Nachtzichtkijkers: Versterk Je Zicht in Laag Licht

Achtergrond

Nachtkijkers, of nachtzichtapparaten, worden gebruikt om het menselijke zicht onder zeer lage lichtcondities te versterken. Er zijn verschillende typen nachtzichtkijkers. Infrarood imaging systemen, ook aangeduid als 'actieve' nachtzichtapparaten, focussen infrarood licht op een scène. Infrarood ligt buiten het lichtspectrum zichtbaar voor mensen, dus de straal zelf is ondetecteerbaar. Beeldconverteerende technologie transformeert de door infrarood verlichte scène in een zichtbaar beeld. Thermische imaging systemen werken op een vergelijkbare manier, door het warmtepatroon dat door objecten, mensen of dieren wordt uitgezonden, om te zetten in een visueel beeld. De nachtzichtapparaten die zijn uitgevonden voor oorlogsgebruik en nu commercieel beschikbaar zijn, heten 'passieve' nachtzichtsystemen. Deze systemen versterken beelden opgevangen in minimaal licht, zoals sterrenlicht, tot zichtbare beelden. Het zicht door een passief nachtzichtapparaat kan 20.000 tot 50.000 keer helderder zijn dan wat het ongewapende oog kan zien.

Nachtzichtapparaten werden ontwikkeld voor militair gebruik, waar het zien in het donker een duidelijk tactisch voordeel is. De Verenigde Staten gebruikten nachtzichtapparaten in de Vietnamoorlog en met grote effectiviteit in de Golfoorlog. Nachtzichtapparaten worden ook gebruikt door zowel stedelijke als landelijke politiekorpsen. In de late jaren 90 vonden nachtzichtapparaten meer commerciële uitlopers. Ze begonnen te verschijnen in sommige high-end auto's en worden direct aan consumenten vermarkt voor recreatief gebruik.

Geschiedenis

Onderzoek naar nachtzichtapparaten begon in de jaren 40. Het Amerikaanse leger vestigde een nachtzichttechnologie-ontwikkelingsprogramma aan het einde van de jaren 40, en in de jaren 50 had het werkbare infrarood kijkssystemen ontwikkeld. Dit was een actieve technologie, wat betekent dat het een gerichte bundel infrarood licht gebruikte. Hoewel de bundel onzichtbaar was voor het ongewapende oog, konden tegenstanders gewapend met equivalente technologie de bundel gemakkelijk oppikken. De infrarood kijkers gebruikt in de jaren 50 en 60 worden aangeduid als 'Generatie 0' technologie.

ITT Corporation (nu MIT Industries, Inc.) in Roanoke, Virginia, begon in 1958 met het produceren van nachtzichtapparaten voor het Amerikaanse leger. Het Amerikaanse Ministerie van Defensie richtte in 1965 zijn eigen Nachtzichtlaboratorium op, gewijd aan het verbeteren van de bestaande technologie. Tijdens de jaren 60 ontwikkelden wetenschappers de eerste werkbare passieve nachtzichtsystemen. Deze apparaten werden 'Starlight' systemen genoemd omdat ze in staat waren beelden op te pikken en te versterken die alleen door sterrenlicht zichtbaar waren. Ze worden ook wel 'Generatie I' apparaten genoemd. Ze werkten eigenlijk het beste in maanlicht. Generatie 1 nachtzichtapparaten werden voor het eerst in gevecht gebruikt tijdens de Vietnamoorlog.

Verbeterde technologie ontwikkelde zich kort na de oorlog, wat leidde tot kleinere, minder volumineuze nachtzichtapparaten met betere resolutie. Deze betrouwbaardere instrumenten werden 'Generatie 2' genoemd. Het Amerikaanse leger ontwikkelde en verfijnde nachtzichttechnologie door de jaren 70 en 80 heen, wapenvisieren uitgerust met nachtzichttargetingapparaten en pilooten getraind in nachtzichtbrillen. Passieve Generatie 2 apparaten waren in staat een goed zichtbaar beeld te produceren in zeer lage licht situaties.

'Generatie 3' technologie werd in de late jaren 80 ontwikkeld. Deze nieuwe nachtzichtapparaten gebruikten galliumarsenide voor het fotokathode materiaal binnenin de beeldversterkerbuis. Dit produceerde betere resolutie zelfs in extreem lage licht situaties. Amerikaanse machten gebruikten nachtzichtapparaten uitgebreid in de Golfoorlog, waar de technologie het de troepen toestond niet alleen in het donker te zien, maar ook door stof en rook. In de late jaren 90 had het Ministerie van Defensie zijn financiering voor nachtzichtontwikkeling gereduceerd, en begonnen sommige fabrikanten te zoeken naar consumentenmarkten voor de uitrusting. Individuen mogen nachtzichtapparaten in de VS kopen, maar hun export is nog steeds beperkt.

Ruwmaterialen

De beeldversterkerbuis, het hoofdbewerkende onderdeel van een nachtzichtapparaat, bestaat uit miljoenen haar-fijne vezels van optisch glas. Het gebruikte glas is een specifieke formule die zijn gewenste kenmerken behoudt wanneer het wordt verwarmd en getrokken. Optische kwaliteit glas wordt gebruikt voor het oculair en uitgangsvenster. (Het uitgangsvenster is een oculaire lens, zoals het oculair van traditionele verrekijkers.) Andere materialen gebruikt in de beeldversterkerbuis zijn fosfor en galliumarsenide. De buislichaam is samengesteld uit metaal en keramiek, en de gebruikte metalen kunnen aluminium, chroom en indium zijn.

Ontwerp

Passieve nachtzichtapparaten werken door licht door een lens, een beeldversterkende buis, en nog een lens te sturen. Licht binnenkomt door een lens genaamd de objectieflens, wat vergelijkbaar is met een fijn cameraobjectief. De lens focust het licht in de beeldversterkerbuis.

De buis is het meest complexe stuk van het nachtzichtapparaat. Het is handgemaakt aan exacte specificaties. De buis is een vacuümbuis met een fotokathode, een energiebron, een microkanaalplaat, en een fosforscherm (het scherm emiteert licht wanneer geëxciteerd door elektronen). De kathode absorbeert licht (fotonen) en converteert de fotonen in elektronen. De elektronen worden duizenden keren vermenigvuldigd tijdens hun doorloop door de buis, door een wafer-dun instrument genaamd een microkanaalplaat.

Een standaard microkanaalplaat is 1 inch (25 mm) in diameter en ongeveer 0,04 inch (1 mm) dik – ongeveer de grootte van een kwartje. Geïntegreerd in deze plaat zijn miljoenen microscopische glazen buizen, of kanalen. De nieuwste nachtzicht microkanaalplaten bevatten meer dan 10 miljoen kanalen. Deze kanalen geven meer elektronen vrij als de elektronen door de buizen botsen. De kanalen moeten uniform in diameter en afstand op de plaat zijn om een helder beeld te produceren. De elektronen raken dan een fosforscherm. Het fosforscherm herconverteert het elektronenbeeld in een lichtbeeld, en focust het op het uitgangsvenster.

De gehele beeldversterkende buis kan in grootte variëren, maar de afgeronde buis kan klein genoeg zijn om in een geweerziets of in een paar militaire brillen te passen. Bijvoorbeeld, een huidig product beschikbaar bij ITT is een Generatie 3 monoculair dat 4,5 inch (11 cm) lang, 2 inch (5 cm) breed, en 2,25 inch (5,5 cm) hoog is, inclusief beide lenzen. Het hele instrument weegt 13,8 oz (0,4 kg).

Het Productieproces

Het productieproces voor nachtzichtapparaten is complex. Meer dan 400 verschillende stappen zijn nodig om het kerncomponent, de beeldversterkerbuis, te maken. Fabrikanten voeren verschillende grote processtappen gelijktijdig uit in verschillende secties van de fabriek.

1. De eerste grote stap is het maken van de fotokathode. De fabrikant kan voorgevormde rondjes glas voor de fotokathodeplaat van een subaannemer kopen. Werkers leggen een wafer galliumarsenide op het glas en verwarmen het. Dit begint de galliumarsenide aan het glas te smelten.
2. Dan wordt het deel in een pers gezet, wat de galliumarsenide substraat stevig bindt.
3. Werkers slippen en polijsten het deel.
4. Tussenzeitelijk wordt de glas microkanaalplaat gevormd met een systeem bekend als het two-draw proces. Dit begint met een gegoten of geëxtrudeerd lingot van speciaal formule glas. Het lingot wordt gegoten in een staaf met een diameter van enkele centimeters. De staaf wordt in een holle buis van een ander type glas gepast. Dit heet de cladding. Het cladding glas zal later geëtst worden, maar het geeft de vezels meer uniformiteit in het trekproces.
5. Nu wordt het glas voor de eerste keer getrokken. Het lingot wordt verticaal aan de bovenkant van een oven opgehangen. De oven kan diverse voet hoog zijn. De oven heeft zeer fijn temperatuurcontrole, zodat verschillende punten langs zijn lengte op verschillende temperaturen gehouden kunnen worden. Het lingot wordt aan de bovenkant van de oven verwarmd tot ongeveer 932°F (500°C). Een klont glas vormt aan de onderkant van het lingot, als een druppel uit een kraan. Als de klont valt, trekt het een enkele draad glas naar beneden, ongeveer 0,04 inch (1 mm) in diameter. Deze draad koelt af als het rekkt. Verder in de oven wordt de draad aan beide kanten gegrepen door een tractiemachine, die langs het vezel rolt, het vormgevend tot de precieze gewenste diameter. Snijders knippen het vezel tot een uniforme lengte (ongeveer 6 inch [15 cm] lang) en voeren het door in een bundelaar. Diverse duizend vezels worden samengebundeld in een zeshoek. Deze zeshoekige bundel wordt dan voor een tweede keer getrokken, wat het two-draw proces zijn naam geeft.
6. De tweede trek ziet er veel uit als de eerste, met de zeshoekige bundel opgehangen aan de top van een zone-oven en verwarmd. Het vezel wordt in een zeshoekige vorm getrokken van ongeveer 0,04 inch (1 mm) in diameter. Omdat het speciale glas zijn dwarsdoorsnede-eigenschappen behoudt, is het vezel van deze tweede trek geometrisch vergelijkbaar met de grotere bundel, met de glazen buizen' honingraatstructuur nog intact, en de hele structuur is alleen verkleind in grootte. (De ruimte tussen de individuele glazen buizen is nu gereduceerd tot een paar honderdsten van een millimeter.) Het vezel dat resulteert uit deze tweede trek wordt ook gesneden en gebundeld, vergelijkbaar met de eerste trek.
7. De resulterende bundel vezels wordt verwarmd en onder vacuüm geperst, wat de vezels samen smelt. Op dit moment wordt de vezelbundel een boule genoemd. Om de microkanaalplaten te maken, wordt de boule onder een licht scheve hoek in wafer-dunne plakjes gesneden. De plakjes worden geschoven en gepolijst. De platen worden dan afgewerkt met een zuurets om de zachtere cladding glas te verwijderen. Het verwijderen van de cladding glas opent kanalen doorheen de plaat. Elke plaat wordt dan gecoat met nikkel-chroom.
8. Vervolgens wordt een film van aluminiumoxide op beide oppervlakken gezet, zodat elk kanaal elektrische lading kan dragen. Deze afgeronde microkanaalplaat kan in diameter variëren afhankelijk van het aangewezen gebruik, maar de dikte blijft bij ongeveer 0,04 inch (1 mm). De standaardgrootte voor afgeronde microkanaalplaten is 0,9 inch (25 mm) in diameter, maar ze kunnen zo groot zijn als 4,9 inch (12,5 cm) in diameter.
9. Vervolgens worden het fosforscherm en de buislichaam gemonteerd. Het scherm zelf is een kleine vezeloptische schijf die kan worden geleverd door een subaannemer. De beeldversterkerfabrikant moet het scherm binden aan de metalen delen die het in de buis zullen houden, en dan de fosfor aanbrengen. Het scherm wordt in een flens gedroogd en aan deze gebonden met een ring van een smeedbaar materiaal genaamd frit. Frit is een speciaal glasverbinding dat bij hoge hitte met metaal en glas laste. Andere metalen delen worden over het scherm gepast, wat een klein, rond deel maakt. Dit deel wordt op een spoor door een oven gestuurd, wat de frit smelt, alle componenten samen bindt. Na afkoeling, reiniging en polijst, wordt de fosfor gesproeid of geborsteld op het deel. Een oplossing van fosfor in water wordt ingegoten. De fosfor neert op het scherm, en dan wordt het water afgelopen.
10. Werkers monteren de buislichaam door een reeks kleine metalen en keramische ringen te passen. Elke ring heeft een precieze functie, ondersteunend de verschillende delen die in de buis geladen zullen worden. Isolatoren en geleiders worden ook op dit moment toegevoegd. Sommige secties van de buislichaam zijn gemaakt van een zacht metaal genaamd indium. De gemonteerde buis wordt door een oven gelopen, en de indium delen smelten en smelten, wat de buis samenhoudt.
11. Wanneer alle hoofcomponenten geproduceerd zijn, worden ze handmatig in de buislichaam geladen. Dit is extreem delicaat werk gedaan in een speciale schone kameromgeving – in de schone kamer faciliteiten dragen werkers laboratoriumpakken, handschoenen, en de werkstations zijn beschermd door plastic folies. De onderdelen kloppen mechanisch in hun plaats. Eerst wordt de microkanaalplaat in de lichaam geklikt. Dan laten werkers elektrodes aan de delen die spanning zullen dragen, taslassen.
12. De deels gemonteerde unit wordt daarna naar een stuk apparatuur genaamd de exhaust station genomen. In de exhaust station wordt lucht uit de buis verwijderd, wat een vacuüm achterlaat. Onder het vacuüm wordt de kathode in plaats gebracht en geactiveerd. Eenmaal dit De interne mechanismen van een eenvoudige nachtzichtkijker. De anode is fluorescerend, en zal licht emitteren. (De tekst refereert aan de fluorescerende anode als fosforscherm.) Deze kijker gebruikt geen microkanaalplaat om de beeldkwaliteit te verbeteren. In een complexere kijker zou de microkanaalplaat tussen de kathode en anode zitten. gedaan is, worden de lichaam, kathode, en scherm samen geperst. Onder hoge druk smelten indium interfaces tussen de delen, wat alle elementen permanent verbindt.
13. Vervolgens gaat de beeldversterkerbuis door diverse testfasen om te verzekeren dat het geactiveerd is en werkt binnen verwachte parameters. Wanneer de buis getoond wordt correct te functioneren, bedraden werkers het aan de voeding. Dan wordt de buis in een stuk genaamd een 'boot' geplaatst, wat lijkt op een eenvoudig plastic bekerje. Deze boot vormt een behuizing die de buis encapsuleert om het te beschermen. De boot wordt gesloten en onder vacuüm gezeteld. Nu is de beeldversterkerbuis compleet. Het ondergaat nog diverse testrondes. De tests kunnen variëren afhankelijk van het beoogde gebruik. Grondig geteste componenten bewegen dan naar een finale montagesproces. Hier worden ze in een behuizing voor brillen, geweerziets, verrekijkers, of wat ook het eind nachtzichtproduct is, gepast.

Kwaliteitscontrole

Kwaliteitscontrole op elke stap van het productieproces is essentieel voor de beeldversterkerbuizen om correct te werken. Grote fabrikanten hebben het proces zo verfijnd dat elke stap getest of gemeten wordt, en werkers niet in staat zijn het deel naar de volgende stap te verplaatsen als het niet aan de kwaliteitscontrole eisen voldaan heeft. Fabrikanten gebruiken gesofisticeerde kalibratieapparatuur om zaken te meten als de diameter van het glasvezel, de dikte van de microkanaalplaten, en de temperaturen in de diverse ovens. Materialen geleverd door subaannemers worden gecontroleerd zodra ze de fabriek binnenkomen. De kalibratieapparatuur gebruikt voor testen wordt zelf frequenter getest op nauwkeurigheid.

Het finale product wordt op verschillende manieren getest om te garanderen dat elk apparaat werkt zoals het hoort. Elk apparaat wordt gecontroleerd op zijn visuele actie. Andere tests kunnen laten zien hoe zwaar het apparaat is onder ongunstige omstandigheden. Afgeronde nachtzichtapparaten kunnen getest worden op hoe ze reageren op schok en trilling, en er kan een valt test zijn. Voor sommige militaire eisen kunnen de apparaten dagenlang extreem hitte en vocht onderworpen worden.

Bijproducten/Afval

De productie van nachtzichtapparaten kan resulteren in enkele gevaarlijke afvalstoffen, aangezien veel chemicaliën gebruikt worden in reiniging en etsen. Echter, sommige fabrikanten hebben in staat geweest minder giftige of niet-giftige chemicaliën te substitueren voor schadelijke, en in het algemeen is het productieproces nu schoner dan toen de technologie voor het eerst werd ontwikkeld. Beeldversterkerbuizen zijn duur en moeizaam te produceren, dus fabrikanten proberen zoveel mogelijk schroot te redden. Als een buis gebouwd wordt die niet functioneert, zou het ontmanteld worden en de onderdelen hergebruikt.

De Toekomst

De nachtzichtindustrie maakt zich beschikbaar voor de niet-militaire consumentenmarkt. Hoewel prijzen nog steeds hoog zijn, naarmate de vraag toeneemt, kan de prijs dalen tot de technologie redelijk betaalbaar is. De technologie wordt al gebruikt door wetshandhaving en zoek-en-redding teams. Naarmate de producten meer in het prijstraject van consumenten komen, en omdat de beelden bekeken kunnen worden opgenomen door videocamera's of als foto's, kunnen meer fotografen, wildwaarnemers, booters, kampers, en velen anderen beginnen nachtzichttechnologie op meer innovatieve manieren te gebruiken.

Meer Informatie

Boeken

Palais, Joseph C. Fiber Optic Communications. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1998.

United States Army CECOM. Night Vision and Electronic Sensors Directorate. Fort Belvoir, VA: US Army CECOM, 1997.

Tijdschriften

Justic, Branco, and Peter Phillips. "Night Vision Scopes." Electronics Now (Oktober 1994): 57.

Lampton, Michael. "The Microchannel Image Intensifier." Scientific American (November 1981): 62-71.

Rhea, John. "The Feedback Loop of Night Vision Devices." Military & Aerospace Electronics (Februari 2000): 8.

Angela Woodward