ナイトビジョンスコープ：暗闇での視界を強化

背景

ナイトスコープ、またはナイトビジョンデバイスは、極めて低い光条件下で人間の視覚を増強するために使用されます。ナイトビジョンスコープにはいくつかのタイプがあります。赤外線撮像システム（「アクティブ」ナイトビジョンデバイスとも呼ばれる）は、シーンに赤外線を照射します。赤外線は人間の可視光スペクトルを超えているため、ビーム自体は検出不能。画像変換技術が赤外線で照らされたシーンを可視画像に変換します。サーマル撮像システムは同様に、物体、人、動物から放出される熱パターンを視覚画像に変換します。戦時用途で完成し、現在商業的にも入手可能なナイトビジョンデバイスは「パッシブ」ナイトビジョンシステムと呼ばれます。これらのシステムは、星明かりのような最小限の光で捉えられた画像を増幅し、可視画像に変換します。パッシブナイトビジョンデバイスを通した視界は、裸眼で見えるものより2万〜5万倍明るくなることがあります。

ナイトビジョンデバイスは軍事用途で開発され、暗闇での視認は明確な戦術的優位性です。米国はベトナム戦争で使用し、湾岸戦争では大きな効果を発揮。都市部と地方の両方の警察組織でも使用されています。1990年代後半には、ナイトビジョンデバイスがより多くの商業的出口を見出し始めました。一部の高級車に搭載され、レクリエーション用として消費者に直接販売されるようになりました。

歴史

ナイトビジョンデバイスの研究は1940年代に開始。米軍は1940年代後半までに開発プログラムを確立し、1950年代までに実用的な赤外線観測システムを開発。これはアクティブ技術で、指向性赤外線ビームを使用。ビーム自体は裸眼では不可視ですが、同等技術を持つ敵は容易にビームを探知可能。1950-60年代に使用された赤外線ビューアーは「第0世代」技術と呼ばれます。

ITTコーポレーション（現MIT Industries, Inc.）がバージニア州ロアノークで1958年から米軍向けナイトビジョンデバイスを生産開始。米国防総省は1965年、独自のナイトビジョン研究所を設立し、既存技術の改良に専念。1960年代、科学者たちは最初の実用的なパッシブナイトビジョンシステムを開発。これらは星明かりのみで見える画像を拾い上げ増幅できるため「スターライト」システムと呼ばれ、「第1世代」デバイスとしても知られます。実際には月光下で最も効果的でした。第1世代ナイトビジョンデバイスはベトナム戦争で初めて実戦投入されました。

戦後まもなく改良技術が開発され、より小型でかさばらない、解像度の向上したナイトビジョンデバイスが登場。これらより信頼性の高い機器は「第2世代」と呼ばれました。米軍は1970-80年代を通じてナイトビジョン技術の開発と洗練を継続し、武器照準器にナイトビジョンターゲティングデバイスを装着し、パイロットをナイトビジョンゴーグルで訓練。パッシブ第2世代デバイスは極めて低光量状況でも良好な可視画像を生成可能でした。

「第3世代」技術は1980年代後半に開発。これらの新しいナイトビジョンデバイスは、イメージインテンシファイアチューブ内の光陰極材料に砒化ガリウムを使用。極めて低光量下でも更なる解像度向上を実現。米軍は湾岸戦争でナイトビジョンデバイスを大規模に使用し、暗闇だけでなく砂塵と煙の中でも視認可能に。1990年代後半には国防総省がナイトビジョン開発資金を削減し、一部メーカーが消費者市場を模索し始めました。米国では個人がナイトビジョンデバイスを購入可能ですが、輸出は依然として制限されています。

原材料

ナイトビジョンデバイスの主要作動コンポーネントであるイメージインテンシファイアチューブは、光学ガラスの髪の毛ほどの微細な繊維数百万本で構成されます。使用されるガラスは加熱・引き伸ばし時に所望の特性を保持する特殊配合。光学品質ガラスを接眼レンズと出力ウィンドウに使用（出力ウィンドウは従来の双眼鏡の接眼レンズのような眼球レンズ）。イメージインテンシファイアチューブの他の材料には蛍光体と砒化ガリウム。チューブボディは金属とセラミックで構成され、使用金属にはアルミニウム、クロム、インジウムが含まれる場合があります。

設計

パッシブナイトビジョンデバイスは、レンズ、イメージ増強チューブ、もう1つのレンズを通して光を送ることで動作。光は対物レンズ（高性能カメラレンズに類似）から入り、イメージインテンシファイアチューブに集光されます。

チューブはナイトビジョンデバイスで最も複雑な部品。正確な仕様で手作業で製造されます。チューブは真空管で、光陰極、電源、マイクロチャネルプレート、蛍光体スクリーン（電子励起で発光）を備えます。陰極が光（光子）を吸収し電子に変換。電子はマイクロチャネルプレートと呼ばれる薄板状デバイスを通過する際に数千倍に増倍されます。

標準的なマイクロチャネルプレートは直径1インチ（25mm）、厚さ約0.04インチ（1mm）で、25セント硬貨ほどのサイズ。このプレートには数百万本の微細ガラスチューブ（チャネル）が組み込まれています。最新のナイトビジョンマイクロチャネルプレートは1,000万チャネル以上を含みます。これらのチャネルを電子が跳ね返るように通過する際にさらなる電子を放出。チャネルはプレート上で直径と間隔が均一でなければクリアな画像を生成できません。電子が蛍光体スクリーンに衝突すると、電子像が光像に再変換され、出力ウィンドウに焦点を合わせます。

イメージ増強チューブ全体のサイズは様々ですが、完成チューブは銃照準器や軍用ゴーグル一対に収まるほど小型化可能。例えば、ITTから入手可能な現行製品の一つは第3世代単眼鏡で、長さ4.5インチ（11cm）、幅2インチ（5cm）、高さ2.25インチ（5.5cm）（両レンズ含む）。装置全体の重量は13.8オンス（0.4kg）。

製造プロセス

ナイトビジョンデバイスの製造プロセスは複雑です。コアコンポーネントであるイメージインテンシファイアチューブの製造には400以上の異なるステップが必要。メーカーはいくつかの主要工程ステップを工場の異なるセクションで同時に実行します。

1. 最初の主要ステップは光陰極の製造。メーカーはサブコントラクターから光陰極プレート用の予成形ガラスラウンドを購入する場合があります。作業員が砒化ガリウムウェーハをガラス上に置き加熱。砒化ガリウムがガラスに溶着し始めます。
2. 次にプレスに入れ、砒化ガリウム基板を確実に結合。
3. 作業員が研削と研磨を実施。
4. 一方、ガラスマイクロチャネルプレートは「ツードロープロセス」として知られるシステムで形成。特殊配合ガラスの鋳造または押出インゴットから開始。インゴットを数センチ直径のロッドに研削。このロッドを別タイプのガラスの中空チューブに嵌入。これがクラッディングと呼ばれ、後にエッチング除去されますが、引き伸ばしプロセスで繊維の均一性を高めます。
5. 最初の引き伸ばし。インゴットを炉の頂部に垂直吊り下げ。炉は数フィートの高さ。炉長にわたる精密温度制御で、異なる点を異なる温度に保持可能。インゴット頂部を約932°F（500°C）で加熱。インゴット底部にガラスの塊が形成され、水道の滴下のように落下。落下時に単一ガラス繊維（直径約0.04インチ/1mm）を引き伸ばし。伸びながら冷却。炉のさらに下部でトラクションマシンが繊維両側をグリップし、ロールしながら精密な所望直径に成形。カッターで均一長（約6インチ/15cm）にクリップしバンドラーへ通過。数千本の繊維を六角形にバンドル。この六角バンドルを2回目の引き伸ばしにかけ、ツードロープロセスの名前の由来となっています。
6. 2回目の引き伸ばしは最初と類似。六角バンドルをゾーン炉頂部に吊り下げ加熱。繊維を直径約0.04インチ（1mm）の六角形に引き伸ばし。特殊ガラスが断面特性を保持するため、この2回目の引き伸ばしから得られる繊維はより大きなバンドルと幾何学的に類似し、ガラスチューブのハニカム構造がそのまま維持され、構造全体が縮小されるだけ。（個々のガラスチューブ間のスペースは今や数百分の1ミリメートルに縮小。）2回目の引き伸ばしで得られた繊維も同様にカット・バンドルされます。
7. 結果の繊維バンドルを加熱・真空下でプレスし、繊維を融着。この時点でファイバーバンドルは「ブール」と呼ばれます。マイクロチャネルプレートを作るため、ブールをわずかに斜めに切断してウェーハ薄スライスに。スライスを研削研磨。プレートを酸エッチングで柔らかいクラッディングガラスを除去。クラッディングガラス除去でプレート全体にチャネルが開通。各プレートをニッケルクロムでコーティング。
8. 次に、両面に酸化アルミニウム薄膜を形成し、各チャネルが電荷を運べるようにする。完成したマイクロチャネルプレートは用途により直径が変わるが、厚さは約0.04インチ（1mm）のまま。完成プレートの標準サイズは直径0.9インチ（25mm）だが、最大4.9インチ（12.5cm）まで可能。
9. 次に、蛍光体スクリーンとチューブボディを組み立て。スクリーン自体はサブコントラクター供給の小型光ファイバーディスクの場合あり。イメージインテンシファイアメーカーはスクリーンをチューブ内で保持する金属部品に接合し、蛍光体を塗布。スクリーンをフランジに落とし、フリットと呼ばれる融着性材料のリングで接合。フリットは高熱で金属とガラスに溶着する特殊ガラス化合物。他の金属部品をスクリーン上に装着し小さな丸い部品を形成。この部品をトラックで炉に通し、フリットを溶融して全コンポーネントを接合。冷却・洗浄・研磨後、蛍光体をスプレーまたはブラシで塗布。水中蛍光体溶液を注入。蛍光体がスクリーンに沈殿、水を排出。
10. 作業員が一連の小さな金属・セラミックリングを組み合わせてチューブボディを組み立て。各リングはチューブにロードされる様々な部品を支持する精密な機能を持ちます。この時点で絶縁体と導体も追加。チューブボディの一部はインジウムと呼ばれる軟らかい金属で製造。組み立て済みチューブを炉に通し、インジウム部分が溶融融着してチューブを保持。
11. すべての主要コンポーネント製造後、特殊クリーンルーム環境で手作業によりチューブボディにロード。クリーンルーム施設では作業員が実験服、手袋を着用、ワークステーションはプラスチックシートで保護。部品が機械的にロックイン。まずマイクロチャネルプレートをボディにロックイン。次に作業員が電圧を運ぶ部品に電極をタック溶接。
12. 部分組み立てユニットを「排気ステーション」と呼ばれる装置へ移送。排気ステーションでチューブから空気を除去し真空を形成。真空下で陰極を挿入し活性化。一度これが完了すると、ボディ、陰極、スクリーンが高圧で押し合わされ、インジウム界面が融着し全要素が永久的に接合されます。
13. 次に、イメージインテンシファイアチューブは活性化と期待パラメータ内動作を確認するため複数のテスト段階を通過。チューブが正常動作を示したら電源に配線。次に「ブート」と呼ばれるシンプルなプラスチックカップのような部品にセット。このブートがチューブをカプセル化して保護するハウジングを形成。ブートを真空下で閉鎖・密封。これでイメージインテンシファイアチューブが完成。さらに数ラウンドのテストを実施。テストは用途により変動。徹底的にテストされたコンポーネントは最終組み立てプロセスへ移行。ゴーグル、銃照準器、双眼鏡、または最終ナイトビジョン製品のケースに組み込まれます。

品質管理

イメージインテンシファイアチューブが正しく機能するためには、製造プロセスのあらゆる段階での品質管理が不可欠。大手メーカーはプロセスを洗練させ、各ステップでテストまたは測定を行い、品質管理要件を満たさない部品を次のステップに進められないようにしています。メーカーはガラス繊維の直径、マイクロチャネルプレートの厚さ、各種炉の温度などを測定する高度な校正装置を使用。サブコントラクターから供給される材料は入荷時にチェック。テスト用校正装置自体も頻繁に精度確認されます。

最終製品は様々な方法でテストされ、各デバイスが正しく動作することを保証。各デバイスの視覚動作をチェック。その他のテストで悪条件下でのタフさを評価。完成ナイトビジョンデバイスは衝撃と振動への耐性、ドロップテストを実施する場合も。一部軍事要件では、数日間の極端な高温多湿にさらされることもあります。

副産物/廃棄物

ナイトビジョンデバイスの製造は、洗浄とエッチングに多くの化学薬品を使用するため、一部有害廃棄物を生じる可能性があります。しかし、一部メーカーは有害化学薬品をより低毒性または無毒性のものに置き換えることに成功し、一般的に製造プロセスは技術開発初期よりクリーンになっています。イメージインテンシファイアチューブは高価で製造が困難なため、メーカーは可能な限りスクラップを回収しようとします。機能しないチューブが製造された場合、分解して部品を再利用します。

未来展望

ナイトビジョン業界は非軍事消費者市場への参入を進めています。価格はまだ高いですが、需要増加に伴い技術が比較的手頃になるまで価格低下が見込まれます。技術はすでに法執行機関と捜索救助チームで使用されています。製品が消費者の価格帯に入れば、画像をビデオカメラや写真として記録できるため、より多くの写真家、野生動物観察者、ボート乗り、キャンパー、その他多くの人々がナイトビジョン技術をより革新的な方法で使用し始める可能性があります。

さらに学ぶには

書籍

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.

定期刊行物

Justic, Branco, and Peter Phillips. "Night Vision Scopes." Electronics Now (1994年10月): 57.

Lampton, Michael. "The Microchannel Image Intensifier." Scientific American (1981年11月): 62-71.

Rhea, John. "The Feedback Loop of Night Vision Devices." Military & Aerospace Electronics (2000年2月): 8.

Angela Woodward