编者按：从古至今，人类从未停止过探索未知世界的脚步，认知世界的能力和手段与日俱增。中科院之声与中国科学院空天信息创新研究院联合开设“观天测地”专栏，为大家介绍天上地上探索的那些事儿，带来空天信息领域最新进展，普及科学知识。
在影视作品中，经常有夜间作战行动的镜头。画面中，战士们通过特殊的设备可以在漆黑环境中看清周围场景，这种设备通常称为微光夜视仪。早期微光夜视技术实现难度大，成本昂贵，而且成像距离有限，因此当时的微光夜视仪主要用于近距离作战。随着技术的发展，微光夜视技术逐步拓展至民用领域，成像距离也从近程拓展到中远程，甚至应用到卫星上。
微光夜视，刺穿夜幕的成像利器
微光是对月光、星光、大气辉光、城市灯光等夜晚环境下微弱光照度的统称，其中光照度是用于描述物体被照明的程度。在夜间，由于光照度太低，人类的眼睛对自然界的感知能力受到极大限制。为了突破黑夜的限制，人们想尽各种办法，其中主要分为主动照明和被动增强两大类。主动照明是我们首先想到的容易实现的方法，古代主要是用灯笼、火把照明，现在则主要依靠电气照明；被动增强则是近代才出现的一种技术，微光夜视成像就是一种被动增强技术。
传统的微光夜视技术指利用夜间的微弱月光、星光、大气辉光、银河光等自然界的夜天光作为照明光，借助于图像增强器把地物反射回来的微弱光子放大并转换为可见光图像，以实现夜间成像的技术。
在微光夜视技术中，图像增强器是核心器件，利用图像增强器将夜间微弱的自然光增强几千倍至几万倍。当微弱光通过镜头进入夜视仪后，首先到达光电阴极元件，光电阴极是根据外光电效应制成的光电发射材料，当光照射光电阴极后，就会产生电子飞出来，此时，光被转换成电子。在电场的作用下，电子继续往前走，到达第二个关键元件，叫做微通道板，上面均匀地分布着很多小通道。微通道板是一个神奇的元件，经光电阴极转换的电子进入后会和通道壁碰撞，每次碰撞都能撞出更多的电子，新的电子继续向前碰撞，一个电子进入通道最终会有成千上万个电子出来，于是信号被大幅增强。
增强后的电子到达荧光屏，激发可见光被人眼接收，从而使人眼能够进行正常观察。人眼对黄绿波长的光最敏感，因此这种颜色的荧光屏常常被应用于微光夜视仪，这种画面在影视中十分常见。荧光屏所产生的颜色取决于所采用的荧光物质，当采用硫化锌时，呈现黄绿色；当采用白磷时，则呈现白偏蓝色。
彩色成像，让夜视更真实
前面所述的是传统意义上的微光夜视技术。随着技术不断进步，现在的微光夜视技术除采用不同的光电增强方法外，也采用计算机软件增强方法。目前，根据采用的核心器件不同，可以将微光夜视技术分为两大类，一类是基于图像增强器的微光夜视技术，另一类是基于低照度固态传感器的微光夜视技术。
在图像增强器方面，目前已经先后经历微光零代、一代、二代、超二代、三代、高性能三代和四代等多个发展阶段，对应的微光夜视技术也同步经历多代发展，成像性能也不断提升。传统的微光夜视仪通常采用人眼直接**的方式，无法保存图像用于后续回看和分析。随着器件和工艺技术的发展，开始出现增强电荷耦合器件（iccd），通过在图像增强器的荧光屏后面耦合一个面阵电荷耦合器件（ccd），将荧光屏上的发光图案转换为数字图像，从而进行图像存储和后续处理。但通常情况下，它仍然是单色成像，具有一定的应用局限性。
增强电荷耦合器件原理示意图。
随着传感器性能水平的不断提升，高灵敏度、低噪声的ccd和互补金属氧化物半导体（cmos）固态传感器开始应用于微光夜视设备。由于固态传感器可以实现彩色成像，也有人称之为五代微光夜视技术，可以在夜间获得类似于白天的彩色成像效果。
基于低照度固态传感器的微光夜视技术最大的优点是可以实现彩色成像，同时可以结合计算软件方法实现图像的进一步增强，从而大幅提升夜间的成像能力。由于采用的固态传感器性能存在差异，不同的微光夜视仪所能实现的能力存在差距，应用领域也有所区别。下图给出了两种不同性能微光夜视仪成像结果对比，左图是某商业星光相机拍摄的结果，右图是高性能微光相机拍摄的结果。除了地面应用之外，基于固态传感器的微光夜视技术也被应用于卫星遥感，如珞珈一号卫星和可持续发展科学卫星1号均具备了夜光成像能力。
相同夜间环境下不同微光夜视仪的成像结果。
微光夜视，让夜间行动更便捷
微光夜视技术只需借助自然光即可实现夜视效果，可以适应不同环境，具有更高的适应性。同时，相较于红外夜间成像技术来说，微光夜视仪器的图像更容易辨识。
不过，该技术特别易受周边环境干扰，在遇到强光时无法进行观测。微光夜视仪器的动态范围有限，当黑暗场景中存在强光目标（如灯光）时，强光目标区域周围容易产生饱和，而在低光照区域则比较暗弱；特别是当强光直接照射仪器时会产生全饱和现象，对于传统的夜视仪器，人眼直接观察时容易产生眩晕的感觉。
虽然有这样的局限性，但微光夜视技术大大提升了人眼夜间对周围环境的感知能力，可以为夜间活动提供有效帮助。
夜间应急处理突发情况方面。常用于进行夜间执法行动，如夜间巡逻、搜索和搜捕行动。此外，对于一些夜间突发事件的应急处置，如夜间灾难救援，也可以提供有效保障。
户外活动方面。对于登山、探险以及其他户外活动，可以在黑暗或有限照明的环境中提供成像支持，辅助识别路径、障碍物，并辅助人眼辨别潜在危险。
运输导航方面。可以用于车辆和船只的夜间导航与驾驶，尤其是在微光环境下，可以提供比直接目视更清晰的图像，帮助驾驶员排除道路驾驶安全隐患，减少事故风险。
总之，微光夜视技术在许多领域都发挥着重要作用，辅助增强了人眼的夜间视觉能力，为夜间活动的安全性和效率提供了有效的信息支撑。
**：中国科学院空天信息创新研究院
*：中科院之声】
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