛使用夜视设备，该技术使军队不仅可以在黑暗中看到东西，还可以穿透灰尘和烟雾。到 1990 年代后期，国防部减少了用于夜视开发的资金，一些制造商开始为该设备寻找消费市场。个人可能会在美国购买夜视设备，但其出口仍然受到限制。
原材料
图像增强管是夜视仪的主要工作部件，由数百万根发丝般的光学玻璃纤维组成。所使用的玻璃是一种特殊配方，可在加热和拉伸时保持其所需的特性。目镜和输出窗口使用光学质量玻璃。 （输出窗口是一个目镜，就像传统双筒望远镜的目镜。）图像增强管中使用的其他材料是磷和砷化镓。管体由金属和陶瓷组成，使用的金属可以是铝、铬和铟。
设计
被动夜视设备的工作原理是通过镜头、图像增强管和另一个镜头发送光线。光通过称为物镜的镜头进入，类似于精细的相机镜头。镜头将光线聚焦到图像增强管中。
管子是夜视设备中最复杂的部分。它是按照精确的规格手工制作的。该管是一个真空管，带有光电阴极、电源、微通道板和荧光屏（荧光屏受电子激发而发光）。阴极吸收光（光子）并将光子转化为电子。通过称为微通道板的超薄仪器，电子在通过管子时会成倍增加数千倍。
标准微通道板的直径为 1 英寸（25 毫米），厚度约为 0.04 英寸（1 毫米）——大约四分之一大小。该板中包含数百万个微型玻璃管或通道。最新的夜视微通道板包含超过 1000 万个通道。当电子通过管反弹时，这些通道会释放更多的电子。为了产生清晰的图像，印版上的通道直径和间距必须一致。然后电子撞击荧光屏。荧光屏将电子图像重新转换为光图像，并将其聚焦在输出窗口上。
整个图像增强管的尺寸可能会有所不同，但成品管可以小到足以装入枪瞄准具或一副军用护目镜中。例如，ITT 目前提供的产品是第 3 代单筒望远镜，长 4.5 英寸（11 厘米）、宽 2 英寸（5 厘米）、高 2.25 英寸（5.5 厘米），包括两个镜头。整个仪器重 13.8 盎司（0.4 千克）。
制造
过程
夜视设备的制造过程很复杂。制造核心部件图像增强管需要 400 多个不同的步骤。制造商在工厂的不同部分同时执行几个主要的工艺步骤。
- 第一个主要步骤是制作光电阴极。制造商可以从分包商处购买用于光电阴极板的预成型玻璃圆片。工人们将一块砷化镓晶片放到玻璃上并加热。这开始将砷化镓熔化成玻璃。
- 然后将部件放入压机中，压机牢固地结合砷化镓基板。
- 然后工人研磨和抛光零件。
- 同时，玻璃微通道板是使用称为二次拉伸工艺的系统形成的。这始于特殊配方玻璃的铸造或挤压铸锭。锭被磨成直径为几厘米的棒。杆被装入另一种玻璃的空心管中。这称为包层。包层玻璃稍后将被蚀刻掉，但它使纤维在拉制过程中更加均匀。
- 现在第一次绘制玻璃。锭垂直悬挂在熔炉顶部。熔炉可能有几英尺高。该炉具有非常精细的温度控制，因此沿其长度的不同点可以保持不同的温度。锭在炉顶被加热到大约 932°F (500°C)。在铸锭底部形成一滴玻璃球，就像从水龙头里流出的水滴。随着球体下落，它会拉下一根直径约 0.04 英寸（1 毫米）的玻璃。这条线在拉伸时会冷却。在炉子的更深处，绞线由牵引机在两侧夹住，牵引机沿着纤维滚动，将其成形为精确的所需直径。切割机将光纤剪成均匀长度（约 6 英寸 [15 厘米] 长）并将其向下传递到捆扎机中。数千根纤维捆绑在一起形成一个六边形。然后第二次绘制该六边形束，从而为两次绘制过程命名。
- 第二次抽奖看起来很像第一次，六边形束悬挂在区域炉的顶部并加热。纤维被拉制成直径约 0.04 英寸（1 毫米）的六边形。由于特殊玻璃保持其横截面特性，因此第二次拉制的纤维在几何上与较大的纤维束相似，玻璃管的蜂窝结构仍然完好无损，整个结构的尺寸只是缩小了。 （各个玻璃管之间的空间现在已减少到百分之几毫米。）第二次拉制产生的光纤也被切割和捆扎，类似于第一次拉制。
- 所得纤维束在真空下加热和加压，从而将纤维融合在一起。此时，纤维束被称为晶锭。为了制作微通道板，将晶锭以稍微倾斜的角度切割成极薄的切片。切片被研磨和抛光。然后用酸蚀刻完成板以去除较软的包层玻璃。移除包层玻璃会打开整个板的通道。然后每块板都涂上镍铬。
- 接下来，在两个表面上设置一层氧化铝膜，以便每个通道都可以携带电荷。这种成品微通道板的直径可以根据其指定用途而变化，但厚度保持在大约 0.04 英寸（1 毫米）。成品微通道板的标准尺寸为直径 0.9 英寸（25 毫米），但它们的直径可以大到 4.9 英寸（12.5 厘米）。
- 接下来，组装荧光屏和管体。屏幕本身是一个小型光纤盘，可由分包商提供。图像增强器制造商必须将屏幕粘合到将其固定在管中的金属部件上，然后涂上荧光粉。屏幕被放入一个法兰中，并用一个称为玻璃料的可熔材料环粘合到它上面。熔块是一种特殊的玻璃化合物，可在高温下焊接到金属和玻璃上。其他金属部件安装在屏幕上，形成一个小的圆形部件。这部分在轨道上通过熔炉传送，熔炉熔化玻璃料，将所有组件粘合在一起。在零件冷却、清洁和抛光后，将荧光粉喷涂或刷到零件上。倒入荧光粉在水中的溶液。荧光粉沉淀在屏幕上，然后将水排出。
- 工人通过将一系列小金属和陶瓷环装配在一起来组装管体。每个环都具有精确的功能，支持将装入管中的不同部件。此时还添加了绝缘体和导体。管体的某些部分由称为铟的软金属制成。组装好的管子穿过熔炉，铟部分熔化并融合，将管子固定在一起。
- 当所有主要部件制造完成后，它们会被手工装入管体中。这是在特殊的洁净室环境中完成的极其精细的工作——在洁净室设施中，工作人员穿着实验室工作服，戴着手套，工作站被塑料布保护。零件机械锁定到位。首先将微通道板锁定在体内。然后工人将电极点焊到带电压的部件上。
- 部分组装的单元被带到称为排气站的设备旁边。在排气站，空气从管中排出，留下真空。在真空下，阴极被插入到位并被激活。一旦这是
简单夜视镜的内部机制。阳极是荧光的，会发光。 （文中将荧光阳极称为荧光屏。）本示波器不使用微通道板来提高图像质量。在更复杂的范围内，微通道板将位于阴极和阳极之间。完成后，主体、阴极和屏幕被压在一起。在高压下，部件之间的铟界面熔断，永久地连接所有元素。 - 接下来，图像增强管经过几个测试阶段，以确保它被激活并在预期参数范围内工作。当显示管正常运行时，工作人员将其连接到电源。然后将管子放入一个称为“靴子”的部件中，它类似于一个简单的塑料杯。这个保护罩形成一个外壳，封装管子以保护它。靴子在真空下关闭并密封。现在图像增强管就完成了。它经历了多轮测试。测试可能因预期用途而异。经过彻底测试的组件然后进入最终组装过程。在这里，它们被装入护目镜、枪瞄准具、双筒望远镜或任何最终夜视产品的外壳中。
质量控制
制造过程中每一步的质量控制对于图像增强管的正常工作至关重要。大型制造商已经完善了流程，以便对每个步骤进行测试或测量，如果零件不符合质量控制要求，工人将无法将零件移至下一步。制造商使用精密的校准设备来测量诸如玻璃纤维的直径、微通道板的厚度以及各种熔炉中的温度之类的东西。分包商提供的材料在进入工厂时进行检查。用于测试的校准设备本身经常进行准确性测试。
最终产品以各种方式进行测试，以确保每个设备都能正常工作。检查每个设备的视觉动作。其他测试可能会显示设备在不利条件下的坚固程度。可能会测试成品夜视设备对冲击和振动的反应，并且可能会进行跌落测试。对于某些军事要求，这些设备可能会经受数天的极端高温和潮湿环境。
副产品/废物
夜视设备的制造可能会产生一些危险废物，因为许多化学品用于清洁和蚀刻。然而，一些制造商已经能够用毒性较小或无毒的化学品替代有害化学品，而且总体而言，现在的制造过程比该技术最初开发时更清洁。影像增强管价格昂贵且生产难度大，因此制造商试图尽可能多地回收废料。如果建造的管子不能正常工作，它将被拆卸并重新使用零件。
未来
夜视行业正在向非军事消费市场开放。虽然价格仍然很高，但随着需求的增加，价格可能会下降，直到技术可以负担得起为止。该技术已被执法和搜救团队使用。随着产品在消费者的价格范围内越来越多，并且由于观看的图像可以被摄像机记录或作为照片，更多的摄影师、野生动物观察者、划船者、露营者和许多其他人可能开始以更具创新性的方式使用夜视技术方法。
哪里可以了解更多
书籍
Palais, Joseph C. 光纤通信。 新泽西州上萨德尔河：Prentice Hall，1998 年。
美国陆军 CECOM。 夜视和电子传感器理事会。 弗吉尼亚州贝尔沃堡：美国陆军 CECOM，1997 年。
期刊
贾斯蒂奇、布兰科和彼得·菲利普斯。 “夜视镜。” 现在的电子产品 （1994 年 10 月）：57。
兰普顿，迈克尔。 “微通道图像增强器。” 科学美国人 （1981 年 11 月）：62-71。
瑞亚，约翰。 “夜视设备的反馈回路。” 军事和航天电子 （2000 年 2 月）：8。
安吉拉 伍德沃德
制造工艺