Giải pháp nâng cao tính năng thiết bị nhìn đêm khuếch đại ánh sáng yếu

Thiết bị nhìn đêm
 
Thiết bị nhìn đêm (NVD) là thiết bị quang học - điện tử giúp con người có thể quan sát được môi trường xung quanh trong điều kiện đêm tối hay có ánh sáng cực yếu. Hiện nay, NVD kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhẹ, tính năng kỹ thuật, độ tin cậy, độ bền ngày càng được nâng cao. Một số NVD được các nước tự phát triển và trang bị cho quân đội. Mỗi người lính khi tham gia tác chiến điều được trang bị thiết bị nhìn đêm.
 
Trên thế giới hiện nay, NVD được chia thành hai loại. Đó là, NVD ảnh nhiệt và NVD khuếch đại ánh sáng yếu. NVD ảnh nhiệt có ưu điểm là: tầm quan sát lớn, hoạt động được cả ban ngày và ban đêm; có thể tích hợp với các khi tài khác như thiết bị đo xa lade, la bàn điện tử, hệ thống định vị GPS để xác định tọa độ mục tiêu, điều khiển hỏa lực. Nhược điểm là: có kích thước và khối lượng lớn; giá thành đắt; thao tác sử dụng phức tạp; tầm nhìn hạn chế khi trời mưa. Quân đội ta, NVD ảnh nhiệt được trang bị cho một số đơn vị thuộc lực lượng hải quân, không quân và pháo binh. Các NVD ảnh nhiệt này được nhập từ nước ngoài. NVD khuếch đại ánh sáng yếu có ưu điểm là: kích thước nhỏ, gọn, dễ sử dụng; có ưu thế vượt trội khi quan sát hoặc ngắm bắn ở cự ly <1.000 m; có thể nhận dạng được khuôn mặt đối tượng. Nhược điểm là tầm nhìn bị hạn chế khi môi trường quan sát có khói, sương mù hoặc ánh sáng quá yếu (trời không trăng, nhiều mây, không có nguồn sáng). Hiện nay, NVD khuếch đại ánh sáng yếu trang bị rộng rãi cho lực lượng bộ binh (ống nhòm đêm cá nhân) và các loại súng bộ binh (kính ngắm đêm). Xí nghiệp 23, Nhà máy Z199 Tổng cục CNQP đã phát triển được một số NVD khuếch đại ánh sáng yếu như kính nhìn đêm trang bị cho súng AK, súng PKM-S, súng B-41, súng SPG-9, súng ĐKZ82-B10; đang nghiên cứu thử nghiệm kính nhìn đêm trang bị cho súng cối, súng AGS-17, súng M-79, súng máy phòng không 12,7 mm; các loại ống nhòm một mắt, hai mắt trang bị  cho lái xe, trưởng xe tăng T-54, T-55. Các khí tài trên đều sử dụng ống khuếch đại ánh sáng do Nhà máy Z181,Tổng cục CNQP phát triển.  
Thiết bị nhìn đêm khuếch đại ánh sáng yếu

 
NVD khuếch đại ánh sáng yếu được phát minh và đưa vào sử dụng từ thập niên 40 của thế kỷ 20. Khi đó, để quan sát mục tiêu bằng NVD khuếch đại ánh sáng yếu thì phải dùng đèn pha hồng ngoại để chiếu vào mục tiêu. Ngày nay, NVD khuếch đại ánh sáng yếu đã được nghiên cứu cải tiến, phát triển không ngừng.
NVD khuếch đại ánh sáng yếu có cấu tạo gồm: vật kính, ống khuếch đại ánh sáng (EOP), thị kính, hệ tạo lưới ngắm, khối nguồn và võ khí tài
- Vật kính: là hệ thống quang học (bao gồm các thấu kính, lăng kính, gương) có tác dụng tạo ảnh thật của mục tiêu. 
- Ống khuếch đại ánh sáng (EOP) là phần tử quan trọng nhất (trái tim) của NVD khuếch đại ánh sáng yếu, có khă năng 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. EOP được cấu thành từ ba phần tử chính: photocathode (PC), tấm vi kênh (MCP) và màn huỳnh quang phosphor (màn ảnh). EOP thu ánh sáng yếu từ môi trường xung quanh (ánh sáng từ mặt trăng, từ ngôi sao hoặc từ những nguồn sáng nhân tạo như đèn đường, đèn chiếu hồng ngoại…) thông qua vật kính của NVD. Những photon của luồng ánh sáng yếu đập vào màn PC, lớp nhạy sáng trên PC chuyển các photon thành các electron. Các electron này được gia tốc và đi tới các kênh của MCP. Tại từng kênh, một electron thứ cấp được gia tốc và va đập liên tiếp trong lòng kênh cho đến khi hết chiều dày của MCP. Kết quả, mỗi một electron đi vào MCP sẽ có hàng nghìn electron thứ cấp được sinh ra và gia tốc với màn hình huỳnh quang. Tại màn hình huỳnh quang các electron được chuyển ngược thành photon, cho hiển thị ảnh mà nhìn thấy được bằng mắt thường.
- Thị kính: là hệ thống quang học có tác dụng đưa hình ảnh của mục tiêu ở xa vô cùng về gần ngay trước mắt, giúp ta quan sát được bằng mắt thường.
- Hệ tạo lưới ngắm gồm kính vạch khắc, đèn LED chiếu sáng kính vạch và các chi tiết quang học bổ trợ khác. Có tác dụng giúp ta xác định được vị trí của mục tiêu khi ngắm qua kính.
- Khối nguồn bao gồm bản mạch, công tắc và nguồn cấp có chức năng cấp nguồn cho EOP hoạt động và cấp nguồn cho đèn LED chiếu sáng kính vạch khắc. NVD khuếch đại ánh sáng yếu chủ yếu sử dụng nguồn 3V hoặc 1,5V.
- Võ khí tài có tác dụng liên kết các phần lại với nhau và bảo vệ khí tài. Ngoài ra vỏ khí tài còn có phần đồ gá giúp gá khí tài lên súng.
 

Sơ đồ nguyên lý NVD khuếch đại ánh sáng yếu

 
Nguyên lý hoạt động: các nguồn ánh sáng trong tự nhiên như trăng, sao, các ánh sáng ngoại lai... (đây là nguồn ánh sáng yếu trong vùng nhìn thấy và ánh sáng ở vùng hồng ngoại gần (mắt người không nhìn thấy được)) chiếu đến mục tiêu; bức xạ từ mục tiêu được vật kính hội tụ để tạo ảnh mục tiêu trên bề mặt photocathode của EOP; ảnh này được EOP khuếch đại thành ảnh nhìn thấy trên màn ảnh của EOP; người quan sát nhìn vào thị kính sẽ thấy ảnh mục tiêu trên màn ảnh của EOP.
 
Giải pháp nâng cao tính năng NVD khuếch đại ánh sáng yếu
Một trong những giải pháp nâng cao tính năng NVD khuếch đại ánh sáng yếu mà hầu hết các nước lựa chọn là phát triển các tính năng kỹ thuật của EOP.
 
- Trước tiên, tập trung vào nâng cao độ nhạy của EOP. Hiện nay, độ nhạy của EOP liên tục được tăng lên. Cụ thể, EOP thế hệ 2+ có độ nhạy tích phân là 540 μA/lm, EOP thế hệ 2++ có độ nhạy tích phân là 800 μA/lm; EOP thế hệ 3 có độ nhạy tích phân là 1.500μA/lm. Việc nâng độ nhạy giúp cho NVD khuếch đại ánh sáng yếu có thể sử dụng trong môi trường tối hơn. Một số nhà sản xuất, tiêu biểu là Pháp đã nâng độ nhạy EOP từ thế hệ 2+ lên 2++ hoặc 2 Super, bằng cách nâng cao chất lượng độ phân giải. Theo các chuyên gia, sự lựa chọn này đang được ủng hộ do khả năng quan sát ngắm bắn tốt, hình ảnh thu được có độ nét cao, thời gian sử dụng dài nếu môi trường tác chiến không quá tối. Tuy nhiên, EOP thế hệ 2+ sau khi được tăng độ nhạy sẽ bị nhiễu nhiều hơn và thời gian sử dụng ngắn khi sử dụng trong môi trường nhiệt đới. Các nhà sản xuất của Mỹ và Nga thường phát triển EOP thế hệ 3, bằng cách thay vật liệu sản xuất photocathode từ vật liệu đa kiểm (S20, S25) của thế hệ 2+ bằng vật liệu photocathode GaAs. Lúc đó,  EOP có thể tăng được độ nhạy theo yêu cầu đặt ra, nhưng cấu tạo phức tạp hơn. Đòi hỏi công nghệ sản xuất EOP cao hơn, giá thành lớn. NVD khuếch đại ánh sáng yếu sử dụng EOP thế hệ 3 chỉ thích hợp sử dụng trong các trường hợp đặc biệt của lực lượng trinh sát, đặc nhiệm và cứu hộ, cứu nạn.
 
- Tiếp theo, tăng chỉ tiêu độ phân giải và tỉ lệ tín/tạp của EOP. Độ phân giải của EOP càng tăng sẽ giúp NVD khuếch đại ánh sáng yếu nhìn xa hơn. EOP thế hệ 2+ có độ phân giải là 55 vạch/mm; EOP thế hệ 2++ có độ phân giải là 68 vạch/mm. Đặc biệt, EOP thế hệ 2++ của Pháp có độ phân giải lên tới 72 vạch/mm. Tỉ lệ tín/tạp kết của các EOP cũng được tăng lên. Tỉ lệ tín/tạp tăng lên thì hình ảnh mục tiêu sẽ mịn hơn và được nhìn rõ hơn. EOP thế hệ 2+ có tỷ lệ tín/tạp là 20; EOP thế hệ 2++  có tỷ lệ tín/tạp là 25.  Đặc biệt, EOP thế hệ 2++ của Pháp có tỷ lệ tín/tạp lên tới 30. Nếu  độ phân giải và tỉ lệ tín/tạp của EOP có giá trị lớn thì NVD khuếch đại ánh sáng yếu sẽ tăng đáng kể cự ly hoạt động.
 
Ngoài ra, giảm kích thước, giảm trọng lượng cho EOP cũng là một trong những giải pháp nhằm  nâng cao tính năng NVD khuếch đại ánh sáng yếu giúp cho khí tài nhỏ gọn và nhẹ hơn. Việc sử dụng EOP có đường kính f36,7mm so với EOP thông thường f43 mm giúp giảm đáng kể kích thước và trọng lượng của khí tài. Đặc biệt, nhà sản xuất Photonics (Pháp) đã sản xuất ra EOP có đường kính nhỏ nhất hiện nay f32mm, đường kính của Photocatod là 16mm có trọng lượng chỉ 45g. Việc sản xuất ra EOP này lại càng giúp cho kích thước khi tài và trọng lượng ngày càng giảm.
 
Hiện nay, các nhà sản xuất EOP trên thế giới đều trang bị thêm tính năng Auto-gating cho EOP. Đây là tính năng mới giúp cho thiết bị nhìn đêm sử dụng được trong các môi trường ánh sáng có sự thay đổi đột ngột độ chiếu sáng từ 10-4 lx tới >200 lx. Nhờ sự ưu việt của EOP loại Auto-gating cho nên thiết bị nhìn đêm kiểu khuếch đại ánh sáng yếu đã có thể hoạt động trong môi trường ánh sáng mạnh, không bị lóa khi có chớp lửa đầu lòng của các loại vũ khí, ánh đèn pha, nguồn phát lazer. Tại Việt Nam, Nhà máy Z181 đã nghiên cứu thành công đề tài “Nghiên cứu chế tạo sản phẩm mới EOP thế hệ 2 có đường kính 36,7mm”. Đề tài này đã giải quyết được hai vấn đề cấp bách hiện nay là tạo ra dòng sản phẩm EOP có kích thước, trọng lượng nhỏ hơn và chế tạo ra EOP 36,7mm có thêm tính năng Autogating. Đề tài đã được Hội đồng KH&CN của Tổng cục Công nghiệp Quốc Phòng nghiệm thu và đánh giá cao. EOP 36,7mm sẽ được ứng dụng lắp trong kính ngắm của súng Galil, súng M79, súng 12,7mm v.v
 
Trên thế giới, có rất nhiều công ty sản xuất khí tài nhìn đêm nhưng đa phần sử dụng EOP do 3 nước Mỹ, Pháp, Nga là chính. Các công ty Mỹ sản xuất sản lượng 40.000 EOP thế hệ 2+,3 /năm và sản lượng của các công ty Nga cũng tương tự. Các công ty Pháp có sản lượng EOP sản xuât nhiểu nhất 100.000 EOP thế hệ 2++, 2Super. Việc nắm bắt được xu thế phát triển các dòng sản phẩm trên thế giới sẽ giúp cho Việt Nam có định hướng tốt hơn trong việc phát triển các khí tài nhìn đêm và nâng cao các chỉ tiêu kỹ thuật chất lượng cho EOP.
Giới thiệu sản phẩm ứng dụng do Nhà máy phát triển:

Dòng sản phẩm mới EOP 36,7mm và EOP 36,7mm Autogating

Đại tá Nguyễn Bình Nguyên, Giám đốc Nhà máy Z181
Đại úy Lê Hải Ninh, Phó trưởng phòng Kỹ thuật – Công nghệ