Night Vision Công nghệ nhìn xuyên màn đêm

Với một ống nhòm được gắn thêm thiết bị Night
Vision hiện đại nhất, bạn hoàn toàn có khả năng theo sát hoạt động của
một người đứng cách xa đến 200 mét mà hoàn toàn chẳng cần đến thứ gọi là
ánh sáng. Công nghệ Night Vision hoạt động theo hai phương thức hoàn
toàn khác biệt:

Công nghệ
này hoạt động dựa vào cơ chế "bắt" lấy nhiệt tỏa ra từ các tia sáng có
bước sóng thấp. Do đó, công nghệ này sẽ dễ dàng nhận diện những vật thể
tỏa nhiệt như người, động cơ hơn là những vật thể "lạnh" như cây cối,
nhà cửa. Công nghệ tăng cường ảnh (nguyên văn: Image enhancement)
- công nghệ này hoạt động dựa trên những ánh sáng có bước sóng dài,
những ánh sáng này hoàn toàn vô hình với mắt thường. Tuy nhiên, sau khi
được điều chỉnh, bước sóng của những ánh sáng này sẽ nằm trong giới hạn
mà ta có thể quan sát được.

Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn đọc tìm hiểu sâu hơn
về hai loại công nghệ này, đồng thời giới thiệu về những dòng thiết bị
Night Vision và những ứng dụng của chúng trong thực tế. Nhưng trước
tiên, hãy cùng tìm hiểu về bản chất của ánh sáng.

Nguồn năng lượng trong mỗi tia sáng phụ thuộc vào
bước sóng của nó: bước sóng càng thấp, năng lượng càng lớn. Trong giới
hạn nhìn thấy của mắt người, ánh sáng tím chứa nhiều năng lượng nhất, và
đối lập với nó - ánh sáng đỏ sẽ mang theo ít năng lượng nhất.

Vùng cận hồng ngoại: nằm gần sát với vùng ánh sáng
mà mắt người có khả năng quan sát được, những ánh sáng nằm trong vùng
này có bước sóng khoảng từ 0.7-1.3 micron, hay 1 phần 7 tỷ tới 1 phần
1300 tỷ mét.

Vùng giữa hồng ngoại: Ánh sáng nằm trong vùng này có bước sóng vào khoảng 1.3 đến 3 micron.

Vùng ánh sáng nhiệt: chiếm khoảng rộng nhất, với bước sóng vào khoảng từ 3 đến 30 micron.

Sự khác biệt giữa vùng ánh sáng nhiệt với hai vùng
còn lại nằm ở chỗ: những ánh sáng nhiệt sẽ được phát xạ đi, thay vì phản
chiếu một vật thể. Và nguyên nhân của sự khác biệt là do những hiện
tượng xảy ra trong thế giới hạ phân tử. Như ta đã biết, khi một electron
di chuyển tới một quỹ đạo mang năng lượng cao hơn, nó sẽ có xu hướng
quay về quỹ đạo cũ. Và khi làm như vậy, electron này sẽ giải phóng ra
năng lượng dưới dạng photon - một phần tử của ánh sáng. Photon được phát
xạ này, có bước sóng hoàn toàn phụ thuộc vào trạng thái của electron đã
giải phóng ra nó. Và với một vật thể có nhiệt độ cao, các phần tử trong
nó mang động lượng rất lớn, do đó các photon được phát xạ ra sẽ có bước
sóng nằm trong giới hạn mắt người quan sát được: đỏ sau đó là da cam,
vàng, xanh, thậm chí là trắng.

Công nghệ này sẽ hoạt động cụ thể như sau:

1. Một thấu kính đặc biệt sẽ tập trung vào các tia sáng hồng ngoại phát ra bởi tất cả những vật thể trong tầm nhìn.

2. Những tia sáng này sẽ được quét qua một dàn định
pha ánh sáng (nguyên văn: phased array) gắn trên bộ dò hồng ngoại. Bộ
dò hồng ngoại này sau đó sẽ tạo ra một dải màu biểu thị nhiệt độ cực kỳ
chi tiết được gọi là một biểu đồ nhiệt. Chỉ mất khoảng 1/30 đến 1 giây
để bộ dò này thu thập các thông số về nhiệt độ của vật thể và tạo ra một
biểu đồ nhiệt.

3. Biểu đồ nhiệt được tạo ra sẽ được chuyển thành các xung điện.

4. Các xung này sau đó sẽ được chuyển tới một đầu
đọc tín hiệu, đầu đọc này sẽ dịch mã những thông tin từ các xung điện
thành các dữ liệu để chuyển tới bộ phận hiển thị.

5. Các thông tin này sẽ được hiển thị trên màn
hình, màu sắc của chúng hoàn toàn phụ thuộc vào cường độ của tia sáng
hồng ngoại phát ra từ vật thể. Kết hợp với các thông số khác, hình ảnh
của đối tượng giờ đã hoàn toàn nằm trong tầm ngắm của bạn.

Mọi thứ rất dễ dàng để quan sát vào ban ngày...


Vào ban đêm lại là một chuyện khác.

Phần lớn
những thiết bị quan sát nhiệt có tần số quan sát khoảng 30 lần/s. Chúng
nhạy cảm với khoảng nhiệt độ từ -20 độ C đến 3000 độ C - một khoảng cực
kỳ rộng, và có thể dễ dàng phát hiện ra những thay đổi nhiệt độ rất nhỏ
(chỉ cần dưới 0.5 độ C là quá đủ).

Hiện nay, có hai loại thiết bị quan sát nhiệt đang được sử dụng phổ biến:

Loại không được làm mát: là loại đang được sử dụng
phổ biến nhất. Đầu dò được gắn vào một hộp có nhiệt độ ngang với nhiệt
độ phòng. Chạy êm, bật tắt gần như ngay lập tức mà không tốn thời gian
khởi động và có pin gắn vào ngay bên trong.

Loại làm mát: Đắt hơn và dễ bị hỏng hóc hơn khi va
chạm. Đầu dò của loại này được đặt vào trong một hộp có nhiệt độ dưới 0
độ C. Cải tiến ở đây là việc hình ảnh sẽ trở nên rõ nét hơn, và thiết bị
sẽ trở nên nhạy cảm hơn với các vật thể "lạnh" -- như cây cối, nhà cửa.
Một thiết bị Night Vision sử dụng công nghệ làm mát có thể dễ dàng nhận
ra một vật thể có nhiệt độ chỉ khoảng 0.1-0.2 độ C từ khoảng cách hơn
300 mét, quá đủ nếu như đó là khẩu súng đang ở trong tay một tên khủng
bố.

Nếu bạn đã từng chơi game Counter Strike và một lần
trải nghiệm cảm giác bật Night Vision để săn tìm đối thủ trong màn đêm
dày đặc, hẳn những hình ảnh dưới đây sẽ rất quen thuộc. Như đã nói ở
trên, công nghệ tăng cường hình ảnh hoạt động chủ yếu dựa trên cơ chế
thu thập và khuếch đại tia hồng ngoại và những tia sáng nằm trong giới
hạn mắt thường. Cụ thể như sau:

1. Một ống nhòm chuyên dụng sẽ thu thập thông tin về các tia hồng ngoại và các tia sáng cận hồng ngoại.

2. Những tia sáng này sau đó sẽ được gửi tới một ống khuếch đại hình ảnh

3. Ống khuếch đại này chứa một thiết bị có tên gọi
photocathode, với tác dụng là chuyển năng lượng từ các photon vào các
electron.

4. Khi các electron này đi qua ống khuếch đại hình
ảnh, các electron tương tự sẽ được giải phóng ra khỏi các nguyên tử nằm
trên ống, do đó khuếc đại số lượng các electron này lên gấp hàng nghìn
lần.

5. Các electron này sẽ di chuyển trong nhiều kênh
khác nhau, và ở cuối ống, các electron này sẽ gắn vào một màn hình đã
được bôi phốt pho. Vị trí của các electron này trên màn hình phospho
hoàn toàn phụ thuộc vào các electron được tạo ra ban đầu, nên hình ảnh
hiển thị sẽ rất rõ ràng và chính xác. Năng lượng của các electron này sẽ
kích hoạt các nguyên tử phospho, làm các electron nằm trong các nguyên
tử phospho đạt đến 1 trạng thái năng lượng cao hơn, và giải phóng ra
photon, từ đó tạo ra hình ảnh. Việc sử dụng phospho làm chất hiển thị đã
giải thích cho màu xanh mà ta thường thấy khi bật thiết bị này.

6. Những hình ảnh này sẽ được quan sát thông qua
một thấu kính khác, được gọi là thị kính. Thị kính sẽ cho phép bạn phóng
đại và tập trung vào quan sát vật thể.

Công nghệ nhìn xuyên màn đêm Night Vision đã tồn
tại từ hơn 40 năm nay và đã trải qua vô vàn những cải tiến. Về cơ bản,
công nghệ này được chia làm 5 thế hệ:

Thế hệ 0:
Công nghệ Night Vision nguyên bản được tạo ra bởi quân đội Hoa Kỳ, và đã
được sử dụng trong chiến tranh thế giới thứ 2 và chiến tranh Hàn Quốc.
Những thiết bị Night Vision này sử dụng công nghệ chiếu tia hồng ngoại
chủ động. Một đèn chiếu sẽ được gắn vào, và phát ra các tia có bước sóng
cận hồng ngoại. Hoàn toàn vô hình trước mắt thường, những tia sáng này
sẽ phản chiếu các vật thể và dội ngược trở về thấu kính của thiết bị
Night Vision. Hệ thống này sử dụng thêm hai điện cực : Anốt (cực âm) và
Catốt (cực dương) để tăng tốc cho các electron. Tuy nhiên, việc tăng tốc
các electron này sẽ làm nhiễu hình ảnh và giảm tuổi thọ của thiết bị.
Một vấn đề nảy sinh nữa là công nghệ này lại quá dễ dàng để sao chép, do
đó kẻ địch có thể lợi dụng phương tiện quan sát lợi hại này để gây ra
những tổn thất lớn.

Thế hệ 1:
Bước cải tiến của những thiết bị Night Vision thuộc thế hệ này là đã
không còn dùng đèn chiếu tia hồng ngoại nữa, thay vào đó lợi dụng nguồn
sáng tự nhiên từ mặt trăng. Điều này cũng đồng nghĩa với việc những
thiết bị này sẽ hoàn toàn vô dụng trong những đêm không trăng hoặc nhiều
mây. Và với việc vẫn sử dụng catốt và anốt để tăng tốc cho các
electron, nhiễu hình ảnh và tuổi thọ thấp vẫn là vấn đề lớn của những
thiết bị này.

Thế hệ 2:
Thế hệ 2 thực sự là một bước tiến trong sự phát triển của công nghệ
Night Vision. Chất lượng hình ảnh và độ bền vững vượt xa thế hệ 1, nhưng
đáng kể nhất phải là khả năng quan sát trong một điều kiện ánh sáng cực
kỳ hạn chế của những chiếc ống nhòm này. Những cải tiến này có được là
nhờ sự gắn thêm của một thiết bị có tên là microchannel plate (tạm dịch:
tấm vi kênh). Những tấm vi kênh này có tác dụng tăng số lượng các
electron (thay vì tốc độ của chúng như những thế hệ đầu), và chính điều
đó đã làm giảm độ nhiễu và làm hình ảnh trở nên rõ nét hơn rất nhiều.

Thế hệ 3:
Hiện những chiếc ống nhòm Night Vision thế hệ 3 vẫn đang được sử dụng
bởi lực lượng quân đội Hoa Kỳ. Nhìn chung, cũng không có nhiều cải tiến
khi so sánh chúng với những thiết bị thuộc thế hệ 2. Thiết bị khuếch đại
được làm lại với vật liệu chủ yếu là gallium arsenide, và loại vật liệu
này tỏ ra rất hiệu quả trong việc chuyển năng lượng từ các photon vào
các electron. Thêm vào đó, các tấm vi kênh sẽ được phủ thêm một lớp ion,
do đó tuổi thọ của những ống khuếch đại được cải thiện rõ rệt.

Thế hệ 4:
Điểm cải tiến thú vị của những thiết bị này là việc gỡ bỏ....những cải
tiến của thế hệ 3. Thật sự vậy, việc phủ thêm một lớp ion lên các tấm vi
kênh tuy tăng cường tuổi thọ cho nó, nhưng lại làm nhiễu hình ảnh hơn
rất nhiều, đồng thời làm giảm số lượng các điện tích có khả năng đến
được ống khuếch đại. Loại bỏ lớp che phủ này, hình ảnh trở nên bớt nhiễu
và "sáng" hơn rất nhiều

Bên cạnh đó, việc gắn thêm hệ thống nguồn tự động
có van (nguyên văn: automatic gated power supply) lên các catốt giúp cho
người sử dụng có thể nhanh chóng chuyển đổi từ chế độ "nhìn đêm" sang
chế độ quan sát ban ngày. Hãy thử cùng hình dung, khi bạn đang sử dụng
ống nhòm Night Vision và quan sát đối tượng trong bóng đêm, mọi chuyện
sẽ rất phiền phức nếu hắn bật đèn lên và tiếp tục hành sự. Nhưng với cải
tiến mới này, sự thay đổi về nguồn sáng sẽ không phải là vấn đề lớn
nữa.

Công nghệ Night Vision có thể được chia thành 3 mảng lớn:

Có thể dùng cầm tay hoặc gắn lên vũ khí. Ống nhòm
Night Vision sẽ là phương tiện lý tưởng nếu bạn muốn quan sát một vật
thể cụ thể nào đó, và khi cần, có thể nhanh chóng chuyển về chế độ quan
sát bình thường.

Nếu như ống nhòm được sử dụng khi bạn cần quan sát
đối tượng từ xa thì kính Night Vision là một phương tiện lý tưởng khi
cần phát hiện đối tượng trong bóng đêm ở cự ly gần, ví dụ như khi bạn
đang di chuyển cùng đồng đội trong hang ổ của một băng nhóm tội phạm nào
đó.

Camera được gắn thêm thiết bị Night Vision thường
được sử dụng làm thiết bị an ninh trong các tòa nhà, hoặc như một phần
trong thiết bị quan sát của trực thăng. Những hình ảnh quan sát được từ
thiết bị Night Vision sẽ được xử lý, sau đó gửi trực tiếp về một màn
hình hiển thị.