Mira de Visão Noturna: Amplie sua Visão em Baixa Luz

Histórico

Miras noturnas, ou dispositivos de visão noturna, são usadas para intensificar a visão humana sob condições de luz muito baixa. Existem vários tipos de miras de visão noturna. Sistemas de imagem infravermelha, também chamados de dispositivos de visão noturna "ativos", focam luz infravermelha em uma cena. O infravermelho está além do espectro de luz visível aos humanos, então o feixe em si é indetectável. Tecnologia de conversão de imagem transforma a cena iluminada pelo infravermelho em uma imagem visível. Sistemas de imagem térmica funcionam de forma similar, convertendo o padrão de calor emitido por objetos, pessoas ou animais em imagem visual. Dispositivos de visão noturna aperfeiçoados para uso em tempo de guerra e também disponíveis comercialmente hoje são chamados de sistemas de visão noturna "passivos". Esses sistemas amplificam imagens captadas em luz mínima, como a luz das estrelas, em imagens visíveis. A visão através de um dispositivo de visão noturna passivo pode ser de 20.000 a 50.000 vezes mais brilhante do que o olho nu poderia ver.

Dispositivos de visão noturna foram desenvolvidos para uso militar, onde ver no escuro é uma vantagem tática óbvia. Os Estados Unidos usaram dispositivos de visão noturna na Guerra do Vietnã e com grande eficácia na Guerra do Golfo Pérsico. Dispositivos de visão noturna também são usados por forças policiais urbanas e rurais. No final dos anos 1990, dispositivos de visão noturna encontravam mais saídas comerciais. Começaram a aparecer em alguns carros de alta gama e são comercializados diretamente para consumidores para uso recreativo.

História

Pesquisa em dispositivos de visão noturna começou nos anos 1940. O exército dos EUA estabeleceu um programa de desenvolvimento de tecnologia de visão noturna no final dos anos 1940, e nos anos 1950 desenvolveu sistemas viáveis de visualização infravermelha. Esta era uma tecnologia ativa, significando que usava um feixe direcionado de luz infravermelha. Embora o feixe em si fosse invisível ao olho nu, oponentes armados com tecnologia equivalente podiam facilmente detectar o feixe. Os visualizadores infravermelhos usados nos anos 1950 e 1960 são referidos como tecnologia "Geração 0".

ITT Corporation (agora MIT Industries, Inc.) em Roanoke, Virgínia, começou a produzir dispositivos de visão noturna para o exército dos EUA em 1958. O Departamento de Defesa dos EUA fundou seu próprio Laboratório de Visão Noturna em 1965, dedicado a melhorar a tecnologia existente. Durante os anos 1960, cientistas desenvolveram os primeiros sistemas passivos de visão noturna funcionais. Esses dispositivos eram chamados de sistemas "Starlight" porque podiam captar e amplificar imagens vistas apenas pela luz das estrelas. Também são conhecidos como dispositivos "Geração I". Na verdade, funcionavam melhor ao luar. Dispositivos de visão noturna Geração 1 foram usados em combate pela primeira vez durante a Guerra do Vietnã.

Tecnologia aprimorada desenvolvida logo após a guerra levou a dispositivos de visão noturna menores, menos volumosos e com melhor resolução. Esses instrumentos mais confiáveis foram chamados de "Geração 2". O exército dos EUA continuou a desenvolver e refinar tecnologia de visão noturna durante os anos 1970 e 1980, equipando miras de armas com dispositivos de mira noturna e treinando pilotos em óculos de visão noturna. Dispositivos passivos Geração 2 podiam produzir boa imagem visível em situações de luz muito baixa.

Tecnologia "Geração 3" foi desenvolvida no final dos anos 1980. Esses novos dispositivos de visão noturna usavam arseneto de gálio para o material do fotocátodo dentro do tubo intensificador de imagem. Isso produziu melhor resolução mesmo em situações de luz extremamente baixa. Forças dos EUA usaram dispositivos de visão noturna extensivamente na Guerra do Golfo Pérsico, onde a tecnologia permitiu que tropas vissem não apenas no escuro, mas através de poeira e fumaça também. No final dos anos 1990, o Departamento de Defesa reduziu seu financiamento para desenvolvimento de visão noturna, e alguns fabricantes começaram a buscar mercados de consumo para o equipamento. Indivíduos podem comprar dispositivos de visão noturna nos EUA, mas sua exportação ainda é restrita.

Matérias-Primas

O tubo intensificador de imagem, que é o principal componente funcional de um dispositivo de visão noturna, é composto por milhões de fibras finas como cabelo de vidro óptico. O vidro usado é uma fórmula particular que preserva suas características desejadas quando aquecido e estirado. Vidro de qualidade óptica é usado para a ocular e janela de saída. (A janela de saída é uma lente ocular, como a ocular de binóculos tradicionais.) Outros materiais usados no tubo intensificador de imagem são fósforo e arseneto de gálio. O corpo do tubo é composto de metal e cerâmica, e os metais usados podem ser alumínio, cromo e índio.

Design

Dispositivos de visão noturna passivos funcionam enviando luz através de uma lente, um tubo intensificador de imagem e outra lente. A luz entra através de uma lente chamada lente objetiva, similar a uma lente de câmera fina. A lente foca a luz no tubo intensificador de imagem.

O tubo é a peça mais complexa do dispositivo de visão noturna. É feito à mão com especificações exatas. O tubo é um tubo de vácuo com um fotocátodo, uma fonte de energia, uma placa de microcanais e uma tela de fósforo (a tela emite luz quando excitada por elétrons). O cátodo absorve luz (fótons) e converte os fótons em elétrons. Os elétrons são multiplicados milhares de vezes enquanto passam pelo tubo, por um instrumento fino como wafer chamado placa de microcanais.

Uma placa de microcanais padrão tem 25 mm (1 pol) de diâmetro e cerca de 1 mm (0,04 pol) de espessura — aproximadamente o tamanho de uma moeda de 25 centavos. Incorporados nesta placa estão milhões de tubos de vidro microscópicos, ou canais. As mais recentes placas de microcanais de visão noturna contêm mais de 10 milhões de canais. Esses canais liberam mais elétrons conforme os elétrons ricocheteiam pelos tubos. Os canais devem ser uniformes em diâmetro e espaçamento na placa para produzir imagem clara. Os elétrons então atingem uma tela de fósforo. A tela de fósforo reconverte a imagem de elétrons em imagem de luz, e a foca na janela de saída.

O tubo intensificador de imagem inteiro pode variar em tamanho, mas o tubo finalizado pode ser pequeno o suficiente para caber em uma mira de arma ou em um par de óculos militares. Por exemplo, um produto atual disponível da ITT é um monocular Geração 3 com 11 cm (4,5 pol) de comprimento, 5 cm (2 pol) de largura e 5,5 cm (2,25 pol) de altura, incluindo ambas as lentes. O instrumento inteiro pesa 0,4 kg (13,8 oz).

Processo de Fabricação

O processo de fabricação para dispositivos de visão noturna é complexo. Mais de 400 etapas diferentes são necessárias para fabricar o componente central, o tubo intensificador de imagem. Fabricantes realizam várias etapas principais do processo simultaneamente em diferentes seções da fábrica.

1. A primeira etapa principal é fabricar o fotocátodo. O fabricante pode comprar discos pré-formados de vidro para a placa do fotocátodo de um subcontratado. Trabalhadores depositam uma wafer de arseneto de gálio no vidro e a aquecem. Isso começa a fundir o arseneto de gálio ao vidro.
2. Então a peça é colocada em uma prensa, que liga firmemente o substrato de arseneto de gálio.
3. Trabalhadores então retificam e polêm a peça.
4. Enquanto isso, a placa de microcanais de vidro é formada usando um sistema conhecido como processo de duas estiradas. Isso começa com um lingote fundido ou extrudado de vidro de fórmula especial. O lingote é retificado em uma vara com diâmetro de vários centímetros. A vara é encaixada em um tubo oco de outro tipo de vidro. Isso é chamado de revestimento. O vidro de revestimento será posteriormente corroído, mas dá às fibras mais uniformidade no processo de estiramento.
5. Agora o vidro é estirado pela primeira vez. O lingote é pendurado verticalmente no topo de um forno. O forno pode ter vários metros de altura. O forno tem controle de temperatura muito fino, de modo que diferentes pontos ao longo de seu comprimento podem ser mantidos em diferentes temperaturas. O lingote é aquecido no topo do forno a cerca de 500 °C (932 °F). Um globulo de vidro forma-se na base do lingote, como uma gota saindo de uma torneira. Conforme o globulo cai, ele puxa um único fio de vidro, cerca de 1 mm (0,04 pol) de diâmetro. Este fio esfria enquanto se estica. Mais abaixo no forno, o fio é agarrado de ambos os lados por uma máquina de tração, que rola ao longo da fibra, formando-a no diâmetro desejado com precisão. Cortadores cortam a fibra em comprimento uniforme (cerca de 15 cm [6 pol] de comprimento) e a passam para um agrupador. Vários milhares de fibras são agrupadas em um hexágono. Este feixe hexagonal é então estirado pela segunda vez, dando ao processo de duas estiradas seu nome.
6. A segunda estirada parece muito com a primeira, com o feixe hexagonal suspenso no topo de um forno de zona e aquecido. A fibra é estirada em uma forma hexagonal cerca de 1 mm (0,04 pol) de diâmetro. Como o vidro especial mantém suas propriedades de seção transversal, a fibra desta segunda estirada é geometricamente similar ao feixe maior, com a estrutura de favo de mel dos tubos de vidro ainda intacta, e toda a estrutura é apenas reduzida em tamanho. (O espaço entre os tubos de vidro individuais foi agora reduzido a alguns centésimos de milímetro.) A fibra resultante desta segunda estirada também é cortada e agrupada, similar à primeira estirada.
7. O feixe resultante de fibras é aquecido e prensado sob vácuo, o que funde as fibras juntas. Neste ponto, o feixe de fibras é conhecido como lingote (boule). Para fazer as placas de microcanais, o lingote é cortado em um ângulo ligeiramente oblíquo em fatias finas como wafer. As fatias são retificadas e polidas. As placas são então finalizadas com um ataque ácido para remover o vidro de revestimento mais macio. Remover o vidro de revestimento abre canais através da placa. Cada placa é então revestida com níquel-cromo.
8. Em seguida, um filme de óxido de alumínio é depositado em ambas as superfícies, para que cada canal possa transportar carga elétrica. Esta placa de microcanais finalizada pode variar em diâmetro dependendo de seu uso designado, mas a espessura permanece em cerca de 1 mm (0,04 pol). O tamanho padrão para placas de microcanais finalizadas é 25 mm (0,9 pol) de diâmetro, mas podem ser tão grandes quanto 12,5 cm (4,9 pol) de diâmetro.
9. Em seguida, a tela de fósforo e o corpo do tubo são montados. A tela em si é um pequeno disco de fibra óptica que pode ser fornecido por um subcontratado. O fabricante do intensificador de imagem deve ligar a tela às peças metálicas que a segurarão no tubo, e então aplicar o fósforo. A tela é colocada em uma flange e ligada a ela com um anel de material fusível chamado frita. Frita é um composto de vidro especial que solda a metal e vidro sob alto calor. Outras peças metálicas são ajustadas sobre a tela, formando uma peça pequena e redonda. Esta peça é enviada em uma esteira através de um forno, que derrete a frita, unindo todos os componentes. Após a peça esfriar, ser limpa e polida, o fósforo é pulverizado ou pincelado na peça. Uma solução de fósforo em água é despejada. O fósforo assenta na tela, e então a água é drenada.
10. Trabalhadores montam o corpo do tubo encaixando uma série de pequenos anéis metálicos e cerâmicos. Cada anel tem uma função precisa, suportando as diferentes peças que serão carregadas no tubo. Isoladores e condutores também são adicionados neste momento. Algumas seções do corpo do tubo são feitas de um metal macio chamado índio. O tubo montado é passado por um forno, e as peças de índio derretem e fundem, mantendo o tubo unido.
11. Quando todos os componentes principais são fabricados, eles são carregados manualmente no corpo do tubo. Este é um trabalho extremamente delicado feito em ambiente especial de sala limpa — nas instalações de sala limpa, os trabalhadores usam trajes de laboratório, luvas e as estações de trabalho são protegidas por folhas plásticas. As peças se encaixam mecanicamente no lugar. Primeiro a placa de microcanais é travada no corpo. Então trabalhadores soldam por pontos eletrodos nas peças que transportarão voltagem.
12. A unidade parcialmente montada é levada a um equipamento chamado estação de exaustão. Na estação de exaustão, o ar é removido do tubo, deixando um vácuo. Sob o vácuo, o cátodo é inserido no lugar e ativado. Uma vez feito isso, Os mecanismos internos de uma mira de visão noturna simples. O ânodo é fluorescente e emite luz. (O texto refere-se ao ânodo fluorescente como tela de fósforo.) Esta mira não usa placa de microcanais para melhorar a qualidade da imagem. Em uma mira mais complexa, a placa de microcanais estaria entre o cátodo e o ânodo. o corpo, cátodo e tela são pressionados juntos. Sob alta pressão, interfaces de índio entre as peças fundem, unindo todos os elementos permanentemente.
13. Em seguida, o tubo intensificador de imagem passa por vários estágios de teste para garantir que está ativado e funcionando dentro dos parâmetros esperados. Quando o tubo é mostrado funcionando corretamente, trabalhadores o conectam à sua fonte de alimentação. Então o tubo é colocado em uma peça chamada "bota", que se assemelha a um simples copo plástico. Esta bota forma uma carcaça que encapsula o tubo para protegê-lo. A bota é fechada e selada sob vácuo. Agora o tubo intensificador de imagem está completo. Ele passa por várias rodadas adicionais de teste. Os testes podem variar dependendo do uso pretendido. Componentes exaustivamente testados então movem-se para um processo de montagem final. Aqui são encaixados em uma carcaça para óculos, miras de arma, binóculos ou qualquer que seja o produto final de visão noturna.

Controle de Qualidade

Controle de qualidade em cada etapa do processo de fabricação é essencial para os tubos intensificadores de imagem funcionarem corretamente. Grandes fabricantes aprimoraram o processo de modo que cada etapa é testada ou medida, e trabalhadores não conseguem mover a peça para a próxima etapa se a peça não atendeu aos requisitos de controle de qualidade. Fabricantes usam equipamentos de calibração sofisticados para medir coisas como diâmetro da fibra de vidro, espessura das placas de microcanais e temperaturas nos vários fornos. Materiais fornecidos por subcontratados são verificados conforme chegam à fábrica. O equipamento de calibração usado para testes é ele mesmo testado frequentemente para precisão.

O produto final é testado de várias formas para garantir que cada dispositivo funcione como deveria. Cada dispositivo é verificado quanto à sua ação visual. Outros testes podem mostrar quão resistente o dispositivo é sob condições adversas. Dispositivos de visão noturna finalizados podem ser testados para como respondem a choque e vibração, e pode haver teste de queda. Para alguns requisitos militares, os dispositivos podem ser submetidos a dias de calor e umidade extremos.

Subprodutos/Resíduos

A fabricação de dispositivos de visão noturna pode resultar em alguns resíduos perigosos, pois muitos produtos químicos são usados em limpeza e ataque. No entanto, alguns fabricantes conseguiram substituir produtos químicos menos tóxicos ou não tóxicos por prejudiciais, e em geral o processo de fabricação agora é mais limpo do que quando a tecnologia foi desenvolvida pela primeira vez. Tubos intensificadores de imagem são caros e árduos de produzir, então fabricantes tentam recuperar o máximo de sucata possível. Se um tubo é construído que não funciona, seria desmontado e as peças reutilizadas.

O Futuro

A indústria de visão noturna está se disponibilizando para o mercado de consumo não militar. Embora os preços ainda sejam altos, à medida que a demanda aumenta, o preço pode diminuir até que a tecnologia seja razoavelmente acessível. A tecnologia já está sendo usada por forças policiais e equipes de busca e resgate. À medida que os produtos entram na faixa de preço dos consumidores, e porque as imagens visualizadas podem ser gravadas por câmeras de vídeo ou como fotografias, mais fotógrafos, observadores de vida selvagem, navegadores, campistas e muitos outros podem começar a usar tecnologia de visão noturna de maneiras mais inovadoras.

Onde Saber Mais

Livros

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.

Periódicos

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

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

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

Angela Woodward