Ứng dụng công nghệ hiện đại trong thiết bị nhìn đêm

ĐÔI NÉT VỀ THIẾT BỊ NHÌN ĐÊM

Thiết bị nhìn đêm (night vision device) là thiết bị giúp con người quan sát được môi trường quan tâm trong điều kiện đêm tối hay ánh sáng cực yếu. Thiết bị nhìn đêm được sử dụng trong các hoạt động quân sự, cảnh sát, nghiên cứu sinh vật học, săn bắn đêm... Thiết bị nhìn đêm có nhiều loại, như: thiết bị khuếch đại ánh sáng mờ analog, thiết bị tạo ảnh nhiệt (camera nhiệt), camera hồng ngoại…

Về nguyên lý hoạt động, thiết bị nhìn đêm thế hệ đầu tiên (thế hệ 1), ánh sáng chiếu vào được chuẩn trực bằng các tấm/đĩa sợi quang trước khi đập vào ống ca-tốt quang tử đa kiềm (photocatode alkali), giải phóng các điện tử tự do (electron) để chúng tự đập vào một màn chứa các hạt photpho. Màn hình phát ra ánh sáng màu xanh lá cây, chiếu vào một tấm/đĩa sợi quang thứ hai và sau đó chiếu vào một tấm/đĩa thứ 3 để đạt được độ khuếch đại tổng thể là 10.000 lần. Thiết bị nhìn đêm thế hệ 2 sử dụng một đĩa hoặc tấm vi kênh được tạo nên bởi hàng triệu kênh thấu kính lõm kích cỡ khác nhau, mỗi kênh có đường kính 12,5micron và được phủ lớp bán dẫn đặc biệt để giải phóng các điện tử tự do. Khi một điện tử đi vào kênh, dưới ảnh hưởng của điện áp đưa vào, nó bắn lung tung trong ống ca-tốt, khuấy động hàng trăm điện tử tự do khác được chuẩn trực bởi kênh này, làm tăng độ khuếch đại cả về ánh sáng và độ phân giải.

Trong lĩnh vực quân sự, với sự phát triển vượt bậc của khoa học - công nghệ, phần lớn các bộ khuếch đại ảnh hiện nay đều là những thiết bị thế hệ 3. Chúng sử dụng một ca-tốt quang gali asenua với một lớp chặn i-on phủ lên tấm/đĩa vi kênh; mở rộng tính nhạy cảm của bước sóng trong phổ hồng ngoại gần (IR) trên 0,7micron, cho phép tận dụng các nguồn ánh sáng để khuếch đại thành ánh sáng hiệu dụng, tăng thêm xấp xỉ 30%, nâng tổng độ khuyếch đại đạt được lên 30.000 lần. Đồng thời, tăng độ tin cậy và thời gian sử dụng trung bình khoảng 10.000 giờ so với 4.000 giờ của thế hệ trước.

Trong thập kỷ qua đã có sự thay đổi trong hệ thống nhìn đêm cá nhân dưới dạng kính nhìn đêm (Night Vision Goggles - NVG), có thể gắn trên mũ hoặc quàng qua đầu để người lính thuận tiện khi cơ động. Kính nhìn đêm AN/PVS-7 của Mỹ được sản xuất bởi 2 Công ty Night Vision ITT và L-3 Communications (nay là L-3 Technologies) cùng với kính nhìn đêm AN/PVS-21 nhỏ gọn của O’Gara Group (trang bị cho lực lượng tác chiến đặc biệt - SOF) là những ví dụ điển hình cho xu hướng này. Hiện nay, trong trang bị của Lục quân Mỹ có khoảng 150.000 kính nhìn đêm PVS-7, 55.000 kính ngắm đêm AN/PVS-4 lắp trên vũ khí, 36.000 kính nhìn một mắt AN/PVS-14 NV (MNVD) và 10.000 kính ngắm đêm AN/TVS-5 dùng cho tổ đội. 

Công nghệ tích hợp và làm mát (Dewar) đã được ứng dụng vào tạo ảnh nhiệt trong các phương tiện trên bộ, trên biển, trên không và tên lửa; kính ngắm nhiệt cho các tổ hợp phương tiện bay không người lái (UAS); kính ngắm nhiệt chỉ thị mục tiêu cho vũ khí nhỏ bắn tầm xa…

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MỚI, HIỆN ĐẠI

Bộ khuếch đại ảnh

Ban đầu các bộ khuếch đại ảnh được sử dụng một cách đơn giản trong các thiết bị giám sát, quan trắc và các sản phẩm cầm tay, chẳng hạn như bộ khuếch đại M975 của Aselsan (Thổ Nhĩ Kỳ). Đây là phiên bản chế tạo theo công nghệ do Northrop Grumman phát triển, sử dụng với thiết bị nhìn đêm thế hệ 2+ hoặc thế hệ 3. Ngoài ra, còn có hệ thống quan trắc đêm sử dụng đa hệ thống cảm biến Delft (MUNOS) với các ống nhìn đêm thế hệ 2, thế hệ 2 Super và thế hệ 3; bộ khuếch đại Simrad KDN 250 sử dụng với thiết bị nhìn đêm thế hệ 2 hoặc thế hệ 3. Với nỗ lực tăng tầm phát hiện mục tiêu và độ phân giải, các hãng sản xuất tập trung nghiên cứu loại bỏ các lớp màng chặn i-on và “tạo cổng” cho việc cấp nguồn hệ thống nhằm tạo ra cảm biến (xen-xơ) thế hệ 4. Nhưng giải pháp này có tỷ lệ sai hỏng cao, do đó các hãng đã sử dụng giải pháp đưa vào một lớp chặn i-on mỏng hơn và tạo cổng tự động cấp điện trong các ống kính nhìn đêm thế hệ 3.

Bên cạnh bộ khuếch đại ảnh 2 mắt được sử dụng phổ biến, có nhiều sản phẩm 1 mắt nhỏ gọn dùng để giám sát và làm kính ngắm bắn ban đêm, vì có thể nhận biết và quan sát rõ các chi tiết trong bóng tối. Bộ thiết bị khuếch đại KITE của Qioptiq (Anh) - tổ hợp nhìn đêm thế hệ 2 và thế hệ 3, có thể đáp ứng cho một loạt vũ khí, từ súng trường đến súng máy (Maxi-KITE), đã được sản xuất khoảng 60.000 bộ cho 56 quốc gia. Thiết bị KITE thể hiện rõ một đặc trưng khác của hệ thống khuếch đại ảnh, trong đó các bộ cảm biến có thể được sử dụng với nhiều tính năng. Còn các bộ khuếch đại ảnh LUNOS, dùng với ống kính nhìn đêm thế hệ 2 hoặc thế hệ 3, có thể được sử dụng cho các lái xe ban đêm và quan trắc tầm xa, được gắn trên giá 3 chân hoặc trong hệ thống quan trắc gắn trên cột.

Thiết bị tạo ảnh nhiệt

Trên chiến trường, thiết bị tạo ảnh nhiệt làm việc với bước sóng hồng ngoại trung bình và xa, không phụ thuộc vào các cấp độ ánh sáng bên ngoài. Bộ/thiết bị tạo ảnh nhiệt phát hiện được những bức xạ này và xử lý hình ảnh thông qua các đầu dò bán dẫn. Chúng làm việc trên dải sóng IR trung bình, từ 3-5 micron (đôi khi được gọi là dải - N) và dải sóng IR xa, từ 8-12 micron (đôi khi được gọi là dải - L). Bộ tạo ảnh hồng ngoại trung bình có tính năng tốt hơn trong điều kiện lạnh và ẩm, còn bộ tạo ảnh hồng ngoại xa tốt hơn trong môi trường khô và bụi.

Từ đầu thế kỷ XXI, các thiết bị tạo ảnh nhiệt đã trở thành công cụ quan trọng của quân đội các nước và có nhiều ưu điểm so với bộ khuếch đại ảnh, đặc biệt là các thiết bị giám sát và quan trắc. Chúng có thể phát hiện các mục tiêu/vật thể không chỉ về đêm mà cả ban ngày, trong mọi môi trường như mưa, bụi, khói mù, thậm chí quét qua các lớp ngụy trang thông thường như tán lá hay lưới che. Các camera nhiệt không được làm mát hoặc sử dụng bộ cảm biến hoạt động ở nhiệt độ môi trường xung quanh bằng cách sử dụng các phần tử kiểm soát nhiệt độ, dựa trên sự thay đổi của điện trở, điện áp hoặc dòng khí bị đốt nóng bằng bức xạ hồng ngoại.

Về giải pháp công nghệ, các công ty Mỹ và Anh tìm cách đưa thủy ngân vào silicon để phát hiện dấu hiệu hồng ngoại bước sóng dài, phát triển công nghệ đầu dò hồng ngoại XBn theo hợp đồng của Cơ quan chỉ đạo các dự án nghiên cứu quốc phòng tiên tiến thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ (DARPA). Sản phẩm sử dụng loại đầu dò (detector) phát hiện dị tật cấu trúc bán dẫn mới, cho phép đạt được nhiệt độ làm việc trong giới hạn 150oK (-123oC) mà không làm giảm tính năng của đầu dò. Trong khi đó, hãng Irvine Sensors (Mỹ) phát triển tổ hợp kính quan trắc nhiệt thu nhỏ cá nhân (PMTV), được định hình như một kính ngắm vũ khí, ống kính quan trắc bỏ túi hoặc một camera; được ứng dụng trong nhiều loại trang bị, từ mũ bảo vệ đến các xe chiến đấu bộ binh.

Tuy nhiên, việc kết hợp những tính năng ưu việt của các hệ thống với nhau không dễ dàng, vì có thể dẫn đến khuynh hướng chế tạo trang, thiết bị nặng, cồng kềnh, điện năng tiêu thụ cao, khó triển khai trên chiến trường. Do đó, việc cung ứng nguồn điện trở thành vấn đề then chốt để cung cấp cho hệ thống quang điện lẫn máy truyền tin vô tuyến (radio). Theo đó, hãng AIM GmbH (Đức) nghiên cứu phát triển các đầu dò hồng ngoại và kính ngắm nhiệt, động cơ làm mát Stirling cho hoạt động của đầu dò; trên cơ sở kết hợp công nghệ kỹ thuật điện tử, vi điện tử, bán dẫn, kỹ thuật quang học, cơ khí chính xác và phát triển tinh thể. Đến nay, AIM đã chế tạo hơn 30.000 đầu dò và động cơ làm mát Stirling, hơn 45.000 đầu dò hồng ngoại. Công nghệ tích hợp và làm mát (Dewar) đã được cải biến để ứng dụng vào tạo ảnh nhiệt trong các phương tiện trên bộ, trên biển, trên không và tên lửa; kính ngắm nhiệt cho các phương tiện bay không người lái (UAS); kính ngắm nhiệt chỉ thị mục tiêu cho vũ khí bắn tầm xa; các bộ làm mát Stirling tuyến tính/quay với thiết bị điện tử điều hành tích hợp.

Chế tạo xen-xơ

Trong lĩnh vực chế tạo xen-xơ (cảm biến), Northrop Grumman EO (hiện là L-3 EO) vượt lên dẫn đầu với kính đa phổ (FMWS); còn Night Vision ITT chủ lực trong sản xuất kính đêm nâng cao (ENVG) hoặc AN/PSQ-20, phục vụ Chương trình người lính tương lai từ năm 2004 của Quân đội Mỹ. Các bộ cảm biến kỹ thuật số nặng 0,91kg, được chào bán trên thị trường với giá 10.000 USD, đắt và nặng hơn các cảm biến cũ. Bởi vậy, cần tiếp tục cải tiến công nghệ để tạo ra cảm biến nhẹ hơn, chi phí thấp hơn. Theo đó, Night Vision ITT đã giành được hợp đồng sản xuất khoảng 6.500 thiết bị EVNG mới, trị giá 260 triệu USD, nâng số lượng trong kho vũ khí của Lục quân Mỹ lên 8.900 chiếc.

Châu Âu hiện cũng đang quan tâm đến công nghệ này. Tại Hội chợ quốc phòng và an ninh quốc tế (Eurosatory) năm 2022 tổ chức tại Pháp, Công ty DEP Imaging (thuộc Tập đoàn Photonis, Canada), đã trưng bày mô-đun nhìn đêm cảm biến kỹ thuật số nhỏ nhất và nhẹ nhất trên thế giới GRIFFIN, kích thước chỉ 7cm, nặng 99g và công suất tiêu thụ nguồn dưới 2,5W, thích hợp với những thiết bị cầm tay, đeo trên đầu hoặc gắn trên mũ bảo hiểm. Thiết bị này dựa trên ống khuếch đại ảnh chuyên dụng đường kính 16mm của Photonis và bộ tạo ảnh Ulis không cần làm mát dải sóng hồng ngoại 8-12 micron, tạo được 30 khuôn hình độ nét cao mỗi giây. Thiết bị đã được bán cho các khách hàng châu Âu, trong đó có Israel và Ba Lan. Trong khi đó, Tổng cục Vũ khí Pháp (DGA) cùng các Công ty Bertin Technologies và Thales Angenieux đang tích cực nghiên cứu ứng dụng công nghệ này để sản xuất kính nhìn đêm cá nhân…

Thiếu tá, ThS. TRẦN MAI VÂN

Trường Sĩ quan Tăng thiết giáp, Binh chủng Tăng thiết giáp