Cấu tạo ống khuếch đại ánh sáng (EOP) trong kính nhìn đêm và xu hướng phát triển.

Trước những yêu cầu mới đó, các thiết bị nhìn đêm (NVD) đã không còn được xem như những vật dụng xa xỉ mà đã trở thành những thiết bị không thể thiếu được trang bị cho từng người lính trên chiến trường. Từ khi số lượng lớn thiết bị nhìn đêm được đưa vào trang bị, các tính năng kỹ thuật, độ tin cậy, độ bền của chúng đã ngày càng được cải thiện do bộ phận cấu thành quan trọng nhất của thiết bị nhìn đêm là ống khuếch đại ánh sáng (EOP) ngày càng ưu việt hơn. Với việc dễ dàng triển khai trong tác chiến và chi phí bảo trì thấp các thiết bị nhìn đêm đã trở nên thiết yếu trong phát huy tối đa những năng lực tác chiến của từng người lính trong chiến đấu.         

Hiện nay trên thế giới, việc chia thế hệ của NVD thường lấy theo thế hệ của EOP như thế hệ 0,1,2,3,4 tuy nhiên số lượng EOP thế hệ 2+ và các biến thế của 2+ được sử dụng nhiều nhất trong NVD. Khái niệm phân biệt EOP thế hệ 3 và 4 vẫn còn nhiều quan điểm trái chiều (có trường phái chia EOP thế hệ 4 là loại màn ảnh sử dụng chíp CCD hoặc chia EOP thế hệ 4 là loại có phổ nhạy mở rộng tới bước sóng 1,8µm hoặc EOP thế hệ 3 nhưng sử dụng thêm NNCA dạng xung gọi tắt là EOP Autogating). EOP trên thế giới chỉ có khoảng 10 nước sản xuất: Mỹ, Pháp, Nga, Isaren, Hà Lan, Anh, Nhật, Trung Quốc, Ấn Độ và Việt Nam trong đó Mỹ, Pháp, Nga chiến thị phần sản xuất lớn nhất.

Việt Nam đã làm chủ được công nghệ sản xuất EOP thế hệ 2+ (có dây chuyền sản xuất 2000 sp/năm tại Z181-Tổng cục CNQP), các sản phẩm làm ra có tính năng kỹ thuật ngày càng được nâng cao về độ nhạy sáng, độ phân giải và tỷ số tín/tạp đáp ứng theo xu thế phát triển của thế giới. Các EOP do Nhà máy Z181 sản xuất ra đã lắp vào nhiều loại khí tài: kính nhìn đêm cho súng AK, PKM-S, B41, SPG9, DKZ82-B10 và đang được nghiên cứu thử nghiệm kính nhìn đêm lắp cho súng cối, AGS17, M79, 12ly7 cùng với đó là các loại ống nhòm 1 mắt, 2 mắt, kính cho lái xe, trưởng xe tăng T54,55. Các loại khí tài trên đã được trang bị cho bộ đội chủ lực của Quân đội nhân dân Việt Nam.

1. Nguyên lý hoạt động của EOP

EOP là thiết bị khuếch đại (nâng cao) ánh sáng của ảnh tại mức ánh sáng yếu lên mức mắt người có thể nhìn thấy hoặc các cảm biến ảnh điện tử có thể phát hiện được. Tất cả các EOP được cấu thành từ ba phần tử chính: photocathode (PC), tấm vi kênh (MCP) và màn huỳnh quang phosphor (màn ảnh) như hình 1.1
 
Hình 1.1: Kết cấu và nguyên lý hoạt động của EOP
 
EOP thu ánh sáng từ môi trường xung quanh thông qua vật kính của NVD. Ánh sáng này có thể từ những nguồn ánh sáng tự nhiên như: ánh sáng trăng, sao hoặc từ những nguồn sáng nhân tạo như đèn đường, đèn chiếu hồng ngoại. Những photon của luồng ánh sáng yếu đập vào màn photocathode (PC). PC là một tấm thủy tinh phẳng được phủ một lớp nhạy sáng rất mỏng, nằm ở phía trong của cửa sổ vào của EOP, lớp nhạy sáng này có tác dụng chuyển các photon thành electron và giải phóng chúng vào chân không trong ống. Cấu tạo của lớp mỏng nhạy sáng thường chứa một hay nhiều loại kim loại kiềm (EOP thế hệ 0 dùng PC loại S1 thành phần chứa  Ag-0-Cs, EOP thế hệ 1 dùng PC loại S20 thành phần gồm  Na-K-Sb-Cs, EOP thế hệ 2 và các biến thể dùng PC loại S25 thành phần đa kiềm tuy nhiên tính năng kỹ thuật cao hơn hẳn S20, EOP thế hệ 3 thay thế PC đa kiềm bằng PC trên cơ sở vật liệu GaAs, EOP thế hệ 4 có loại sử dụng PC trên cơ sở vật liệu InGaAs). EOP có chân không 10-9 tới 10-10 Torr, chân không này là thiết yếu có tác dụng bảo vệ màng nhạy của PC khỏi oxy hóa và là môi trường cho electron đi qua. Sau khi được giải phóng, những electron này được gia tốc và đi vào lên tấm vi kênh (MCP) bởi một điện trường cao thế.
 
Tấm vi kênh MCP là một đĩa thủy tinh mỏng có độ dầy khoảng 0,3 mm có hàng triệu kênh nhỏ như hình 1.2. Khi một electron từ PC dập vào thành trong của một kênh, một vài electron thứ cấp được sinh ra dưới tác động này. Mỗi một electron thứ cấp này lại được gia tốc trong vi kênh bởi một điện trường khác và trong những lần va đập tiếp theo vào thành trong vi kênh sẽ có thêm nhiều electron thứ cấp sinh ra. Quá trình này được lặp đi lặp lại dọc theo chiều dày của MCP. Mỗi một electron đi vào tấm vi kênh sẽ có hàng nghìn electron thứ cấp được sinh ra và tiếp tục được gia tốc sau khi thoát khỏi tấm vi kênh bởi một điện trường thứ ba tới màn hình huỳnh quang phosphor (màn ảnh).

Hình 1.2: Tấm vi kênh
 
Màn ảnh là một lớp phát sáng huỳnh quang mỏng được phủ lên mặt bên trong của cửa sổ ra của EOP (thủy tinh hoặc quang sợi), lớp này có tác dụng chuyển ngược electron thành photon. Khi chùm electron từ MCP ra đập vào màng huỳnh quang, hàng chục nghìn photon sẽ được sinh ra đối với mỗi một photon đập vào màng cathode. Toàn bộ quá trình nhân lên nhiều lần này có thể tạo ra ảnh “tăng cường độ sáng”, ảnh này sáng hơn rất nhiều lần so với ảnh nguyên gốc và có thể nhìn thấy được bằng mắt thường.

2. Xu hướng phát triển EOP trên thế giới
EOP có nhiều chỉ tiêu kỹ thuật (độ nhạy sáng, độ phân giải, tín/tạp SNR, hệ số khuếch đại, độ tương phản MTF, Halo, tuổi thọ, đặc tính nguồn nuôi, khối lượng, kích thước, v.v) trong đó hiện nay các nhà sản xuất tập trung vào nâng cao chất lượng cho 3 chỉ tiêu chính là độ nhạy sáng, độ phân giải, tỷ số tín/ tạp.
      Để nâng cao 03 chỉ tiêu chính của EOP, trên thế giới hiện nay có hai xu thế:

+ Xu thế các nhà sản xuất Mỹ và Nga tập trung vào tăng độ nhạy sáng của PC. Chính vì thế họ tập trung vào cải tiến lớp màng PC trên cơ sở vật liệu GaAs (EOP thế hệ 3). Mặc dù độ nhạy của EOP đã nâng lên >1500 µA/lm tuy nhiên trong cấu tạo của EOP thế hệ 3 có lớp màng ngăn ion hóa điều này lại tác động tới làm giảm độ nhạy và tăng độ ồn. Khi EOP được sử dụng trong môi trường có nhiều nguồn sáng (trăng, sao, chớp lửa của đạn, .v.v), EOP có độ nhạy cao dễ bị lóa, bị nhiễu hơn và độ phân giải giảm dẫn đến khó quan sát mục tiêu. Do đó trên thế giới EOP thế hệ 3 thường dùng cho các khí tài sử dụng trong môi trường tối đặc biệt. Quy mô các nhà sản xuất Mỹ và Nga khoảng 80.000 sản phẩm trên năm cung cấp cho Mỹ, Nga, các nước thuộc Liên Xô cũ.

+ Xu thế các nhà sản xuất Pháp (Photonics) tập trung vào tăng độ phân giải (Lr) và chỉ tiêu tín/tap SNR, họ đưa ra chỉ tiêu để đánh giá FOM (>=1600) = Lr x SNR và phải đảm bảo độ nhạy >=650 µA/lm. Mỗi năm các nhà sản xuất Pháp sản lượng hơn 100.000 EOP các loại, cung cấp EOP cho toàn thế giới. Gần đây, các EOP mới của Photonics đã có FOM >2100 (trong đó độ phân giải > 70 và SNR>30) cho chất lượng hình ảnh thu được rất mịn và sắc nét.
Nắm bắt được xu thế phát triển của thế giới, cùng với nắm rõ được cấu tạo của EOP chúng ta nhận thấy để nâng cao các tính năng kỹ thuật của EOP cần chú trọng vào nâng cao thông số kỹ thuật của từng phần tử cấu thành nên EOP (chú trọng vào 3 phần tử chính PC, MCP, màn ảnh). Tùy theo môi trường sử dụng và yêu cầu của khí tài mà chúng ta lựa chọn EOP thế hệ 2+ hay EOP thế hệ 3 sao cho phù hợp. Trong đó, việc nâng cao độ nhạy sáng cho PC đã phân tích theo hai xu hướng ở trên.

Đối với MCP: xu thế sử dụng MCP có đường kính lỗ ngày càng giảm, việc giảm kích thước đường kính lỗ MCP kết quả dẫn đến tăng độ phân giải cho EOP. Hiện nay, có các loại đường kính lỗ MCP như sau: 10µm, 8 µm, 6 µm và đã có loại 4 µm. Tuy nhiên việc chế tạo MCP có đường kính lỗ ngày càng giảm gắn với việc nghiên cứu sử dụng các vật liệu đặc biệt để giảm độ ồn nội tại của MCP. Xu thế các nhà sản xuất MCP hiện nay đã không còn sản xuất loại 10µm, loại 8 µm đã sản xuất ít dần đi tập trung sản xuất loại 6 µm và tiến tới sản xuất loại 4 µm sao cho giá thành ngày càng hạ.

Đối với màn ảnh: để tăng chất lượng màn ảnh EOP xu thế sử dụng quang sợi có đường kính của từng sợi ngày càng giảm sao cho tương ứng với MCP được sử dụng như loại 10µm, 8 µm, 6 µm và 4 µm và cùng với đó sử dụng chất lượng bột huỳnh quang có đường kính hạt nhỏ hơn. Loại bột huỳnh quang đang dùng phổ biến hiện nay P22 (cho kết quả hình ảnh màu xanh) đang dần dịch chuyển sang loại P43 (cho kết quả hình ảnh màu vàng xanh) và loại P45 (cho kết quả hình ảnh đen trắng), một số nơi đã công bố có loại P48 (loại tác động nhanh). Xu thế sắp tới bột huỳnh quang loại P22 sẽ không sản xuất nữa, chỉ sản xuất loại P43 và P45. Tùy vào môi trường sử dụng NVD mà lựa chọn sử dụng loại bột huỳnh quang nào cho sao kết quả hình ảnh tốt nhất.

Ngoài ra, EOP hiện nay có thêm tính năng mới sử dụng nguồn nuôi cao áp dạng xung gọi tắt EOP auto-gating (tuy nhiên chỉ từ EOP thế hệ 3 mới có tính năng AG). Việc sử dụng EOP AG sẽ khắc phục được nhược điểm lóa sáng màn ảnh khi quan sát mục tiêu mà môi trường xuất hiện các luồng sáng mạnh như chớp lửa đầu lòng của đạn, đèn pha v.v...

Chúng ta cần nắm bắt rõ các xu hướng phát triển của EOP, các ưu nhược điểm của từng xu thế để từ đó lựa chọn được những EOP phù hợp nhất cho kính nhìn đêm lắp cho từng loại khí tài trang bị cho người lính sử dụng ngày càng thuận tiện, sử dụng linh hoạt sao cho thiết bị nhìn đêm NVD trở thành “người bạn đồng hành”không thể thiếu của người lính trên chiến trường.

Đại tá Nguyễn Bình Nguyên - Giám đốc nhà máy Z181.
Đại úy Lê Hải Ninh - Phó giám đốc xí nghiệp Quang điện tử/Z181

(Bài viết được đăng trên Tạp chí Kỹ thuật và Trang bị (Tạp chí của ngành kỹ thuật quân đội). Số 198 Ngày 18 tháng 3 năm 2017.)