Nguyên lí hoạt động của các loại kính khuếch đại ánh sáng và kính ảnh nhiệt

 

Sóng điện từ là một trong những bức xạ cơ bản trong vũ trụ , sóng điện từ với các bước sóng khác nhau được phân chia thành nhiều loại sóng ví dụ như sóng radio , sóng X-Ray ,…

Mắt người nhìn được sóng bức xạ có bước sóng từ khoảng 380 nm ( nano mét) đến khoảng 780 nm ,bước sóng nằm trong  khoảng này được gọi là ánh sáng . Sóng bức xạ có bước sóng ngắn hơn 380 nm được gọi là tia tử ngoại (UV) còn bước sóng dài hơn 780 nm được gọi là tia hồng ngoại (IR) 

Do mắt người không thể nhìn thấy sóng có năng lượng yếu hơn ánh sáng như tia hồng ngoại , nên khả năng quan sát trong môi trường tối hạn chế . Để có thể quan sát được trong đêm , cần phải kéo bước sóng từ tia hồng ngoại lên thành tia sáng thấy được , bằng cách sử dụng công nghệ nhìn đêm .

Công nghệ khuếch đại ánh sáng thế hệ 0

Được sử dụng rộng rãi trong thế chiến thứ 2 , các loại kính nhìn đêm này hoạt động theo nguyên lí  chuyển đổi quang điện .

Thiết kế của kính nhìn đêm gồm một lớp Âm Cực Quang , Các Điện Cực và Màn Ảnh Lưu Huỳnh . Khi tia hồng ngoại đập vào lớp Âm Cực Quang , nó sẽ bức xạ các hạt electron , các hạt electron sẽ được tăng tốc bởi các điện cực và đập vào màn ảnh lưu huỳnh giúp tạo ra hình ảnh .

Lớp Âm Cực Quang được sử dụng trong thời kỳ đó là loại vật liệu S-1 ( Ag – O – Cs ) được phát triển từ những năm 30 , S-1 có độ nhạy ở bước sóng khoảng từ 300nm – 1200nm .  

 

Hình ảnh cho ra hay bị méo mó ,độ phân giải 20 -60 lp/mm và hình ảnh có độ nhiễu cao với tỉ lệ S/N khoảng 2 , khả năng khuếch đại ánh sáng lên 150 lần .

Các loại kính nhìn đêm thế hệ 0 có khả năng khuếch đại ánh kém do đó  cần sử dụng đèn hồng ngoại rọi vào mục tiêu để cung cấp đủ tia hồng ngoại cho kính hoạt động .

Ảnh :Kính nhìn đêm FG1250 trên xe tăng hạng trung Panther của Đức , tầm quan sát tối đa 600m , sử dụng đèn hồng ngoại 12V công suất 200W 

 

Ảnh :Kính nhìn đêm ZG 1299 của Đức , khối lượng kính 2,25 kg , khối lượng bộ pin đeo sau lưng 13,5 kg sử dụng cho súng trường tiến công Stg 44 . Chỉ có 310 bộ được trang bị trong giai đoạn cuối chiến tranh .

 Lưu ý : Phân loại thế hệ do NVESD Mỹ quy định và được sử dụng rộng rãi trên thế giới , do các loại kính khuếch đại ánh sáng sử dụng trong thế chiến 2 không đủ mạnh để xếp vào loại thế hệ 1 nên được gọi là thế hệ 0

Công nghệ khuếch đại ánh sáng thế hệ 1

Các loại kính nhìn đêm ra đời vào cuối thập niên 1950 đầu thập niên 1960 sử dụng công nghệ khuếch đại ánh sáng thế hệ thứ 1 gồm nhiều bộ khuếch đại ánh sáng ghép lại với nhau . Thời kỳ này , công nghệ kỹ thuật phát triển nên người ta đã phát triển loại vật liệu Âm Cực Quang mới với tên gọi S-20 (Sb – K – Na – Cs) có độ nhạy sóng từ 300nm – 850nm . Dù chỉ bắt được tia hồng ngoại dải gần hơn so với S-1 ( 1200nm) nhưng S-20 có độ nhạy quang lớn hơn so với S-1

Cũng nhờ đặc điểm này của loại âm cực quang mới , đồng thời với việc cải tiến kỹ thuật đảo ngược tĩnh điện và gia tốc electron giúp khả năng khuếch đại ánh sáng của kính nhìn đêm thế hệ 1 cực kỳ mạnh , có thể lên tới 30000 lần do đó , kính có thể sử dụng ở chế độ thụ động mà không cần sử dụng đèn hồng ngoại để rọi vào mục tiêu. Độ phân giải hình ảnh khoảng từ 25 lp/mm đến-60 lp/mm . Tỉ số S/R 5 -8

Công nghệ khuếch đại ánh sáng thế hệ 1 vẫn có những điểm yếu từ thế hệ 0 , ví dụ hình ảnh còn bị méo mó .

Một số loại kính nhìn đêm thế hệ 1 điển hình 

Kính ngắm Starlight (AN/PVS-2 ) của Mỹ sử dụng trong chiến tranh Việt Nam , sử dụng 3 ống tăng cường ánh sáng ghép lại với nhau . Ánh sáng được khuếch đại lên 3 lần .

 Kính ngắm Starlight được thiết kế để hoạt động ở chế độ thụ động , hoạt động trong điêu kiện ánh trăng và ánh sao (0,05 lux)

Kính nhìn đêm TPN-1 cho xạ thủ T-54B

 

TPN-1 Sử dụng ống khuếch đại ánh sáng thế hệ 1 ,có khả năng nhận diện mục tiêu cỡ xe tăng ở khoảng cách 400m ở chế độ thụ động và 800m ở chế độ chủ động khi sử dụng thêm đèn hồng ngoại

Công nghệ khuếch đại ánh sáng thế hệ 2

Được phát triển từ cuối những năm 60 , công nghệ khuếch đại ánh sáng thế hệ 2 là bước đột phá so với thế hệ trước khi sử dụng bộ tăng cường ánh sáng kiểu kênh vi mô cùng âm cực quang S-25 có độ nhạy sáng cao hơn .

Tấm vi kênh được chế tạo trải qua một số quá trình , thường sử dụng sợi thủy tinh kết hợp với một số phản ứng hóa học , sẽ tạo ra tấm vi kênh chứa hàng triệu kênh nhỏ với kích thước chỉ khoảng 12 μm

 

 
Các kênh vi mô hoạt động dựa trên hiệu ứng bức xạ thứ cấp , khi một hạt electron đủ mạnh va vào vật liệu bức xạ thứ cấp , vật liệu ấy sẽ thả ra nhiều electron thứ cấp khác . Tiếp xúc điện song song đối với mỗi kênh được thực hiện bằng cách lắng đọng của một lớp phủ kim loại trên bề mặt trước và sau của MCP, chúng đóng đó đóng vai trò là điện cực đầu vào và đầu ra, tương ứng . Các tấm vi kênh như vậy cho phép các hệ số nhân của electron từ 10³ đến 10⁵ tùy thuộc vào độ dài kênh và số lớp . Độ phân giải của hình ảnh bị giới hạn bởi kích thước và khoảng cách giữa các kênh. Khả năng khuếch đại ánh sáng lên tới 50000 lần , tỉ số S/R 15 -24
 

Nhờ công nghệ khuếch đại ánh sáng thế hệ 2 , kích thước kính nhìn đêm giảm đi rất nhiều cũng vì thế mà các loại kính nhìn đêm lắp mũ (dạng goggles) được phát triển , nguồn điện sử dụng có hiệu điện thế thấp hơn . Độ phân giải hình ảnh 28 – 40lp/mm.
 

 

Công nghệ khuếch đại ánh sáng thế hệ 3

Công nghệ khuếch đại ánh sáng thế hệ 3 rất giống với thế hệ 2 về thiết kế. Sự khác biệt chính là vật liệu được sử dụng cho lớp âm cực quang. OKĐAS thế hệ thứ hai sử dụng các âm cực quang với lớp phủ đa kiềm (S25) còn công nghệ thế hệ thứ ba sử dụng các bộ lọc ảnh với lớp phủ GaAs / GaAsP. Các âm cực quang sau được đặc trưng bởi độ nhạy cao hơn và ngoài ra, dải nhạy cảm quang phổ được mở rộng hơn (tới 950nm)

Quá trình sản xuất ống khuếch đại ánh sáng đã được bắt đầu vào những năm 1980. Các nguồn nguyên liệu để sản xuất các photocathode sử dụng trong các ống khuếch đại ánh sáng thế hệ 3 được đặc trưng bởi độ nhạy bức xạ trong vùng hồng ngoại gần tốt hơn khoảng ba lần so với vật liệu S25 sử dụng trong các loại thế hệ 2

Độ nhạy bức xạ cao hơn của công nghệ khuếch đại thế hệ 3 có nghĩa là độ nhạy sáng cao hơn. S/R (Tỉ lệ tín hiệu trên nền nhiễu)  về mặt lý thuyết tỷ lệ thuận với căn bậc hai từ độ nhạy sáng. Do đó chắc chắn S/R của loại thế hệ 3 sẽ tốt hơn khoảng hai lần so với thế hệ 2. Tuy nhiên chúng có một nhược điểm đáng kể đó là các âm cực quang này có thể nhanh chóng bị suy giảm nghiêm trọng do quá trình tạo ion dương trong tấm vi kênh có thể làm giảm độ nhạy của khoảng hai lần trong vòng 100 giờ làm việc. Để bảo vệ âm cực quang khỏi các ion dương do tấm vi kênh (MCP) sản xuất ra, các nhà sản xuất đã thêm một màng mỏng ôxit nhôm gắn vào mặt trước của MCP Do đó, độ nhạy sáng của ống khuếch đại ánh sáng 3 này có thể thấp hơn gần hai lần so với độ nhạy phát quang thông thường.   Màng bảo vệ cũng tạo ra hiện tượng nhòe đáng kể xảy ra khi nó bị bắn phá bởi một chùm electron tập trung cường độ cao.

Độ phân giải hình ảnh 36 – 64lp/mm , khả năng khuếch đại ánh sáng lên tới 70000 lần tỉ số S/R 24 -28

Công nghệ khuếch đại ánh sáng thế hệ 3 không màng

 Vào năm 1998, công ty Litton của Hoa Kỳ đã thông báo về sự phát triển ống khuếch đại ánh sáng không màng được chế tạo bằng các bộ mã quang GaAs / GaAsP. Giải pháp logic công nghệ mới này có khả năng làm tăng tỉ lệ S/R lên trên 25%. Ban giám sát cảm biến điện tử ban đêm và cảm biến điện tử (NVESD) đã chỉ định các ống mới này là thế hệ 4. Tuy nhiên, người ta đã sớm phát hiện ra rằng các ống khuếch đại mới quá mỏng manh đối với các điều kiện quân sự thực tế(độ bền cơ học) và không thể vượt qua các thử nghiệm độ tin cậy thông thường khi các ống tiếp xúc với ánh sáng đồng nhất / ánh sáng tập trung đột ngột. Do đó, từ năm 2003 , NVSED đã bỏ phân loại thế hệ 4 .

 

Ảnh: Thiết kế ống KĐAS thế hệ  3 (a)  và thế hệ 3 không màng (b) 

   Dù thất bại với các vấn đề về độ tin cậy, nhưng việc phát triển các ống không màng thế hệ 3 vẫn được tiếp tục và mang lại những cải tiến đáng kể. 

Công nghệ ảnh nhiệt

 

Các vật thể xung quanh chúng ta tỏa nhiệt ở một mức độ nào đó và nhiệt đó được tạo thành từ bức xạ hồng ngoại bước sóng dài (2500nm – 15000nm).  Ảnh nhiệt sử dụng cảm biến để chuyển đổi bức xạ thành hình ảnh ánh sáng nhìn thấy được các vật thể trong bóng tối hoàn toàn, khói dày đặc, …

Trong hầu hết các thiết bị, ống kính quang học sẽ có giá cao hơn so với các loại ống kính thông thường. Vì tia hồng ngoại nhiệt không đi qua thủy tinh, mà chúng phải được làm từ các vật liệu đặc biệt phải được sử dụng như kẽm selenide và gecmani

Thành phần quan trọng nhất của Camera ảnh nhiệt chính là cảm biến nhiệt , các loại cảm biến nhiệt thường được sử dụng được chia làm hai loại : Loại làm lạnh và loại không làm lạnh

Cảm biến làm lạnh

Các loại cảm biến làm lạnh thường sử dụng nitơ lỏng hoặc động cơ Stirling làm lạnh bề mặt vật liệu dò để ngăn nhiệt độ của đầu dò làm mù chính nó. Các loại cảm biến làm lạnh thường cho ra hình ảnh có chất lượng tốt tuy nhiên chi phí chế tạo và chi phí hoạt động cao , khi khởi động cần phải đợi cảm biến nguội xuống nhiệt độ -170°C đến dưới -200°C mới dùng được

Các loại đầu dò làm lạnh thường được chế tạo sử dụng hợp chất bán dẫn InSb , hợp chất có độ nhạy với sóng hồng ngoại có bước sóng 1000nm – 5000nm . Khi có nhiệt độ đủ lạnh, vật liệu sẽ xuất hiện dòng điện .

 Ảnh : Thiết kế cơ bản đầu dò InSb với lớp bán dẫn InSb ở trên và bộ đọc tín hiệu ở dưới . Khi lớp bán dẫn InSb xuất hiện dòng điện , bộ đọc tín hiệu sẽ gửi tín hiệu về trung tâm xử lý

 

Cảm biến không làm lạnh

Các loại cảm biến không làm lạnh hoạt động ở nhiệt độ phòng hoặc được điều hòa ở nhiệt độ mát , chất lượng hình ảnh không tốt như loại trên nhưng chi phí sản xuất và hoạt động thấp , hình ảnh cho ra nhanh hơn. Đây là loại cảm biến được sử dụng rộng rãi hơn

Các loại cảm biến không làm lạnh điển hình:

Microbolometer :Là loại cảm biến đo điện trở trên bề mặt cảm biến , do điện trở trên bề mặt vật liệu thay đổi khi nhiệt độ thay đổi nên từ đó có thể suy ra nhiệt độ.
Bề mặt đầu dò được làm bằng vật liệu có tính hấp thụ sóng hồng ngoại dải LWIR

Ảnh : Thiết kế cơ bản của Microbolometer với vật liệu hấp thụ hồng ngoại ở trên , điện cực được đặt ở hai đầu vật liệu và bộ đọc nằm dưới sẽ đo điện trở , từ đó gửi tín hiệu về trung tâm xử lý

Cặp nhiệt điện : Khi điểm kết nối của 2 dây được đặt vào nơi có các nhiệt độ khác nhau, ở đó sẽ tạo ra sư dịch chuyển của các electron do đó sẽ tạo ra một điện áp nhỏ tại đầu 2 dây hở. Điện áp này phụ thuộc vào nhiệt độ và vật liệu của dây dẫn được sử dụng. Khi người ta đưa điểm nóng vào nơi cần đo nhiệt độ, người ta thấy rằng khi nhiệt độ tại đây tăng lên thì điện áp tại điểm lạnh cũng sẽ tăng không tuyến tính. Khi người ta đo được điện áp tại điểm lạnh, ta sẽ tính ra được nhiệt độ tại điểm nóng.

 

Các đầu dò cặp nhiệt điện sử dụng trong công nghệ ảnh nhiệt sẽ được lắp ghép với nhau để tạo thành Thermopile ( thiết bị chuyển đổi nhiệt – điện )

 

 

 

Pyroelectric : Loại cảm biến sử dụng tính phân cực tự nhiên của một số loại vật liệu , khi  nhiệt độ thay đổi sẽ tạo ra dòng điện trong thời gian ngắn .

 Từ các loại đầu dò nhiệt trên ,để có được ảnh nhiệt, ta phải nhận biết được sự khác biệt nhiệt độ giữa mỗi điểm ảnh nên do đó cần phải quét từng điểm một trên ảnh. Tín hiệu điện gửi từ đầu dò sẽ được máy tính xử lí thành hình ảnh

Phân loại thế hệ ảnh nhiệt

Các loại camera ảnh nhiệt được phân biệt chủ yếu dựa trên công nghệ đầu dò và số đầu dò pixel trong cảm biến

Các loại camera ảnh nhiệt đầu tiên : Cảm biến ảnh nhiệt chỉ bao gồm một hoặc vài đầu dò có khả năng nhận biết 1 điểm trên ảnh . Để tạo thành hình ảnh thì  phải quét từng vị trí một , từng hàng một và từng cột một.

Cảm biến ảnh nhiệt thế hệ 1 : Cảm biến ảnh nhiệt thường gồm nhiều đầu dò bố trí theo hàng ngang hoặc hàng dọc ( thường với 60 , 120 , 180 , 240 đầu dò) giúp đẩy nhanh quá trình quét . Các loại cảm biến nhiệt thế hệ 1 thường sử dụng đầu dò loại làm lạnh .Với kích thước thiết bị làm lạnh , số lượng đầu dò không nhiều.
Các loại cảm biến nhiệt thế hệ 1 chủ yếu làm việc ở dải sóng MWIR ( 3000nm -5000nm) . Điểm yếu của MWIR so với LWIR là chúng không thể xuyên qua điều kiện khói bụi lớn cũng như khoảng cách phát hiện mục tiêu không xa quá 2km bởi đặc tính truyền qua nhiệt độ của khí quyển của tia MWIR không tốt bằng LWIR

Cơ cấu quét cùa các loại cảm biến nhiệt thế hệ 1 sử dụng gương cơ học để nhận biết từng điểm ảnh một .

 

Ảnh :Kính ảnh nhiệt thế hệ 1 1PN59 lắp trên thiết giáp trinh sát PRP-4 . 1PN59 có 50 đầu dò hồng ngoại làm lạnh hoạt động ở dải MWIR được xếp thành một hàng với cơ cấu quét gương .

Cảm biến ảnh nhiệt thế hệ 2 :  Số lượng đầu dò lớn (Ma trận  cảm biến 160x120 , 320x240, 640x480) . Các loại cảm biến ảnh nhiệt thế hệ 2 thường sử dụng đầu dò không làm lạnh , cùng tiến bộ giúp đầu dò có kích thước nhỏ hơn và các đầu dò đặt sát nhau hơn giúp hình ảnh đạt chất lượng cao.
Các loại cảm biến ảnh nhiệt thế hệ 2 chủ yếu làm việc ở dải LWIR ( 8000nm -12000nm) có khả năng nhìn xuyên khói bụi , phát hiện mục tiêu ở khoảng cách lên tới  5km . Các loại đầu dò thường được làm bằng vật liệu MCT (CdHgTe) .


Số lượng đầu dò lớn bao trùm toàn bộ chiều cao hoặc chiều dọc khung ảnh nhờ giúp đẩy nhanh quá trình quét ảnh , cũng như đơn giản cơ cấu quét khi giờ đây chỉ cần sử dụng lăng kính để quét theo chiều ngang thay vì sử dụng gương để quét từng điểm một

 

Thậm chí một số loại cảm biến ảnh nhiệt thế hệ 2 có số lượng pixel lớn đến mức bao trùm toàn bộ khung hình nên không cần cơ cấu quét

Lưu ý :Cảm biến có bao trùm được toàn bộ khung ảnh không chỉ phụ thuộc vào số lượng đầu dò cảm biến mà còn là kích thước khung ảnh ( Trường nhìn của kính ngắm).

.Các loại cảm biến nhiệt thế hệ 2 được sử dụng rộng rãi hơn trong quân sự và rất phổ biến tới tận ngày nay

 

Ảnh : Camera ảnh nhiệt thế hệ 2 Catherine FC (754x576 đầu dò) sử dụng trong kính ảnh nhiệt Sosna-U trên T-72B3

Cảm biến ảnh nhiệt thế hệ 3 : Nâng cao độ nhạy và độ phân giải hình ảnh , tăng khả năng phát hiện mục tiêu nhờ khả năng phát hiện tia hồng ngoại ở nhiều giải khác nhau từ dải hồng ngoại trung MWIR đến dải hồng ngoại dài LWIR ( 3000nm -12000nm). Các loại cảm biến nhiệt thế hệ 3 không cần sử dụng  cơ cấu quét nhờ số lượng đầu dò bao trùm toàn bộ khung ảnh.

Ảnh :Kính ảnh nhiệt  thế hệ 3 1PN116 với cảm biến 320x240 đầu dò , khả năng phát hiện mục tiêu cỡ người ở khoảng cách hơn 1,2km