備役中校　魏楞傑
摘　要
現代戰機廣泛採用的新科技中，包括了一極為特殊的空電部分，就是眾所週知的視訊空電，它是在夜間或能見度不佳的情況下，讓飛行員只要一抬頭，就能對外界及各種資訊一目了然的各種系統和裝備。
在1950年代以前，戰鬥機上配備的機電式電子裝備簡單、可靠、便宜，但飛行員在執行低空或高速飛行任務時，要完全依賴機上儀器提供飛行及導航數據，這些裝備就非常不稱職。1950年代中期第一代高性能噴射戰鬥機問世後，這種現象尤其明顯，由於機上的各系統及相關儀表都比以往複雜，飛行員低頭閱讀儀表所耗費的時間較久，對他要控制飛機姿態明顯不利，而且大幅增加低高度飛行的危險性。
解決這個問題的方案就是抬頭顯示器(Head Up Display)，它是一部光電顯示系統，讓飛行員不需環顧座艙四周的儀表，就能獲知各感測器及武器系統的基本數據和資訊。所有的抬頭顯示器工作原理都一樣：座艙內飛行員視線正前方有一片複合玻璃(combiner glass)，一具陰極射線管(Cathode Ray Tube)將焦距定在遠處的符號及圖像投射在此片玻璃上，飛行員注視機外情況時，同時能由玻璃上讀取速度、高度、姿態、航向、武器瞄準方向…等等的戰鬥資訊。這套裝備對戰機作戰非常重要，而且能大幅提升低高度飛行任務的安全性。
抬頭顯示器
抬頭顯示器包括下述各次系統：
．一具陰極射線管
．一部數位計算機
．一片複合玻璃，稱為飛行員顯示單元(Pilot Display Unit)
．一組平行透鏡
．一片控制面板，置於顯示單元的下方
．其他次系統；如：發電機、接收感測器數據的介面單元、根據外界明暗自動調整圖像亮度的電腦系統…等。
計算機的主要功能是呈現圖像、數據處理、以及控制陰極射線管，它接收介面單元送來的數據，經過處理後，產生訊號控制陰極射線管內的電子束，再透過一組平行透鏡和一片半透明鏡，在顯示單元上產生圖像。顯示單元對於外界射入的光線來者不拒，但僅有來自陰極射線管的光線，會部分反射進入飛行員的眼中。
複合玻璃的下方有許多按鍵，用來選擇各種不同的顯示模式、調整影像、更換圖像(導航、空對面、空對空)、調整亮度和對比。如果抬頭顯示器融入整合式空電系統內，則按鍵還會賦予控制的功能。
抬頭顯示器最重要的規格項目之一，就是顯示資料的更新率和清晰度，其中圖像是很精細的一部分。抬頭顯示器是否精準、正確，取決於三個基本層面：顯示單元在座艙內的確切擺設位置、數據及圖像的計算和投影定位、由透鏡瑕疵造成的光學扭曲。這三個層面全部可能的誤差總和，不能超過0.050°~0.060°。另外亮度的調整也很重要，如果圖像太亮，會分散飛行員對外界的注意力；如果太暗，則又會看不清楚。現在的抬頭顯示器都可由手動或自動方式來控制亮度，在飛行員的眼睛靈敏度和整體可見度下，取得最佳的明亮度。
作戰運用
■ - 對地攻擊
現今的抬頭顯示器，都與飛機的攻擊／導航、感測器／武器操作系統整合在一起，在攻擊預定的地面目標時，飛行員事先把目標的位置相關資料輸入電腦內，在武器瞄準模式選項(Weapon Aiming Mode Selector)上選定攻擊模式，並選定想使用的武器種類。
戰機起飛後，導航系統會在抬頭顯示器上呈現保持戰機航道及高度所需的全部數據及控制資料。接近目標時，抬頭顯示器會自動改變顯示模式，開始顯示有關目標區上空滯留時間(Time Over Target)的訊息，同時繪出一直線代表武器投擲後的飛行路線，以及持續計算後撞擊點(Continuously Computed Impact Point)，另外還有一些圖像顯示目標的位置以及雷射測距／標定儀所瞄準的方向。飛行員將雷射儀指向預先計算的目標位置後，飛機本身的姿態數據和目標距離會直接傳送到攻擊／導航系統，以修正位置計算誤差，當計算後的撞擊點與目標圖像重疊時，武器就會由手動或自動模式來投擲。這樣一來，即使是傳統的炸彈，轟炸誤差也會大幅降低。在載機每小時1,000公里的飛行速度下，投擲炸彈延遲或提前0.2秒，轟炸點誤差都會超過50公尺以上。
投擲炸彈後，抬頭顯示器會馬上提供訊息，建議如何及何時拉起機頭，以避開破片及彈片，然後會再度變換呈現的資料，提供返回基地或是攻擊下一個預定目標的訊息。
若飛行員在戰鬥任務過程中奉命攻擊未預定的目標，他可以先選定攻擊模式和使用的武器。在這種作戰模式下，抬頭顯示器會顯示武器的軌跡和預定撞擊點，但無從顯示電腦一無所知的目標位置訊息，飛行員得駕馭著飛機，讓撞擊點圖像與肉眼判定的目標相重疊，然後以人工方式投擲炸彈。不過，現代的空電系統已允許在飛行任務過程中，利用資料鏈(data link)把計畫外的目標資料輸入電腦內。
■ - 空對空纏鬥
抬頭顯示器的電腦記憶體內，存有戰機在不同速度、高度、負荷因子下，機載飛彈的飛行包絡線，當目標落入飛彈的飛行包絡線內時，瞄準線上就會出現一個明亮閃爍的菱形準星，準星旁有一環繞移動的直線代表飛機與目標的距離，線上有參考標誌顯示最近和最遠的接戰距離。目標位置由一隨著雷達方位而移動的小方框表示，而距離、速度、加速度的數據，則以文數字的方式顯示在抬頭顯示器的四周。
使用機砲時，抬頭顯示器會顯示一個很類似陀螺瞄準系統的十字圓圈，飛行、導航的資料出現在抬頭顯示器的四周，目標距離以數字的方式出現在抬頭顯示器的一邊。除了機砲瞄準準星圖像外，抬頭顯示器還可顯示許多先進的火控計算數據，譬如：它能考量目標的距離、載機相對於目標的速度／高度、載機在三度空間內不同的滾轉速率及加速度、載機機砲軸線和機身軸線的距離，計算出砲彈沿著射擊軌跡的偏折情況。除了計算及顯示彈著點外，抬頭顯示器也可顯示一條「追蹤線」(tracer line)，呈現砲彈的即時軌跡，將此追蹤線加上時間座標後，就是「持續計算撞擊線」(Continuously Computed Impact Line)。有了這些資料，飛行員就能將抬頭顯示器的數據與自己的判斷相統合，在敵我纏鬥、各種數據急遽且不停改變的當時，這點特別重要。
空戰時，有關武器瞄準的特定功能及呈現模式，會和基本飛行參數及導航參數（如：飛行水平儀、姿態、速度、高度、航道校正…等）的標準顯示方式相結合，而其他的參數，如：馬赫數、大氣壓力、滑移角度…等，則是在飛行員有需求時，才會以數字的方式呈現。有些抬頭顯示器還能顯示燃油消耗率，或是在降落時啟動次要功能，顯示下滑角及儀器降落系統(ILS)的圖像。
■ 即時視野
夜間低空飛行作戰時，抬頭顯示器必須整合飛行／導航參數與火控數據，並顯示前視紅外線(Forward Looking Infra Red)所掃描到的外界情況。馬可尼空電公司(Marconi Avionics)為A-7E海盜二型(Corsair II)攻擊機發展了第一套具備此種功能的抬頭顯示器，並於1978年開始交貨。這套抬頭顯示器的一大進步是具備了有限、但精確的夜間攻擊能力，不過它的視野(Field Of View)不寬，造成很大的拘限。早期的抬頭顯示器在飛行員頭部不動的情況下，飛行員的瞬時視野(Instantaneous FOV)大概是水平方向15°，垂直方向13°，顯示的外界範圍非常小。
瞬時視野的大小，取決於光學組件中的透鏡直徑，以及複合玻璃到飛行員眼睛的距離，後者來自抬頭顯示器得避開彈射椅，還得讓飛行員能操控抬頭顯示器下方的各種儀器。一些現役戰機(如：F-16)的飛行座椅向後傾斜，飛行員眼睛到複合玻璃的距離又遠了一些，讓這個問題更加難解。有人企圖用較大的透鏡來改善瞬時視野，但卻未能成功，因為如此一來，抬頭顯示器也得等比例變大，這時為了避開彈射椅，又得放得更遠一些。
雖然有著這些困難，馬可尼公司仍在1995年為F-16的壽限中期性能提升(Middle Life Upgrade)專案發展了一套大型的全像式抬頭顯示器，垂直視野18°，水平視野20°。
全像式抬頭顯示器
無論製造工藝和設計多麼精巧，傳統的光學技術在抬頭顯示器的視野和圖像明亮度上，還是有來自複合玻璃和光學系統難以克服的限制。如果要讓飛行員看到既清晰又明亮的圖像，產生圖像的陰極射線管就得夠亮，不過若反射圖像的複合玻璃反射性很差，陰極射線管再亮也無濟於事。這個問題的癥結在於複合玻璃除了反射性外，還得有良好的透光性，讓飛行員能看清楚外界，不幸的是反射性和透光性縱然不見得互相排斥，但卻是截然不同的性質，因此得彼此互相妥協，所以圖像的顯示明亮度也就有限。
幸好根據光線繞射所發展的新科技，已能克服這些困難，讓抬頭顯示器有了更好的功能。在休斯公司(Hughes)率先下，一些光學顯示系統製造廠商，如：愷瑟航太電子(KaiserAerospace Electronics Corp.))、飛行動力(Flight Dynamics)、史密斯(Smiths)、馬可尼空電、泰勒士空電(Thales Avionics)…等，開發生產了新的繞射光學抬頭顯示器，它們的亮度極佳，水平視野約在30°左右，重量及體積也比較小。
在繞射光學抬頭顯示器裡，一組記錄有光波干涉型態的光學元件，取代了傳統的透鏡和反射鏡組合。在產生光學圖像時，就是將某一點射來的光束加以偏折後，讓它全部通過另一點，以往這項工作是由透鏡組擔綱，它利用折射將光線偏折，並利用光線通過折射率不同(如：透鏡組中的玻璃和空氣)的介質，來改變光的速度。現在這個工作由一錄有光波干涉型態的纖細條紋狀光柵所取代，它用繞射而非折射的方式來偏折光線。光波干涉型態相當於一種濾網，把它刻在某種介質上，就成為一組能改變介質折射率的調節器。筆狀粗細的光束通過此介質時會彎折，彎折的精確度取決於三個因素：光柵濾網格的粗細、光束和光柵的夾角、光束的波長。
經由改變光柵上各點的距離及角度，可設計出一種和以往透鏡組合同樣功能的裝置，不過，要製造這種光柵並不容易，因為它的精確度要求極高。單色陰極射線管內，用來產生圖像的綠光波長大約是0.55微米(microns)，光柵的網格距也必須大約是這個尺寸，由此可大致瞭解製造過程的複雜，因此後來出現了全像攝影(holography)。
全像攝影是讓全像片(hologram)來擔任光學系統。在一張感光底片上把兩道光波的干涉型態記錄下來，這就是全像片。很明顯的，要讓全像片成為平面光源，得先有所需的兩光波干涉型態，並錄在感光底片上，經過沖洗後，上面會有折射率各不相同的細條紋，那就是我們需要的光波干涉型態。在這整個製造過程中，最困難的是用來記錄的介質得控制在很高的解析度。由於產生全像片的儀器在這方面有光學上的極限，因此全像片無法完美無瑕。
雖然全像片的製造過程很複雜，但成品卻具有多項的優點：以全像片取代原先用的透鏡組合，減省了許多重量；另外，一些很難或是實際上根本不可能做的光學裝備，如：球面透鏡組合，就因此而能實現；此外抬頭顯示器的光學性質，也不會被全像圖底片的表面形狀所拘限。就抬頭顯示器而言，全像片為生產大型、非平面式的複合玻璃開闢了一條大道，複合玻璃和陰極射線管之間，則插入一片中繼透鏡，以避免加大陰極射線管的尺寸，同時可修正複合玻璃先天的光線色差。這種和以往截然不同的全像複合玻璃，提供的瞬時視野可達到20°*30°以上。全像片就像是一個頻譜過濾器，陰極射線管所發出的光線中，以可見光波長為中心的一小波段光線會被它全反射，其餘的波段則全部放行。全像片對選定波長的光線可有90%的反射比(reflectivity)，以及接近80%的透射比(transmittance)，因此全像式抬頭顯示器的圖像，都比傳統型來得明亮。
新世代戰機幾乎都採用全像式抬頭顯示器，JAS 39鷹獅號(Gripen)使用的是愷瑟公司的產品，視野為20°*28°；F-16C上的全像式抬頭顯示器視野達17°*30°，是GEC空電公司(GEC Avionics)根據該公司參與美國空軍夜間低高度導航定標紅外線系統(Low Altitude Navigation and Targeting Infrared System for Night，LANTIRN)計畫的心得發展而成。飆風(Rafale)戰機上所使用的全像系統，由泰勒士空電開發，該公司所發展的抬頭顯示器系統與眾不同，結合了抬頭、平視、俯視的功能，一些有用但不太重要的任務數據，不顯示在飛行員的前方視角內，而是在稍微低頭的視角處，並將圖像的焦距定在遠方，飛行員在抬頭與低頭觀看時，不需調整眼睛焦距，避免眼睛因焦距變換而產生短暫的失焦現象。
全像式抬頭顯示器日益普及，歐洲戰鬥機(Eurofighter)上的系統，是由馬可尼公司領軍的團隊開發及製造，此系統僅有一片複合玻璃，即使在最強烈的陽光下，也有很好的顯示效果。F-22猛禽號(Raptor)戰機上的抬頭顯示器，由美國空軍儀器飛行中心(US Air Force Instrument Flight Center)開發，由GEC空電公司製造，視野達25°*30°。
不過美國最新發展的F-35聯打機(Joint Strike Fighter)座艙內沒有傳統的抬頭顯示器，而代之以全景式座艙顯示器(Panoramic Cockpit Display)。這個橫置式顯示器由二部寬10英吋、高8英吋的高亮度觸控式(touch screen)液晶螢幕所組成，大白天也可清晰閱讀，夜間作戰時還能與夜視鏡相容。
全景式座艙顯示器讓飛行員擁有更大的顯示畫面，整個畫面劃分成戰術、感測器、系統、武器訊息四區，由飛行員依照個人喜好，選定各區的畫面大小及種類。畫面最上方1英吋用來顯示功能控制按鈕，最大的單一顯示畫面是10英吋*7英吋，佔了全部顯示畫面的一半，通常會用來顯示週遭空域的戰術狀況，顯示距離由18.5公里到1,185公里可自由調整。在畫面上以藍色符號代表飛機本身及僚機，空中及地面的目標以不同的顏色分辨敵我：友軍是綠色，敵軍是紅色，不明者黃色。
空中目標在畫面上是個棒棒糖的圖案，當圓形部分為中空時，表示僅有自己機上的感測器偵測到目標；為實心圓時，表示是由其他空中載台偵測到，由資料鏈傳來的目標；為半滿圓形時，表示自己和其他空中載台皆已偵測到此目標。棒棒糖的棍子部分，剛開始是一未與圓形接觸的垂直直線，當感測器開始鎖定目標時，直線會拉長向圓形靠近，但還是保持未接觸的狀態，一旦直線碰觸到圓形，就表示目標已被鎖定，最佳的攻擊時機已經來到。
雖然配上全像複合玻璃的繞射光學抬頭顯示器，在性能上已有相當的進步，但視野仍然嫌窄，特別是在執行夜間任務時，這個問題尤其突顯，因為此時要了解黑漆漆機外情況唯一的窗口，僅有由前視紅外線或低光度電視(Low-Light Level TV，LLLTV)在複合玻璃上顯示的影像。這時即便是先進的抬頭顯示器，所顯示的是飛機前方有限的視野，無法提供全面的視景，只要飛行員轉個頭，看到的就是一片漆黑；另外，最新世代戰機上的空對空飛彈，具備著大離軸角度的接戰功能，但抬頭顯示器卻未能充分發揮這項戰力。
頭盔式顯示器
要解決抬頭顯示器視野有限的問題，最直覺的想法是把顯示裝備整合到飛行員的頭盔上。由於電子零件的不斷微型化，如今這個想法已能美夢成真。這種產品的雛形就是頭盔瞄準器(Helmet Mounted Sight)，它讓飛機及武器系統的感測器，都指向飛行員注視的方向，另外，還能以適當的圖像，警告飛行員注意視野外的目標。首具上機執行作戰任務的此種產品，是漢尼威爾(Honeywell)的AVG-8目視目標攫取系統(Visual Target Acquisition System)，用在美國海軍後期的F-4幽靈二式(Phantom Ⅱ)戰機上，共約生產了500套。不過系統中用來搜尋飛行員頭部和眼睛位置的感測器，就重達0.8公斤，讓飛行員在做高G值動作時非常不舒服，因此F-4除役時就一併淘汰了。
到了1980年代初期，由於電子零件進一步的微型化，加上有了新材料，這些舊觀念遂重新興起，現在已有好幾項產品問世，它們除了具備瞄準的功能外，還能藉由非常先進的顯示系統，顯示各式各樣的數據。典型的範例就是由以色列艾伯特公司(Elbit Ltd.)生產，並由以色列空軍用於F-15、F-16和F-4上的顯示瞄準頭盔(Display And Sight Helmet)，它包括四項主要子件：感測器、計算機、控制面板、天線。座艙罩下有一具微型化的發射機，配合頭盔上的一具接收機，可判定飛行員頭部的位置；頭盔和機上的導航系統、雷達、抬頭顯示器、飛彈的尋標器皆連結在一起，飛行員從頭盔上可看到目標的位置和距離、飛彈有效發射區、飛行資訊(速度、高度)、以及各種警告信息。
以顯示瞄準頭盔的科技及特點為基礎，艾伯特公司和美國愷瑟公司合組的視訊系統國際公司(Vision System International)，開發了聯合頭盔瞄準系統(Joint Helmet Mounted Cueing System)，現正進行系列生產，美軍在伊拉克戰爭中首次使用，飛行員透過該系統就能獲得快速發現和指示目標的能力。飛行員只需把頭盔顯示窗上的瞄準十字線放在目標上並按下按鈕，就能迅速進行武器和感測器瞄準，以導引和攻擊空中或地面目標，不僅使飛行員和飛機具有更大的殺傷力，且因本身暴露於敵人火力的時間減少，也具備更好的生存能力。
聯合頭盔瞄準系統還能顯示飛機的高度、空速、G值和攻角，以及戰術信息，增加飛行員對其飛機態勢和戰鬥情況的覺知。美國的第一線戰機，如：F-16、F/A-18、F-15、F-22皆已選用此系統，有些國家的F-16也藉由壽限中期性能提升(Middle Life Upgrade)納入此裝備，它讓大離軸飛彈(如︰最新世代的AIM-9X響尾蛇飛彈)可瞄準飛行員視線注視處，因此飛行員僅需看著目標就能接戰、鎖定及發射飛彈。
簡單來說，頭盔瞄準器的工作原理是量測飛行員的水平、垂直視線改變量，並將此數據傳送給機上的感測器(雷達、慣性導航、前視紅外線、目標莢艙)和武器系統，通常這是由一具固定在座艙罩上的發射元件，搭配頭盔內一具微型感測器來共同完成。當飛行員移動頭部時，發射元件所產生的磁場會改變，微型感測器察覺此變化後，送出訊號驅動各感測器及武器指向一致的方向。另外一種方式是使用光電發射機、光電接收機。
頭盔瞄準系統所顯示的資訊，基本上有個瞄準準星線，還有飛控及感測器／武器管理所必需的資訊。頭盔瞄準系統和抬頭顯示器一樣，顯示的圖像及文字焦距是定在遠處，頭盔內的顯示系統包括光源及一組傳統式透鏡，讓影像能投射在複合玻璃或是遮陽罩的一角，光源通常是發光二極體(LED)。微型化的陰極射線管也能充當光源，這樣圖像的顯示會更清晰，但和頭盔系統整合比較困難。
頭盔瞄準器有許多優點，但就像抬頭顯示器一樣，若考慮要有較大的視野及較佳的亮度，則傳統的光學透鏡最好是以繞射全像透鏡來取代，而且最新的頭盔瞄準器還需能顯示由前視紅外線及低光度電視攝影機所產生的圖像，在這些因素的影響下，頭盔顯示器迅速取代了頭盔瞄準器。
頭盔顯示器的演進
完整的頭盔顯示器，應具備下述的功能：
- 顯示飛行及戰鬥管理所需的圖像。
- 判定飛行員的視線方向(Line Of  Sight)，並依此提供最重要的感測器及武器。
- 不論何種能見度下，顯示外界的影像。
- 保持傳統頭盔的功能：保護飛行員頭部，可連接無線電及氧氣面罩。
整套系統的重量不能超過2公斤，1.5公斤最佳。系統功能中最重要的一項是視野大小，以目前的科技水準而言，視野每增加10°，重量大約會增加0.2公斤，在長時間任務或是高G值飛行動作下，這些重量會對頸部脊椎形成負擔，因此頭盔顯示器要儘可能貼緊飛行員的頭部。
早期的頭盔顯示器非常昂貴，而且功能不佳：影像模糊、解析度差、亮度黯淡、對比低劣、重量不輕…。但相關科技進步得很快，率先把頭盔、頭部追蹤器，以及顯示器設計成單一系統的整合式頭盔系統，稱為「整合式頭盔顯示瞄準系統」(Integrated Helmet and Display Sighting System)，美國陸軍航空隊(US Army Aviation)使用非常成功，也促成新世代整合式頭盔系統計畫的風行。最新的頭盔顯示器能提供80°*125°的視野，而且飛行員還能操控傳統的儀表。影像源可以裝在頭盔上，或是與頭盔分開，前者較常用，不過若要有高解析度和廣闊的視野，影像源勢必不能太小，非得用獨立式的不可。頭盔上的影像源通常是單色陰極射線管，因為它與數位濾波器配合下，在性能、重量、尺寸上，能取得最佳的平衡。
不過，雖然陰極射線管已經小型化，但它的重量、尺寸、電源需求、高正極電壓、產生高熱仍是缺點，因此目前正在開發及測試中的影像源有：平板(Flat Panel)顯示器、液晶顯示器、電冷光(Electroluminescent)顯示器、發光二極體顯示器、場發射(Field Emission)顯示器、真空螢光(Vacuum Fluorescent)顯示器、電漿(Plasma)顯示器、微鏡片裝置(Micro-mirror Device)顯示器。這些試驗性新產品的尺寸小、電力及電壓需求低、產生熱量少、重量輕，對尺寸、重量、電源要求很嚴格的頭盔顯示器極具吸引力，平板顯示器尤其有望成為民航抬頭顯示器的迷你影像源，因此美國國防先進研究計畫署(Defense Advanced Research Projects Agency ，DARPA)已提供經費展開研究，開發及整合平板電腦科技到下世代的頭盔顯示器內。 
在引進人工智慧及光纖傳輸科技後，預期未來頭盔顯示器會有革命性的發展，頭盔顯示器和各種感測器間的整合程度會更好，並有更高的資料更新率，以及智慧型的資訊顯示。目前飛行員在轉動頭部時，武器及感測器回應時的慣性延遲現象，將來也會獲得完全的解決。
在這方面很重要的一項發展，就是視訊國際公司為F-35閃電二型(Lightening II)－第一架無抬頭顯示器的現代戰機－發展的頭盔顯示系統(Helmet-Mounted Display System)。事實上，當飛行員視線與瞄準線方向一致時，它就是F-35的虛擬抬頭顯示器；當飛行員視線逸出瞄準線方向時，藉由圍繞機身的6個分佈式孔洞系統(Distributed Aperture System)紅外線感測器和頭盔夜間面罩感測器，頭盔顯示系統會提供中波及近紅外線影像，並顯示類似抬頭顯示器上的飛行性能數據、威脅資訊、目標瞄準圖像。頭盔顯示系統以內建的低光度感測器進行夜視，必要時還能以分佈式孔洞系統影像呈現週遭360°的情況，系統使用的圖像和現役聯合頭盔瞄準系統的完全相同，但把陰極射線管換成主動式矩陣液晶投影器，頭盔左、右各一具，分別投射影像及圖像，由鏡片將夜視影像中繼到面罩，提供40°*30°的雙筒視野。第一套原型系統內有一支由ITT企業(ITT Industries )量身訂做的16毫米直徑影像強化管(Image Intensifier Tube)，以電極耦合元件(Charge-Coupled Device)儲存影像視訊，由頭盔外兩眼上方的光學管投射到面罩。
夜視鏡
以往少有戰機能在夜間順利遂行任務，即使具有夜戰的能力，也是依賴昂貴的空用雷達和紅外線定標系統，而這些系統卻有明顯的作戰限制。現在，夜視顯像系統(Night Vision Imaging System)提供戰機一項有效、低成本的夜戰能力選項，由於具有真正的夜戰能力後，等於讓戰機執行任務的時間加倍，因此夜視顯像系統的改良，迅速被認定是空軍戰鬥機的「戰力倍增器」。
由1960年代晚期開始，一些國家的地面部隊開始使用夜視顯像系統，之後許多軍機上也開始有所謂的夜視鏡(Night Vision Goggle)，它是一雙筒視覺裝置，架在飛行員頭盔上，懸於眼睛的前方，不過一直到最近這幾年，才成為高性能戰機夜間作戰最具成本效益的最佳工具之一。夜戰系統除了夜視鏡外，還包括為符合作戰需求而做的機上燈光改良，事實上，光戴上夜視鏡並不構成夜戰的能力，飛機內部座艙及機外燈光都需要改良，才真正具備執行任務所需的全夜視功能。
■ 夜視鏡原理
夜視鏡是一種影像強化器，高倍率放大幽暗的燈光，在飛行員眼前呈現一接近白天亮度的景像，讓他得以在夜晚世界中，順利遂行與白天相同的戰術動作。
影像強化器依據光能量放大的原理，全被動式操作。強化器對光譜中波長在600-950奈米（紅光及接近紅外線）的部分很敏感，會將此區間內的反射光或發射光能量放大，送入飛行員的眼睛。影像強化器在完全黑暗的環境中沒有任何作用，它得有一些亮光才行。
影像強化器的光管(tube)工作方式如下：影像先聚焦於一稱為光陰極棒(photocathode)的感光物質上，光陰極棒根據光線撞擊的猛烈程度，發射出數量與撞擊程度成正比的光電子，在電極加速下衝向磷光屏(phosphor screen)，在屏上產生影像的螢光畫面，飛行員藉由目鏡(eyepiece lens)觀看此畫面。
夜視鏡的光線放大能力及視敏度(visual acuity)在這幾年進步神速，鏡體的重量也輕了許多，掛在飛行頭盔上即使做劇烈的飛行動作，也不致造成飛行員太多的不適。現今的夜視鏡將可見光譜頻率最低的紅光，及稍低於它的近紅外線(near infrared)放大，這一部分光譜稱為夜視鏡反應光譜(NVG spectral response)，近紅外線光的放大倍率最高，紅光的放大倍率也不遑多讓。
夜視鏡內有一濾光鏡，會把夜視鏡反應光譜的底端做一較清楚的切割，這種夜視鏡看不見藍光及綠光，讓夜視鏡易於符合光線相容的需求（見後文）。夜視鏡具有自動亮度控制(Automatic Brightness Control)，當進入鏡內的光線太亮時，會自動降低系統的放大倍率，以保持恆定的畫面亮度，當進入鏡內的光線亮度超過某一門檻值時，自動亮度控制會降低對光線的反應靈敏度，也就是降低系統的放大倍率，夜視鏡畫面解析度也會隨之大減，因此若夜視鏡反應光譜內的進光量增加，會導致夜視鏡的性能降低，也折損飛行員觀看低光度夜景的能力。
戴上夜視鏡後，飛行員由鏡筒觀看機外的世界，但觀看座艙內的儀表板時，則是利用目鏡與眼睛間的空隙。由於夜視鏡會放大光度，因此座艙內的照明，必需使用夜視鏡不起反應的亮光，才不會和觀看機外的低光度相衝突。
■ 夜視鏡演進
第一代夜視鏡大約是在1960年代初期的越戰時期問世，主要用於步兵的夜間觀測及偵察任務上，解析度大約是20/80史內嵐視敏度(Snellen Visual Acuity，標準視力在白天看景物的解析度是20/20視敏度；分母越大，代表解析度越差)，雖然不是很好，但與未戴上時的20/200比較之下，已是很大的進步了。
經過改良後的第二代夜視鏡，光筒較小、較輕，一支雙眼鏡筒內能塞進二根光管，提供立體影像，最重要的是這種光管內有許多微通道平板(microchannel plate)，可大幅增加光電子的數量，提供更明亮的外界影像。微通道平板是一片玻璃材質、類似蜂巢狀的薄板結構，內中約有一千萬根極小的中空光管(稱為微通道)，彼此相互平行，但與光電子射入的方向夾8°的斜角，離開光陰極棒的光電子進入微通道後，由於傾斜角的關係，會先撞擊管壁，撞出管壁中的光電子，如此循著管壁多次的撞擊後，造成光電子的數量急遽增加，因此微通道平板就好像是光電子倍增器，一個微通道就是畫面中的一個像素(pixel)。
美軍部隊最常見的第二代夜視鏡為AN/PVS-5，它的圓形視野(circular field of view)為40°，目視解析度提升到20/55。AN/PVS-5原本不是為航空應用而設計的，但經過改良，搭配與頭盔相容的面罩後，可掛在美國陸軍航空隊的SPH-4標準頭盔上，在1990年代中晚期前，一直是美國陸軍的重要裝備。
第三代夜視鏡的光管於1980年代初期開始測試，1980年代晚期大舉躍上舞台。第三代光管使用砷化鎵(Gallium Arsenide)光陰極棒，主要對可見光最頂端的紅光，以及紅外線的波長加以反應。第三代光管用在AN/AVS-6飛行夜視顯像系統內，是第一套專為飛行員設計的夜視系統，在物鏡(objective lens)組件上使用減藍(minus blue)濾光鏡，工作光譜約在625-950奈米之間，阻擋波長小於625奈米的光線，因此肉眼可看見座艙內的藍、綠光儀表及照明，而夜視鏡則一無所見。此種夜視鏡的圓形視野仍為40°，但解析度則提升到約20/45，並改良瞳孔間距(inter-pupillary)、傾斜度、前後調整的人體工學設計。美國三軍曾大批採購了AN/AVS-6，現在還有許多仍在繼續服役中。
1990年代初期AN/AVS-9問世，它把AN/AVS-6做了一些改良，光管的性能更好，最明顯的差異是焦距調整方式更順暢，讓眼睛更舒適的大型目鏡。AN/AVS-9的圓周視野還是40°，但放大倍率則高達6,000倍，解析度接近20/25。AN/AVS-9的另一編號是F4949，是美國三軍最常見的夜視鏡，也是飛行員的最愛。
目前夜視鏡最明顯的使用限制是視野有限，造成所謂的「由吸管觀看黑暗世界」。夜視鏡的鏡筒內有2支獨立光筒，但每個影像的像素數量是一定的，如果要擴大夜視鏡的視野，畫面的解析度就會變得難以接受。整合式全景夜視鏡(Integrated Panoramic NVG)以另種方式，將圓形視野由40°提升到水平100°，垂直40°。鏡筒內以4支16釐米的光管，取代標準型的2支18釐米光管，中央區域的視野(水平30°，垂直40°)依然由雙眼籠罩，而左、右最外圍的部分，只提供給左、右眼各自觀看。
艙內燈光
機艙內的燈光照明是夜視顯像系統最大的挑戰，艙內的燈光既得讓飛行員在夜視鏡下，清楚讀出儀表的各種資訊，但又不能造成夜視鏡反應過度，降低探視機外黑暗情景的性能表現。
此處注重的不是夜視鏡所看到的顯示器會呈現何種景象，而是顧慮機艙內顯示器的光會干擾夜視鏡的性能表現。除了在特別的情況下，飛行員在查看機艙內的儀表顯示或是其他物件時，都是透過夜視鏡下方的空隙由肉眼直視。
傳統的機艙內照明採用白熱燈泡，發射的光譜中有一大部分接近紅外線區域，也就是夜視鏡反應光譜的核心部分，因而降低了夜視鏡的性能表現，甚至導致飛行員無法執行任務，因此必須透過濾光與夜視鏡相容。影響夜視鏡性能表現的光稱為「不相容光」，這種光若是在夜視鏡的視野內，將嚴重折損夜視鏡的性能。即便在夜視鏡視野外，若進入夜視鏡內的不相容光夠多，並在內部形成反射，也會降低夜視鏡的性能。
會產生不相容的光，是因為飛行員正前方景象的亮度(可能是每平方公尺千分之一燭光)，和儀表板的亮度(可能是每平方公尺二燭光)相差甚大，不屬於目標的光源抵達光電板後造成的能量輻射，會形成假目標及影像亮度對比失控的現象。
不相容或部分相容的座艙內燈光照明，對飛行安全也是一大威脅，飛行員在儀表燈光刺眼時，自然反應是去調低燈光亮度以減輕光暈效應。不過，即使調低亮度，不相容的光依舊是不相容，結果是儀表板上各種顯示內容難以辨識，或是根本無法閱讀，但仍然與夜視鏡不相容。另外，飛行員由明亮的夜視鏡影像轉換到昏暗的艙內照明時，得花好幾秒才能適應，所以艙內主儀表板的燈光不良一直是夜視鏡使用上的最大難題，估計30%的失事都肇因於此。
因此夜視顯像系統的座艙內都以藍綠光照明，讓飛行員能看清儀表，又不致影響夜視鏡。飛機座艙內的警告(Warning)燈及警示(Caution)燈(分別是紅光及綠光)，也是夜視顯像系統的另一項挑戰，這些光必需與夜視鏡相容，不致干擾飛行員的夜視鏡操作，但當飛行員戴上夜視鏡注視機外時，它又得夠亮，能引起飛行員的注意。
最後剩下二個挑戰是陽光下閱讀，以及所謂的「死面板」(deadface)，這二個問題焦孟不離，很難處理妥當。例如：座艙內火警警告燈面板上的「FIRE」字樣，在日正當中陽光直射及黑夜時分，都必須清晰可見，這就是所謂的「陽光下閱讀」；還有，當警告燈未亮起時，即使是大太陽直接照射下，燈上的「FIRE」字樣也不能閃爍，這就是所謂的「死面板」。夜視鏡的製造廠商中，能妥當處理這二項問題的屈指可數。
現代戰機座艙內除了白熱光源外，還有一些其他的光源，如：螢光燈、冷光儀表板、發光二極體、以及陰極射線磷光螢幕(單色陰極射線管通常是綠色，日漸廣泛使用的全彩顯示器，則是紅、綠、藍三色)，在一個完全均衡的夜視鏡相容座艙內，這些光源都必須審慎考慮，最佳的整體性策略是「波長分割」，讓顯示器及其他光源不致發出肉眼可見光譜(400~650奈米之間)外的光，而夜視鏡也對反應光譜外的光源不加理睬。
滿佈顯示器、警告燈光、照明控制按鍵…等的座艙，會向外射出大量的光線，對戴有夜視鏡裝備的敵方空軍及地面部隊而言，不啻是清楚宣告自己飛機的位置，這雖不是夜視鏡相容的問題，但與它有關，在設計座艙燈光時，也得將此考慮在內。
由夜視鏡看抬頭顯示器
飛行員不會經由夜視鏡凝視座艙的顯示器，夜視鏡的物鏡焦點設定在無限遠處，座艙內的景物在夜視鏡上是失焦的影像，而且夜視鏡是單色影像，用來看座艙內的儀表也沒多大意義，與其要飛行員扭轉頭部將儀表板納入視野內，不如讓他們的眼睛往下瞄，由夜視鏡下方的空隙查看儀表板還比較方便，不過中央警告燈及抬頭顯示器這二個特別的顯示器，還是得由夜視鏡來觀看。
飛行員正前方的抬頭顯示器複合玻璃上，有著投射的符號及圖像，焦點在接近無限遠處，凝視遠方的飛行員不需重新調整凝視的方向及焦點，就能快速理解所呈現的訊息。戴上夜視鏡後，飛行員仍然得和未戴上時一樣，觀看抬頭顯示器上的訊息，由於抬頭顯示器圖像是平行的投射光，沒有焦距的問題，卻有亮度的顧慮，若依循一般夜視鏡相容的原則，將抬頭顯示器發射出的光線中，位於夜視鏡光譜內的亮度降為零，就會看不到抬頭顯示器，但若不如此，抬頭顯示器的圖像就會佔滿夜視鏡正前方的視野。要解決這個問題，目前有三種做法：
一、設計夜視鏡光譜低發射量的抬頭顯示器，但控制讓一小部分的光線落在夜視鏡光譜的底端，讓抬頭顯示器的圖像在夜視鏡中具有可讀性，又不致過亮(所謂的「漏讀」(read leak))。
二、使用直視式光學構型的夜視鏡，它有一種特殊配方的入射濾光鏡，讓抬頭顯示器和夜視鏡彼此相安無事。此濾光鏡會阻擋低於645奈米的光線，但對550奈米(「漏綠」(green leak))左右的光線則網開一面，因此夜視鏡能由抬頭顯示器發射的綠光，看到亮度合宜的圖像。
三、將抬頭顯示器光源，調整成夜視鏡投射影像的型態。
機外燈光
座艙內的燈光得配合夜視鏡，機外燈光也一樣得做調整，尤其是在與其他配備夜視鏡的飛機做編隊飛行時，更需如此。
戰機的機外燈光必須修改，以符合「夜視鏡友善」或「夜視鏡隱蔽」。「夜視鏡友善」的機外燈光，是把已有的位置燈、導航燈、編隊燈加裝濾光鏡或更換燈泡，濾出大部分的近紅外線光，別架飛機由夜視鏡看過來時才不會太刺眼，但這些機外燈光仍然保有原先的顏色及亮度，未戴夜視鏡的飛行員仍可輕易識別，因此也符合民用空中交通管制單位的規定，所以夜視鏡友善的燈光，讓飛行員可在全空域內掛戴夜視鏡進行訓練。
全球有許多性能優異的夜視鏡，加上夜視鏡科技的散播，增加了敵方夜視鏡裝備偵測到戰機的風險，因此有所謂的「夜視鏡隱蔽」，將機外燈光加裝特殊燈泡，當飛機以隱蔽模式飛行時，只有配戴夜視鏡的友機才能看見。隱蔽的夜視鏡燈光型態，必須能夠迅速辨識、追蹤、讓隊友進行隊形重編，以及容易定出飛機的方位，以便執行標準飛行戰術動作。有些飛行任務要求飛機得有雙模式的防撞燈，亦即「友善」與「隱蔽」兼具，若飛行任務中大部分時間得進行目視編隊飛行，機上可能還得有不同的防撞燈樣式(pattern)，讓飛行員選擇。
人因考慮
夜視鏡應用上的主要限制是會降低飛行員的視敏度(visual acuity)。目前在最佳狀況下，飛行員戴上夜視鏡後的視敏度為20/25或20/30，但在飛機上會降到20/40，在黯淡的星光或／及低對比情況下，可能會降到20/80，甚至更糟。另外正常人的視野是180°，而夜視鏡的視野只有40°，飛行員因此完全感受不到景深(depth perception)，3浬外的燈光與50浬外的燈光，透過夜視鏡看不出任何差別。
除了抬頭顯示器及主要警告燈外，雖然飛行員可由夜視鏡周邊空隙查看座艙內的儀表及顯示器，但夜視鏡會造成一±45°(40°加影像周圍2.5°)的錐形視盲區，飛行員必需常常環視座艙，以克服視界被阻礙的情況。因此在飛機上要安全、有效地使用夜視鏡，必須經過良好的訓練。合適的課程安排應該先是室內教學，然後才上飛機實際操作夜視鏡飛行訓練，練習及學習所需的技巧。
夜視鏡訓練上最大的問題，在於飛行員過度相信自己的眼睛。視覺是人類的主要感官之一，戴上夜視鏡後，人們得以在黑暗中繼續保有視覺，導致可能對它過度依賴，忽略了其他的感官知覺。飛行員眼中所見的事物，並不是如他所想的那麼清晰，在低照明度下，整個世界完全走樣，此時的夜視鏡使用有極大的限制，並造成幻覺。即使未來的夜視鏡達到20/20的解析度，但影像的色彩、對比、質地，都會與白日所見的大相逕庭，這些限制都需牢記在心。
在模擬機上使用夜視鏡是另一個特別的議題，現今大多數的模擬機要模擬夜間時，是把螢幕的亮度調暗，成為半昏暗或全黑的狀態，戴上夜視鏡時，再調整螢幕亮度，直到符合夜視鏡實際應看到的夜晚情況為止，但此時由夜視鏡邊緣空隙所看到的外界影像會相當明亮，根本不需夜視鏡就能看得清清楚楚。對某些飛行員而言，在這種模機上進行的第一次夜視鏡訓練，很可能是負面的訓練效果。
視訊空電的未來
在頭盔顯示器之後，視訊空電未來的發展有可能是所謂的「全人工視野」(full synthetic view)。由美國空軍航太研究所(Aerospace Research Laboratory)、系統司令部(System Command)、航太醫學研究院(Aerospace Medical Research Laboratory)共同推動的視覺耦合空用系統模擬器(Visually Coupled Airborne System Simulator)計畫，可窺知一二。此計畫的目的在完全捨棄座艙罩，飛行員在頭盔顯示器所看到的景象，是電腦根據感測器和導航系統所提供的資料，配合已知的地形、地貌資料，所繪製的外界人工畫面，畫面上疊上各種符號、數據、輔助圖像(如：防空系統的射程)、飛機預定的飛行路線，以及用半球型或彩色符號標示的敵方威脅涵蓋區。畫面上也可能會有個子畫面，顯示飛機後方的情況。
除了生理學及人體工學方面的考慮外，人工畫面最驚人的效益是飛機內不再需要飛行員。更吸引人的想法是在地面或是遠距離的空中平台設置個「遙控座艙」，以資料鏈和飛機上的感測器及武器相鏈結，如此將完全不需顧慮飛行員的生理限制，而且飛機設計也不需顧慮因飛行員而來的許多拘限。如此一來，視訊空電的革命將會超越傳統的範疇，而和日漸引人注目的無人戰機相結合。
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