Thiết bị quang điện tử qua các thời kỳ

[miro1510]

Lịch sử của các thiết bị quang điện tử nhìn đêm bắt nguồn từ trước Chiến tranh thế giới thứ hai, khi quân đội Đức phát triển các khí tài hồng ngoại đầu tiên và theo đó là sự bám đuổi của quân Đồng Minh.

Nếu như trước đó, con người chỉ có thể dựa vào ánh trăng, lửa... là các loại ánh sáng khả kiến (dải ánh sáng mà mắt người nhìn thấy được), thì các bộ thiết bị mới này lại sử dụng ánh sáng hồng ngoại gần (0.8-1.5µm), dải bước sóng mắt thường không thể nhìn thấy. Về nguyên lý, ánh sáng hồng ngoại được phát ra từ các bộ đèn phát chủ động, chiếu sáng cảnh vật, ánh sáng phản xạ lại được thu thập, qua bộ chuyển tín hiệu quang điện, biến chùm ánh sáng thành chùm điện tử và khuếch đại lên, sau đó chùm điện tử đập vào màn hình huỳnh quang và chuyển thành hình ảnh nhìn thấy. Toàn bộ quá trình này đã biến đổi ánh sáng cận hồng ngoại, để tạo ra các loại ảnh màu sáng xanh, màu phù hợp nhất với mắt người khi nhìn lâu. Các công nghệ “thế hệ 0” này khuếch đại ánh sáng yếu lên khoảng 1.000 lần.

Tuy là một bước đột phá lớn giúp cho con người sử dụng loại ánh sáng mới, nằm ngoài ánh sáng khả kiến, khí tài nhìn đêm thuở sơ khai này thường to và cồng kềnh, sử dụng kèm với các đèn tìm kiếm hồng ngoại rất lớn. Ngoài việc khó mang vác, nếu phía đối phương cũng sử dụng các loại kính nhìn đêm tương tự thì nó dễ bị phát hiện và trở thành mục tiêu.

Thiết bị nhìn đêm quang điện tử thời kỳ đầu (năm 1940). Ảnh tư liệu

Từ khí tài nhìn đêm dựa vào ánh sáng yếu

Để giải quyết vấn đề trên, trong thập niên 1940, 1950, lục quân Hoa Kỳ đã hợp tác với Công ty Radio Corporation of America (RCA) phát triển công nghệ tiên tiến hơn nhằm bỏ đi các đèn phát hồng ngoại chủ động. Vào giữa thập niên 1960, các nhà khoa học đã sáng tạo ra cái ngày nay gọi là “thế hệ thứ nhất” của các khí tài nhìn đêm thụ động. Do có khả năng khuếch đại lớn hơn, các khí tài này hoạt động dựa hoàn toàn vào loại ánh sáng yếu tồn tại trong môi trường (chủ yếu là ánh sao và ánh sáng phát xạ từ bầu khí quyển bị ion hóa) mà không cần các bộ phát sáng hồng ngoại chủ động. Các thiết bị này do đó nhỏ gọn như các kính thiên văn cỡ nhỏ.

Các ống nhòm nhìn đêm và kính ngắm đêm bằng công nghệ khuếch đại ánh sáng vẫn tiếp tục được cải tiến về độ nhạy sáng, độ phân giải, khả năng chống lóa... qua nhiều thế hệ và sử dụng cho đến ngày nay. Ưu điểm của các kính khuếch đại ánh sáng yếu là nhỏ, gọn, có thể mang, đeo thuận tiện. Tuy vậy, do cự ly quan sát bị hạn chế chỉ vài trăm mét và tín hiệu dạng tương tự, chúng thường chỉ được sử dụng cho các nhiệm vụ tác chiến gần, trực tiếp, phù hợp với người lính.

Đến công nghệ ảnh nhiệt

Thập niên 1970 xuất hiện các đột phá trong công nghệ ảnh nhiệt, mang lại các thay đổi căn bản cho công nghệ nhìn đêm vào các thập niên sau đó. Về nguyên tắc vật lý, khác với công nghệ khuếch đại ánh sáng sử dụng ánh sáng hồng ngoại gần, công nghệ ảnh nhiệt thu thập các bức xạ hồng ngoại sóng trung (3-5µm) và dài (8-12µm) được phát ra trực tiếp từ người và cảnh vật. Nếu như ánh sáng khả kiến và hồng ngoại gần cần có nguồn sáng từ bên ngoài, thì ánh sáng hồng ngoại trung và dài, hay còn gọi là hồng ngoại “nhiệt” lại được bức xạ với cường độ đủ lớn từ bất kỳ vật thể nào có nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ môi trường trên trái đất (27 độ C). Cảm biến ảnh nhiệt thu thập loại ánh sáng này và biến đổi thành tín hiệu điện, rồi chuyển thành hình ảnh nhìn thấy trên màn hình điện tử. Công nghệ ảnh nhiệt do đó có lợi thế tuyệt đối về tính bí mật và khi hoạt động trong các điều kiện tối cực đoan không hề có ánh sáng sao để khuếch đại. Không chỉ ứng dụng nhìn đêm, do có bản chất là bức xạ nhiệt, cường độ phụ thuộc vào nhiệt độ mỗi vật thể, ảnh nhiệt hồng ngoại thường có độ tương phản cao, dễ dàng phát hiện các loại động cơ máy móc hay động vật máu nóng trong nền nhiệt đồng đều của môi trường.

Kết hợp với độ truyền qua tốt trong khói, bụi, ảnh nhiệt mở rộng cự ly tác chiến của thiết bị quang điện tử lên tới hàng chục ki-lô-mét. Từ khi xuất hiện công nghệ ảnh nhiệt, bên cạnh ứng dụng nhìn đêm, các sản phẩm quang điện tử bước vào thời kỳ nở rộ với những ứng dụng từ các camera ảnh nhiệt hoạt động quan sát, giám sát, chỉ thị mục tiêu, đến đầu dẫn tầm nhiệt, hoạt động bất kể đêm hay ngày. Sự phát triển của công nghệ ảnh nhiệt đã dẫn đến sự ra đời của các loại khí tài quang điện tử mang tính đặc thù cao như FLIR hay IRST (cảnh giới hồng ngoại), các loại đầu dẫn cảm biến ảnh hồng ngoại. Cùng với các tiến bộ trong lĩnh vực khác như công nghệ điện tử, xử lý tín hiệu, quang học hồng ngoại và điều khiển tự động, sản phẩm quang điện tử ảnh nhiệt đã trở nên hiệu quả và áp dụng được ở đa dạng tình huống, phù hợp với các nền tảng tác chiến khác như trên không, trên mặt biển hay mặt đất.

Với hiệu quả hoạt động vượt trội, các hệ thống nhìn đêm bằng kính khuếch đại ánh sáng và các loại camera ảnh nhiệt đóng một vai trò quan trọng trong chiến dịch Bão táp sa mạc do Mỹ thực hiện để tấn công Iraq vào những năm đầu thập niên 1990. Có ý kiến cho rằng, khả năng nhìn đêm của lục quân Mỹ là lợi thế lớn nhất quyết định chiến thắng.

Cho đến thập niên 1990, thế hệ ảnh nhiệt thứ hai với các cảm biến đa điểm ảnh cỡ trung (640x480 pixel) đã được đưa vào sử dụng phổ biến ở thực tế chiến trường. Với sự phát triển của khoa học và công nghệ, cùng với sự mở rộng thị trường sang các lĩnh vực công nghiệp, thương mại và dân dụng, một thế hệ ảnh nhiệt mới (thế hệ ảnh nhiệt thứ ba) đã được định hình và dần hình thành, bắt đầu được thương mại hóa và đưa vào sử dụng trong những năm gần đây.

Sự tích hợp đa công nghệ

Song song với sự phát triển của công nghệ ảnh nhiệt hồng ngoại, công nghệ ảnh kỹ thuật số, công nghệ laser cũng đã đạt được nhiều thành tựu và dần được ứng dụng trong quân sự. Các loại camera ảnh ngày dần thay thế quang học truyền thống do tính cơ động, khả năng lưu và truyền dữ liệu, chúng là một kết hợp hoàn hảo với camera ảnh nhiệt trong các hoạt động giám sát và trinh sát. Ở góc độ thu thập dữ liệu mục tiêu, các sản phẩm đo xa laser, chỉ thị laser cũng đã có mặt trong hầu hết các hệ thống giám sát và chỉ thị mục tiêu.

Ngày nay, một sản phẩm quang điện tử hiện đại là tích hợp của rất nhiều công nghệ tiên tiến. Các camera ảnh nhiệt, camera ảnh ngày, đo xa laser được tích hợp với nhau trong cùng một thiết bị, kết hợp với khả năng ghi lưu tình huống và kết nối với sở chỉ huy từ xa. Kết hợp với các bộ điều khiển tầm hướng có khả năng tự cân bằng, thiết bị quang điện tử đã có mặt và phát huy hiệu quả trên các phương tiện cơ động, từ máy bay chiến đấu, máy bay không người lái, tàu chiến, xe tăng, đến các hệ thống điều khiển hỏa lực chính xác.

Sản phẩm quang điện tử đã tiến hóa từ chỗ ứng dụng nhìn đêm thành các hệ thống tích hợp có tính chiến đấu cao, bổ sung thêm một “mắt thần” cho quân đội bên cạnh radar, trở thành một thành phần không thể thiếu trong hệ thống chiến tranh hiện đại của các nước phát triển.

Ngoài các ứng dụng quân sự, các sản phẩm quang điện tử có thêm động lực phát triển mạnh mẽ trong thời đại mới này nhờ thị trường dân sự. Ngày nay, trên các phương tiện tự lái, ô tô hạng sang, các cảm biến quang điện tử như ảnh nhiệt không làm lạnh, ảnh ngày, máy quét laser (lidar) đã được sử dụng phổ biến, nằm trong xu hướng phát triển của các sản phẩm dân sự trong kỷ nguyên cách mạng số. Sản phẩm quang điện tử đã ngày càng hiện diện nhiều hơn trong đời sống của con người ở thời đại thông minh.