Nachtsichtgeräte: Verbessertes Sehen bei schwachem Licht

Hintergrund

Nachtsichtgeräte oder Nachtsichtsysteme dienen der Verstärkung menschlicher Sicht unter extrem schwachen Lichtbedingungen. Es gibt mehrere Typen: Infrarot-Bildgebungssysteme, auch als „aktive“ Nachtsichtgeräte bezeichnet, fokussieren Infrarotlicht auf eine Szene. Infrarot liegt jenseits des für Menschen sichtbaren Spektrums, sodass der Strahl selbst unsichtbar ist. Bildwandler-Technologie transformiert die vom Infrarot beleuchtete Szene in ein sichtbares Bild. Thermische Bildgebungssysteme arbeiten ähnlich, indem sie das von Objekten, Menschen oder Tieren abgestrahlte Wärmemuster in ein visuelles Bild umwandeln. Die für Kriegszwecke perfektionierten und heute auch kommerziell erhältlichen Nachtsichtgeräte werden „passive“ Nachtsichtsysteme genannt. Diese Systeme verstärken Bilder, die in minimalem Licht wie Sternenlicht aufgenommen werden, zu sichtbaren Bildern. Die Sicht durch ein passives Nachtsichtgerät kann 20.000- bis 50.000-mal heller sein als das, was das ungestützte Auge sehen könnte.

Nachtsichtgeräte wurden für militärische Nutzung entwickelt, wo Sehen im Dunkeln ein offensichtlicher taktischer Vorteil ist. Die USA setzten Nachtsichtgeräte im Vietnamkrieg und sehr effektiv im Golfkrieg ein. Auch städtische und ländliche Polizeikräfte nutzen sie. In den späten 1990ern fanden Nachtsichtgeräte mehr kommerzielle Absatzwege. Sie erschienen in einigen High-End-Autos und werden direkt an Verbraucher für Freizeitzwecke vermarktet.

Geschichte

Forschung zu Nachtsichtgeräten begann in den 1940ern. Das US-Militär etablierte Ende der 1940er ein Nachtsicht-Technologieentwicklungsprogramm, und bis in die 1950er hatten sie tragfähige Infrarot-Sichtsysteme entwickelt. Dies war eine aktive Technologie, die einen gerichteten Infrarotstrahl nutzte. Zwar war der Strahl für das ungestützte Auge unsichtbar, aber Gegner mit äquivalenter Technologie konnten den Strahl leicht aufspüren. Die in den 1950ern und 1960ern genutzten Infrarot-Sichtgeräte werden als „Generation 0“-Technologie bezeichnet.

ITT Corporation (heute MIT Industries, Inc.) in Roanoke, Virginia, begann 1958 mit der Produktion von Nachtsichtgeräten für das US-Militär. Das US-Verteidigungsministerium gründete 1965 sein eigenes Nachtsicht-Labor, gewidmet der Verbesserung bestehender Technologie. In den 1960ern entwickelten Wissenschaftler die ersten funktionsfähigen passiven Nachtsichtsysteme. Diese Geräte wurden „Starlight“-Systeme genannt, da sie Bilder, die nur bei Sternenlicht sichtbar waren, aufnehmen und verstärken konnten. Sie sind auch als „Generation I“-Geräte bekannt. Sie funktionierten tatsächlich am besten bei Mondlicht. Generation-1-Nachtsichtgeräte wurden erstmals im Vietnamkrieg im Kampf eingesetzt.

Verbesserte Technologie kurz nach dem Krieg führte zu kleineren, weniger sperrigen Nachtsichtgeräten mit besserer Auflösung. Diese zuverlässigeren Instrumente wurden „Generation 2“ genannt. Das US-Militär entwickelte und verfeinerte Nachtsichttechnologie in den 1970ern und 1980ern weiter, rüstete Waffenzielgeräte mit Nachtsicht aus und trainierte Piloten in Nachtsichtbrillen. Passive Generation-2-Geräte konnten in sehr schwachen Lichtsituationen gute sichtbare Bilder erzeugen.

„Generation 3“-Technologie wurde Ende der 1980er entwickelt. Diese neuen Nachtsichtgeräte nutzten Galliumarsenid als Photokathodenmaterial im Bildverstärkerröhre. Dies erzeugte bessere Auflösung selbst in extrem schwachen Lichtsituationen. US-Streitkräfte nutzten Nachtsichtgeräte umfangreich im Golfkrieg, wo die Technologie Trupps ermöglichte, nicht nur im Dunkeln, sondern auch durch Staub und Rauch zu sehen. Ende der 1990er reduzierte das Verteidigungsministerium seine Finanzierung für Nachtsichtentwicklung, und einige Hersteller begannen, Verbrauchermärkte für die Ausrüstung zu suchen. In den USA können Einzelpersonen Nachtsichtgeräte kaufen, aber ihr Export ist weiterhin beschränkt.

Rohmaterialien

Die Bildverstärkerröhre, das Hauptarbeitsbauteil eines Nachtsichtgeräts, besteht aus Millionen haardünner Fasern aus Optikglas. Das verwendete Glas ist eine spezielle Formel, die ihre gewünschten Eigenschaften beim Erhitzen und Ziehen bewahrt. Optisches Qualitätsglas wird für Okular und Ausgabefenster verwendet. (Das Ausgabefenster ist ein Okularlinsensystem, wie das Okular traditioneller Ferngläser.) Weitere Materialien in der Bildverstärkerröhre sind Phosphor und Galliumarsenid. Der Röhrenkörper besteht aus Metall und Keramik, die verwendeten Metalle können Aluminium, Chrom und Indium sein.

Design

Passive Nachtsichtgeräte funktionieren, indem sie Licht durch eine Linse, eine bildverstärkende Röhre und eine weitere Linse leiten. Licht tritt durch eine als Objektivlinse bezeichnete Linse ein, ähnlich einer feinen Kameralinse. Die Linse fokussiert das Licht in die Bildverstärkerröhre.

Die Röhre ist das komplexeste Teil des Nachtsichtgeräts. Sie wird handgefertigt nach exakten Spezifikationen. Die Röhre ist eine Vakuumröhre mit Photokathode, Stromquelle, Mikrokanalplatte und Phosphorschirm (der Schirm emittiert Licht bei Anregung durch Elektronen). Die Kathode absorbiert Licht (Photonen) und wandelt Photonen in Elektronen um. Die Elektronen werden tausendfach multipliziert, während sie die Röhre durchlaufen, durch ein waferdünnes Instrument namens Mikrokanalplatte.

Eine Standard-Mikrokanalplatte hat 25 mm (1 Zoll) Durchmesser und ca. 1 mm (0,04 Zoll) Dicke – etwa so groß wie eine Viertel-Münze. In diese Platte sind Millionen mikroskopischer Glasröhrchen oder Kanäle eingearbeitet. Neueste Nachtsicht-Mikrokanalplatten enthalten über 10 Millionen Kanäle. Diese Kanäle geben mehr Elektronen frei, während die Elektronen durch die Röhrchen prallen. Die Kanäle müssen einheitlich in Durchmesser und Abstand auf der Platte sein, um ein klares Bild zu erzeugen. Die Elektronen treffen dann auf einen Phosphorschirm. Der Phosphorschirm wandelt das Elektronenbild zurück in ein Lichtbild um und fokussiert es auf das Ausgabefenster.

Die gesamte bildverstärkende Röhre kann in der Größe variieren, aber die fertige Röhre kann klein genug sein, um in ein Zielgerät oder ein Paar Militärbrillen zu passen. Beispielsweise ist ein aktuelles ITT-Produkt ein Generation-3-Monokular, 11 cm (4,5 Zoll) lang, 5 cm (2 Zoll) breit und 5,5 cm (2,25 Zoll) hoch, inklusive beider Linsen. Das gesamte Instrument wiegt 0,4 kg (13,8 oz).

Der Fertigungsprozess

Der Fertigungsprozess für Nachtsichtgeräte ist komplex. Über 400 verschiedene Schritte sind nötig für das Kernbauteil, die Bildverstärkerröhre. Hersteller führen mehrere Hauptprozessschritte simultan in verschiedenen Werkbereichen durch.

1. Der erste Hauptschritt ist die Photokathodenherstellung. Der Hersteller kann vorgeformte Glasrunden für die Photokathodenplatte von einem Zulieferer beziehen. Arbeiter legen ein Galliumarsenid-Wafer auf das Glas und erhitzen es. Dies beginnt, das Galliumarsenid auf das Glas zu schmelzen.
2. Dann wird das Teil in eine Presse gegeben, die den Galliumarsenid-Substrat fest verbindet.
3. Arbeiter schleifen und polieren das Teil dann.
4. Gleichzeitig wird die Glas-Mikrokanalplatte mittels Zweizug-Prozess geformt. Dies beginnt mit einem gegossenen oder extrudierten Barren aus Spezialglasformel. Der Barren wird zu einem Stab von mehreren Zentimetern Durchmesser geschliffen. Der Stab wird in ein Hohlrohr eines anderen GlasTyps eingesetzt. Dies nennt man Umhüllung. Das Umhüllungsglas wird später weggeätzt, gibt den Fasern aber mehr Gleichmäßigkeit im Ziehprozess.
5. Nun wird das Glas zum ersten Mal gezogen. Der Barren wird vertikal an der Spitze eines Ofens aufgehängt. Der Ofen kann mehrere Fuß hoch sein. Er hat sehr feine Temperaturkontrolle, sodass verschiedene Punkte entlang seiner Länge bei unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden können. Der Barren wird an der Ofenspitze auf ca. 500 °C (932 °F) erhitzt. Ein Glastropfen bildet sich am Barrenende, wie ein Tropfen aus einem Wasserhahn. Während der Tropfen fällt, zieht er einen einzelnen Glasstrang, ca. 1 mm (0,04 Zoll) Durchmesser. Dieser Strang kühlt ab, während er sich streckt. Weiter unten im Ofen wird der Strang beidseitig von einer Zugmaschine gegriffen, die entlang der Faser rollt und sie auf den präzisen gewünschten Durchmesser formt. Schneider schneiden die Faser auf einheitliche Länge (ca. 15 cm / 6 Zoll) und führen sie in einen Bündler. Mehrere tausend Fasern werden zu einem Sechseck gebündelt. Dieses sechseckige Bündel wird dann ein zweites Mal gezogen, was dem Zweizug-Prozess seinen Namen gibt.
6. Der zweite Zug sieht dem ersten ähnlich, mit dem sechseckigen Bündel an der Spitze eines Zonenofens aufgehängt und erhitzt. Die Faser wird in eine sechseckige Form von ca. 1 mm (0,04 Zoll) Durchmesser gezogen. Da das Spezialglas seine Querschnittseigenschaften behält, ist die Faser aus diesem zweiten Zug geometrisch ähnlich zum größeren Bündel, mit der Wabenstruktur der Glasröhrchen intakt, und die ganze Struktur ist nur verkleinert. (Der Abstand zwischen den einzelnen Glasröhrchen wurde nun auf einige Hundertstel Millimeter reduziert.) Die resultierende Faser wird ebenfalls geschnitten und gebündelt, ähnlich dem ersten Zug.
7. Der resultierende Faserbündel wird unter Vakuum erhitzt und gepresst, was die Fasern zusammenverschmilzt. An diesem Punkt ist der Faserbündel als Boule bekannt. Für Mikrokanalplatten wird die Boule in leicht schrägen Winkel in waferdünne Scheiben geschnitten. Die Scheiben werden geschliffen und poliert. Die Platten werden dann mit Säure geätzt, um das weichere Umhüllungsglas zu entfernen. Das Entfernen des Umhüllungsglases öffnet Kanäle durch die gesamte Platte. Jede Platte wird dann mit Nickel-Chrom beschichtet.
8. Als Nächstes wird ein Aluminiumoxid-Film auf beide Oberflächen aufgebracht, damit jeder Kanal elektrische Ladung tragen kann. Diese fertige Mikrokanalplatte kann im Durchmesser variieren je nach Verwendungszweck, aber die Dicke bleibt bei ca. 1 mm (0,04 Zoll). Standardgröße für fertige Mikrokanalplatten ist 25 mm (0,9 Zoll) Durchmesser, aber sie können bis 12,5 cm (4,9 Zoll) Durchmesser groß sein.
9. Als Nächstes werden Phosphorschirm und Röhrenkörper montiert. Der Schirm selbst ist ein kleiner Faseroptik-Disk, der von einem Zulieferer geliefert werden kann. Der Bildverstärker-Hersteller muss den Schirm an die Metallteile binden, die ihn in der Röhre halten, und dann den Phosphor auftragen. Der Schirm wird in einen Flansch gelegt und mit einem Ring aus einem verschmelzbaren Material namens Frit verbunden. Frit ist eine spezielle Glasverbindung, die unter hoher Hitze an Metall und Glas schweißt. Andere Metallteile werden über den Schirm gesetzt, bildend ein kleines rundes Teil. Dieses Teil wird auf einer Schiene durch einen Ofen geführt, der das Frit schmilzt und alle Komponenten dauerhaft verbindet. Nach Abkühlung, Reinigung und Polieren wird der Phosphor aufgesprüht oder aufgebürstet. Eine Phosphor-Wasser-Lösung wird eingegossen. Der Phosphor setzt sich auf dem Schirm ab, dann wird das Wasser abgelassen.
10. Arbeiter montieren den Röhrenkörper, indem sie eine Serie kleiner Metall- und Keramikringe zusammenfügen. Jeder Ring hat eine präzise Funktion, stützt die verschiedenen Teile, die in die Röhre geladen werden. Isolatoren und Leiter werden zu diesem Zeitpunkt hinzugefügt. Einige Abschnitte des Röhrenkörpers bestehen aus einem weichen Metall namens Indium. Die montierte Röhre wird durch einen Ofen geführt, und die Indiumteile schmelzen und verschmelzen, die Röhre zusammenhaltend.
11. Wenn alle Hauptkomponenten gefertigt sind, werden sie von Hand in den Röhrenkörper geladen. Dies ist extrem feine Arbeit in einer speziellen Reinraumumgebung – in den Reinraumeinrichtungen tragen Arbeiter Laboranzüge, Handschuhe, und Arbeitsstationen sind durch Plastikfolien geschützt. Die Teile mechanisch verriegeln sich. Zuerst wird die Mikrokanalplatte in den Körper verriegelt. Dann tack-schweißen Arbeiter Elektroden an die Teile, die Spannung führen werden.
12. Das teilmontierte Gerät geht als Nächstes zu einer Ausrüstung namens Entgasungsstation. In der Entgasungsstation wird Luft aus der Röhre entfernt, wodurch Vakuum entsteht. Unter Vakuum wird die Kathode eingesetzt und aktiviert. Einmal erledigt, werden Körper, Kathode und Schirm unter hohem Druck zusammengepresst. Unter hohem Druck verschmelzen Indium-Grenzflächen zwischen den Teilen und verbinden alle Elemente dauerhaft.
13. Als Nächstes durchläuft die Bildverstärkerröhre mehrere Teststufen, um sicherzustellen, dass sie aktiviert ist und innerhalb erwarteter Parameter arbeitet. Wenn die Röhre als korrekt funktionsfähig gezeigt wird, verdrahten Arbeiter sie mit ihrer Stromversorgung. Dann wird die Röhre in ein Teil namens „Boot“ eingesetzt, das einem einfachen Kunststoffbecher ähnelt. Dieser Boot bildet ein Gehäuse, das die Röhre zum Schutz einkapselt. Der Boot wird unter Vakuum geschlossen und versiegelt. Nun ist die Bildverstärkerröhre komplett. Sie durchläuft mehrere weitere Testrunden. Tests können je nach Verwendungszweck variieren. Gründlich getestete Komponenten gehen dann in einen Endmontageprozess. Hier werden sie in ein Gehäuse für Brillen, Zielgeräte, Ferngläser oder das jeweilige Endprodukt der Nachtsicht eingebaut.

Qualitätskontrolle

Qualitätskontrolle an jedem Fertigungsschritt ist essenziell für korrekt funktionierende Bildverstärkerröhren. Große Hersteller haben den Prozess so verfeinert, dass jeder Schritt getestet oder gemessen wird, und Arbeiter können das Teil nicht zum nächsten Schritt bewegen, wenn es die Qualitätsanforderungen nicht erfüllt. Hersteller nutzen hochentwickelte Kalibrierausrüstung, um Dinge wie Glasfaserdurchmesser, Mikrokanalplatten-Dicke und Temperaturen in den verschiedenen Öfen zu messen. Von Zulieferern gelieferte Materialien werden bei Wareneingang geprüft. Die Kalibrierausrüstung für Tests wird selbst häufig auf Genauigkeit geprüft.

Das Endprodukt wird auf verschiedene Arten getestet, um sicherzustellen, dass jedes Gerät wie vorgesehen funktioniert. Jedes Gerät wird auf seine visuelle Leistung geprüft. Andere Tests zeigen, wie robust das Gerät unter widrigen Bedingungen ist. Fertige Nachtsichtgeräte können auf Schock- und Vibrationsreaktion getestet werden, und es kann ein Falltest geben. Für manche militärischen Anforderungen können Geräte tagelang extremer Hitze und Feuchtigkeit ausgesetzt werden.

Nebenprodukte/Abfall

Die Herstellung von Nachtsichtgeräten kann zu gefährlichem Abfall führen, da viele Chemikalien in Reinigung und Ätzung verwendet werden. Allerdings konnten einige Hersteller weniger toxische oder ungiftige Chemikalien für schädliche substituieren, und generell ist der Fertigungsprozess jetzt sauberer als bei der ursprünglichen Technologieentwicklung. Bildverstärkerröhren sind teuer und aufwendig herzustellen, daher versuchen Hersteller, so viel Schrott wie möglich zu retten. Wenn eine Röhre gebaut wird, die nicht funktioniert, wird sie demontiert und die Teile wiederverwendet.

Die Zukunft

Die Nachtsichtindustrie macht sich für den nicht-militärischen Verbrauchermarkt verfügbar. Während Preise noch hoch sind, kann der Preis mit steigender Nachfrage sinken, bis die Technologie recht erschwinglich ist. Die Technologie wird bereits von Strafverfolgung und Such- und Rettungsteams genutzt. Wenn Produkte mehr in den Preisrahmen von Verbrauchern rücken, und weil die betrachteten Bilder per Videokamera oder Foto aufgezeichnet werden können, könnten mehr Fotografen, Tierbeobachter, Bootsfahrer, Camper und viele andere beginnen, Nachtsichttechnologie innovativer zu nutzen.

Weiterführende Informationen

Bücher

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.

Zeitschriften

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 (Februar 2000): 8.

Angela Woodward