by 
Khi nói đến nhìn thấy ban đêm (night vision) là nói đến việc nhìn thấy, theo dõi được hoạt động diễn ra trong đêm tối, lúc ánh sáng tự nhiên rất yếu (ánh trăng, ánh sao...) hoặc hầu như không có. Kỹ thuật nhìn thấy ban đêm phát triển ban đầu chủ yếu là do yêu cầu quân sự và an ninh, ban đêm vẫn theo dõi được đối phương nhưng phải làm sao cho đối phương không biết là đang bị theo dõi. Kỹ thuật nhìn thấy ban đêm dựa vào cách khuếch đại ánh sáng yếu, đặc biệt là tia hồng ngoại.
Ta biết rằng tia hồng ngoại là sóng điện từ có bước sóng từ giới hạn về phía sóng dài (màu đỏ) của ánh sáng nhìn thấy (0,4 - 0,7 micromet) đến giới hạn về phía sóng ngắn của sóng vi ba (1 mill met đến 1 met). Trong khoảng bước sóng từ 0,7 đến 1000 micromet của sóng hồng ngoại, người ta chia ra:
- Hồng ngoại gần, bước sóng từ 0,7 đến 1,3 micromet
- Hồng ngoại trung, bước sóng từ 1,3 đến 3 micromet
- Hồng ngoại xa, bước sóng từ 3 đến 1000 micromet
Về nguyên lý, các vật thể trong tự nhiên có nhiệt độ trên không độ đều phát ra sóng điện từ, nhiệt độ càng cao thì sóng điện từ phát ra càng nhiều, bước sóng càng ngắn. Đó là vì các vật thể đều cấu tạo từ các nguyên tử mà nguyên tử gồm hạt nhân và các điện tử luôn chuyển động quanh hạt nhân với những mức năng lượng nhất định. Khi bị kích thích điện tử của nguyên tử có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức cao và khi đã ở mức cao, điện tử dễ dàng tự động nhảy xuống mức năng lượng thấp và phát ra sóng điện từ dưới dạng photon.
Dao động nhiệt của các nguyên tử, phân tử có thể làm kích thích điện tử của các nguyên tử nhảy mức năng lượng phát ra sóng điện tử. Nhiệt độ càng cao, dao động nhiệt càng mạnh, sóng điện từ phát ra có cường độ càng lớn, bước sóng càng ngắn. Thí dụ ở sợi đốt của bóng đèn điện, nhiệt độ lên đến gần 2000° C, sóng điện từ phát ra dưới dạng ánh sáng nhìn thấy (0,4 - 0,7 micromet) chiếm tỉ lệ lớn trong phổ sóng điện từ phát ra. Còn những vật thể nhiệt độ cỡ vài trăm độ đến vài chục độ thì chỉ phát ra sóng điện từ, từ hồng ngoại gần đến hồng ngoại xa.
Nhiều vật thể chung quanh ta ban ngày hấp thụ năng lượng Mặt Trời nóng lên, ban đêm do có quán tính nhiệt nên vẫn còn ấm. Đặc biệt là người, động vật do có máu nóng, thân nhiệt trên 30° C (người 37° C), phát ra hồng ngoại mạnh hơn xung quanh.
Vì mắt người không cảm nhận được tia hồng ngoại nên ban đêm muốn nhìn thấy được phải tìm cách từ ảnh hồng ngoại không nhìn thấy biến đổi và khuếch đại sao cho có được ảnh tương ứng với ánh sáng thông thường để mắt nhìn thấy rõ được.
Có hai cách chính để nhìn thấy ban đêm: tạo ra ảnh tăng cường (image enhancing) và tạo ra ảnh nhiệt (thermal imaging)
2. Ảnh tăng cường
Từ những năm 1930, Đức và Mỹ đã phát triển kỹ thuật nhìn thấy ban đêm phục vụ mục đích quân sự. Ý tưởng lúc đó đã là làm ống chuyển đổi lắp trước Ống nhòm, biến hồng ngoại thành điện tử để tăng tốc độ đập vào màn huỳnh quang tạo ra ảnh nhìn thấy. Tuy nhiên ảnh có được rất mờ. Việc cải tiến loại ống này đã có những bước tiến rất rõ rệt vào những năm 1960 nhờ cách khuếch đại rất đáng kể số điện tử do photon hồng ngoại tạo ra nên ống chuyển đổi được gọi là ống tăng cường ảnh (image intensifier tube). Trong lịch sử khoa học người ra gọi ống tăng cường ảnh này là ở thế hệ 1 và lần đầu tiên được Mỹ đem ra ứng dụng để chống chiến tranh du kích ở Miền nam Việt nam.
Đến nay đã có ống tăng cường ảnh thế hệ 4, tuy nhiên cơ bản là đã chế tạo được tấm kênh micrô MCP (microchannel plate) bắt đầu sử dụng ở ống tăng cường ảnh thế hệ 2 phổ biến từ sau những năm 1970. Sau đây là cấu tạo và nguyên lý của một Ống tăng cường ảnh để nhìn thấy ban đêm loại phổ biến hiện nay (hình 1)
Hình 1. Cấu tạo của ống tăng cường ảnh và Ảnh con sư tử nhìn thấy được vào ban đêm nhờ ống tăng cường ảnh.
[1]: Vật kính để tạo ảnh trên photocatốt[2]: photocatốt biến đổi photon thành điện tử.
[3]: Tấm kênh micro MCP làm tăng tốc và tăng cường số điện tử từ photocatốt phát ra [5] màn phôtpho để điện tử đập vào phát sáng tạo ra ảnh nhìn thấy [7].
[4]: Buồng hút chân không và cấp điện cao thế cho các điện cực ở MCP.
[6]: Ngoài cùng là một thấu kính gọi là vật kính, làm nhiệm vụ gom góp tất cả photon đến để tạo ra ảnh cần quan sát lên photocatốt.
- Ban đêm trời tối nhưng không phải lúc nào cũng tối đen, vẫn có thể còn có những ánh sáng yếu ớt từ trăng từ sao... nên ảnh tạo ra trên photocatôt có thể là do photon nhìn thấy nhưng rất rất ít còn chủ yếu là photon hồng ngoại. Nói chung ảnh vật kính tạo ra trên photocatốt là ảnh mà mắt nhìn thấy rất mờ hoặc hoàn toàn không nhìn thấy.
- Photocatốt là một tấm mỏng làm bằng hợp chất gọi là Multi - Akali hoặc tốt và đắt hơn là hợp chất bán dẫn asenic gali (AsGa). Photon nhìn thấy cũng như hồng ngoại đập vào Photocatốt thì phát ra điện tử (hiệu ứng quang điện). Như vậy sau khi qua photocatốt, “ảnh quang học” đã chuyên thành “ảnh điện tử”.
- Sau photocatốt là tám kênh micro MCP (micro channel plate). Đây là tấm thủy tinh chế tạo theo kỹ thuật sợi quang, có hàng triệu lỗ nhỏ xuyên qua. Mỗi lỗ nhỏ có đường kính là 12,5micromet, dài cỡ 600 micromet (bằng bề dày của tấm MCP), thành của lỗ nhỏ hình ống này được phủ lớp bán dẫn mỏng, ở hai mặt của tấm kênh micrô có hai điện cực mỏng nổi với hiệu thế cỡ 5000 vôn. Khi điện tử từ photocatôt được tăng tốc lọt vào lồ nhỏ hình ống, tức là vào kênh micrô, mỗi lần va chạm với thành ống là một lần làm bứt ra hai hoặc nhiều điện tử, mỗi điện tử bứt ra này va chạm với thành ống lại làm bứt ra nhiều điện tử khác. Kết quả do hiệu ứng thác lũ này số điện tử ra khỏi ống hàng chục nghìn lần lớn hơn số điện tử vào ống.
- Số điện tử ra khỏi tấm MCP trực tiếp đập vào màn phôtpho làm cho màn này sáng lên với ánh sáng màu xanh lục, mắt cảm nhận được.
Trong trường hợp ống nhòm thì người ta bố trí thị kính để mắt nhìn rõ ảnh hiện lên màng photpho. Trường hợp chụp ảnh hay quay phim thì máy chụp ảnh hay quay phim được điều chỉnh để ghi hình rõ các ảnh hiện lên màng phôtpho.
Như vậy là Ống tăng cường ảnh làm nhiệm vụ biến ảnh mù mờ mắt không nhìn thấy thành ảnh nhìn thấy rõ trên màn photpho thông qua việc biến đổi và khuyếch đại photon thành điện tử rồi từ điện tử biến đổi trở lại thành photon nhìn thấy. Quá trình này cần đến năng lượng điện nên luôn phải có pin lắp vào thì ống tăng cường ảnh mới làm việc được.
Mặt khác trường hợp trời quá tối, tuy thực sự là có tia hồng ngoại phát ra từ các vật nóng ấm xung quanh nhưng thường là rất yếu. Do đó ống tăng cường ảnh thường được trang bị thêm ống phát tia hồng ngoại để chiếu bổ sung khi cần. Việc chiếu hồng ngoại đảm bảo được đối phương không thấy, không biết. Sử dụng ông tăng cường ảnh để nhìn thấy ban đêm đáp ứng tốt yêu cầu quốc phòng và an ninh theo dõi dược hoạt động của đối phương vào ban đêm, lúc trời tối.
Còn một cách nữa để nhìn thấy ban đêm đáp ứng nhiều yêu cầu khác tinh vi hơn, đó là cách tạo ra ảnh nhiệt (thermal imaging) bạn có thể tìm hiểu thêm tại đây
Hình 2. Ống nhòm để nhìn thấy ban đêm. Phía trước là ống tăng cường ảnh, trên là ống chiếu hồng ngoại.
Tác giả: Nguyễn Xuân Chánh
0 comments: