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

Nhắc đến thuật ngữ Night Vision, điều đầu tiên bạn nghĩ đến hẳn sẽ là một bộ phim hành động với một điệp viên đang lặng lẽ ẩn núp ở đâu đó, sử dụng ống nhòm để quan sát đối tượng trong bóng 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 quan sát nhiệt (nguyên văn: Thermal Inmaging)

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.

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.

Ánh sáng hồng ngoại có thể được chia làm 3 miền chính:

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.

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.

Các loại công nghệ quan sát nhiệt

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.

Công nghệ tăng cường hình ảnh

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.

Các thế hệ Night Vision

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:

Ống nhòm

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.

Kính

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

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.

Kết

Là một công nghệ nghe có vẻ như không tưởng nhưng lại là có thật. Night Vision đã và đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong những thiết bị cả quân sự cho đến dân sự, cho các mục đích do thám cho đến những công việc thường ngày. Trong tương lai, với sự tiến bộ ngày càng lớn của công nghệ, biết đâu, con người có thể “tung hoành” trong bóng đêm không khác gì ban ngày?

Cùng Danh Mục:

Liên Quan Khác

• Công nghệ miễn nhiễm ổ gà cho ôtô an toàn hơn