身体的

在广阔的日光中看到夜晚

很好地看到很少的光线......提供了用夜间视觉装置装备,可以将每个光子转换为电子级联的放大器系统。

Jean-Michel Courty和Edouard Kierlik 对于Science N°481
本文保留用于科学用户
扩增视觉双筒望远镜,

当夜晚落下时,我们看到要区分任何东西,Lynx,猫头鹰和其他动物Nyctalopes看到,他们,完美的环境。他们的眼睛能够利用遗留的小光。但是,由于眼镜,双筒望远镜或超敏感的相机,利用电子系统,可用的光子最少的光子,我们的人类能够模仿它们。

一个非常敏感的眼睛

为了了解这些设备的工作原理,让我们首先与人(或动物)视觉的机制进行弯曲。在半夜,当我们的眼睛完美地习惯了黑暗,我们通过一个月亮的夜晚观察天空,只有一个光子到达我们的视网膜就足够了,以产生由我们的大脑解释的神经信号。这种敏感性使我们能够猜测天空中非常小的闪亮星星,并且更一般地存在非常低的光源。例如,将物体区分开到黑暗中的物体不足。

这种对比对光的高敏感性和无法区分形式的深度黑暗是人眼的生理学,而是适合日光和颜色视觉的生理学。

我们的视网膜的中心部分被锥体覆盖,光感受器,三种类型的倾斜是我们色彩的三色视野的起源。所有其余部分都衬有棍棒,一种类型,导致单色视觉。由于贴纸收集表面远大于锥体,因此它们是确保低光强度视力的人。

这些棍子的操作是信息性的。当光子入射被洛霉蛋白吸收时,棒细胞中存在的光敏颜料,它在70%的情况下引起分子的构象变化的变化,这将导致大量离子的封闭件的链反应触发电池墙的通道。该级联方法的每个步骤涉及形成各分子,其各自催化下一步骤的几十个反应。

因此,单个光子的到达因此阻挡通道,通过接收电池的壁,在一秒钟的一部分中近1亿离子。它足以生下一个大约半丘的电力强度的神经信号(0.5×10-12安培)。

通过光电效应转换光子

受这些机制的启发,是否无法制造将光子到达转换为可测量的电信号的设备?这正是一个光电倍增物所做的。第一步是将入射到电子中的光子转换为电子。为此目的,可以使用光电效果:当光子到达金属板时,如果光子的能量大于阈值,则可以吸收并弹出材料的电子,其中名为Exit工作,这量化了强度金属的自由电子与后者的晶体网络之间的连接。

对于铝或锌,该阈值是4个电子源的顺序,其对应于紫外线。如果要检测到可见光(每光子的2个电子校长的顺序),则具有较低输出工作的材料。用于此目的的第一材料是在1929年,银,氧和铯(Ag-O-Cs)的化合物。它检测300纳米和1,200纳米之间的波长光,或所有可见光谱以及近红外线。

已经开发出适应于频谱不同部分的许多材料。最多使用碱性原子(钠,钾,铯......)或半导体(碲,铟,砷,镓......)。实际上,这些材料的一层层在真空电池的玻璃壁上。

那么从金属撕裂这种独特的电子撕裂的情况下该怎么办,现在在空隙中移动?它在第一电极上加速并沉淀。随着百伏的加速电压,它获取足够的能量(约100个电源......),使得对电极的影响成为后者的撞击。然后重复该过程:这些电子再次加速到第二电极,每个电子产生5个新电子。等等十几次。在12层叠的光电倍增管中,最终的电子数量为51210.8,随着视网膜细胞吸收光子的电荷在光子的吸收中移动相同的数量级。该电荷足以通过电子方式运输和处理。

因此,解决方案似乎获得了......提供了您不担心光电倍增管的大小,这是几厘米宽而宽。所有这一切都相当于单个像素!幸运的是,自20世纪70年代以来,有多少钱:微通道蛋糕,相当于微米光电倍推网络。

小型化光电倍增物......并乘以它!

这些蛋糕包括高电阻材料,2毫米厚,由微观运河网络刺穿。这些具有十几个微米的直径,远离彼此约15微米。然后将Galette的两个面达到超过1000伏的潜在差异。鉴于材料的高电阻,沿着每个微通道的壁循环的电流非常低,并且电电位从一端线性增加。

这就是为什么微通道的表现类似于PhotoMultiplier阶段的连续版本。当电子电时垂直于蛋糕的前面板时,它有很好的机会冲进微通道。当一个角度刺穿一个时,电子必然在运河开始时撞击墙壁。如果先前加速了,其能量足以撕裂多个电子。后者,因为在运河中统治着强烈的电场,取得速度并进一步击中墙壁。它们中的每一个反过来撕裂了几个电子;等等。找到光锁相机构,在输入和输出之间的增益为10,000。通过将两种蛋糕放在另一个之后,可以达到几毫米的厚度达到100万的总增益。

为了完成该装置,可以通过光电效应放置电子发射电子的材料,并且在薄磷屏幕上发射电子的薄磷屏幕。被微通道被引导的电子,在磷光屏上形成的光图像是入射图像的放大副本。因此,眼镜,相机和其他夜视双筒望远镜由透镜构成,该透镜在光放大装置的前面形成图像,以及目镜,其允许可视化在磷屏上形成的图像。

显然,通过这些机制,我们总是得到一个单色夜视。但这种缺陷可能不是最终的:法国公司Photonis最近拥有具有新型CMOS的传感器的相机(互补金属氧化物半导体与摄像机相同类型的组件),其中四分之一像素用于测量颜色,而另一个三个季度提供图像。然后,算法重建彩色图像。对应物是,传感器对CMOS的敏感性不等于微通道蛋糕的蛋糕:这些相机不是太黑暗的夜晚。

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