Un intensificador de imagen o tubo intensificador de imagen es un dispositivo de tubo de vacío para aumentar la intensidad de la luz disponible en un sistema óptico para permitir su uso en condiciones de poca luz, como por la noche, para facilitar la obtención de imágenes visuales de procesos con poca luz, como la fluorescencia de materiales en rayos X o rayos gamma ( intensificador de imagen de rayos X ), o para la conversión de fuentes de luz no visibles, como el infrarrojo cercano o el infrarrojo de onda corta en visible. Funcionan convirtiendo fotones de luz en electrones, amplificando los electrones (normalmente con una placa de microcanales ) y luego convirtiendo los electrones amplificados de nuevo en fotones para su visualización. Se utilizan en dispositivos como gafas de visión nocturna .
Los tubos intensificadores de imagen (IIT) son dispositivos optoelectrónicos que permiten el funcionamiento de muchos dispositivos, como los de visión nocturna y los de diagnóstico por imágenes . Convierten niveles bajos de luz de varias longitudes de onda en cantidades visibles de luz en una única longitud de onda.
Los intensificadores de imagen convierten niveles bajos de fotones de luz en electrones, amplifican esos electrones y luego convierten los electrones nuevamente en fotones de luz. Los fotones de una fuente de poca luz ingresan a una lente objetivo que enfoca una imagen en un fotocátodo . El fotocátodo libera electrones a través del efecto fotoeléctrico cuando los fotones entrantes lo golpean. Los electrones se aceleran a través de un potencial de alto voltaje en una placa de microcanal (MCP). Cada electrón de alta energía que golpea la MCP provoca la liberación de muchos electrones de la MCP en un proceso llamado emisión secundaria en cascada . La MCP está formada por miles de pequeños canales conductores, inclinados en un ángulo alejado de la normal para alentar más colisiones de electrones y, por lo tanto, mejorar la emisión de electrones secundarios en una avalancha de electrones controlada .
Todos los electrones se mueven en línea recta debido a la diferencia de alto voltaje a través de las placas, lo que preserva la colimación , y donde entraron uno o dos electrones, pueden surgir miles. Un diferencial de carga separado (menor) acelera los electrones secundarios del MCP hasta que golpean una pantalla de fósforo en el otro extremo del intensificador, que libera un fotón por cada electrón. La imagen en la pantalla de fósforo se enfoca mediante una lente ocular . La amplificación se produce en la etapa de placa de microcanal a través de su emisión secundaria en cascada. El fósforo suele ser verde porque el ojo humano es más sensible al verde que a otros colores y porque históricamente el material original utilizado para producir pantallas de fósforo producía luz verde (de ahí el apodo de los soldados "televisión verde" para los dispositivos de intensificación de imagen).
El desarrollo de los tubos intensificadores de imagen comenzó durante el siglo XX, con un desarrollo continuo desde su inicio.
La idea de un tubo de imagen fue propuesta por primera vez por G. Holst y H. De Boer en 1928, en los Países Bajos [1], pero los primeros intentos de crear uno no tuvieron éxito. No fue hasta 1934 que Holst, trabajando para Philips , creó el primer tubo convertidor de infrarrojos exitoso. Este tubo consistía en un fotocátodo cerca de una pantalla fluorescente. Usando una lente simple, se enfocaba una imagen en el fotocátodo y se mantenía una diferencia de potencial de varios miles de voltios a través del tubo, haciendo que los electrones desprendidos del fotocátodo por los fotones golpearan la pantalla fluorescente. Esto hacía que la pantalla se iluminara con la imagen del objeto enfocado en la pantalla, sin embargo, la imagen no era invertida. Con este tipo de tubo convertidor de imagen, fue posible ver la luz infrarroja en tiempo real, por primera vez.
El desarrollo continuó también en los EE. UU. Durante la década de 1930 y, a mediados de 1930, se desarrolló el primer intensificador de imagen inversor en RCA . Este tubo usaba un inversor electrostático para enfocar una imagen desde un cátodo esférico sobre una pantalla esférica. (La elección de esferas fue para reducir las aberraciones fuera del eje). El desarrollo posterior de esta tecnología condujo directamente a los primeros intensificadores de imagen de Generación 0 que fueron utilizados por los militares durante la Segunda Guerra Mundial para permitir la visión nocturna con iluminación infrarroja tanto para disparar como para la visión nocturna personal. El primer dispositivo de visión nocturna militar fue introducido por el ejército alemán [ cita requerida ] ya en 1939, desarrollado desde 1935. Los primeros dispositivos de visión nocturna basados en estas tecnologías fueron utilizados por ambos bandos en la Segunda Guerra Mundial.
A diferencia de las tecnologías posteriores, los primeros dispositivos de visión nocturna de la Generación 0 no podían amplificar significativamente la luz ambiental disponible y, por lo tanto, para ser útiles, requerían una fuente de infrarrojos. Estos dispositivos utilizaban un fotocátodo S1 o fotocátodo de " plata - oxígeno - cesio ", descubierto en 1930, que tenía una sensibilidad de alrededor de 60 μA/lm (microamperios por lumen) y una eficiencia cuántica de alrededor del 1% en la región ultravioleta y alrededor del 0,5% en la región infrarroja. Cabe destacar que el fotocátodo S1 tenía picos de sensibilidad tanto en el espectro infrarrojo como en el ultravioleta y, con una sensibilidad superior a 950 nm, era el único material de fotocátodo que podía usarse para ver luz infrarroja por encima de 950 nm.
Los convertidores ciegos al sol, también conocidos como fotocátodos ciegos al sol, son dispositivos especializados que detectan la luz ultravioleta (UV) por debajo de los 280 nanómetros (nm) de longitud de onda. Este rango UV se denomina "ciego al sol" porque es más corto que las longitudes de onda de la luz solar que normalmente penetran la atmósfera de la Tierra. Descubiertos en 1953 por Taft y Apker [2], los fotocátodos ciegos al sol se desarrollaron inicialmente utilizando telururo de cesio . A diferencia de las tecnologías de visión nocturna que se clasifican en "generaciones" según sus aplicaciones militares, los fotocátodos ciegos al sol no encajan en esta categorización porque su utilidad no es principalmente militar. Su capacidad para detectar la luz UV en el rango ciego al sol los hace útiles para aplicaciones que requieren sensibilidad a la radiación UV sin interferencia de la luz solar visible.
Con el descubrimiento de materiales fotocátodos más eficaces, que aumentaron tanto la sensibilidad como la eficiencia cuántica, se hizo posible alcanzar niveles significativos de ganancia sobre los dispositivos de la Generación 0. En 1936, Gorlich descubrió el cátodo S-11 ( cesio - antimonio ), que proporcionaba una sensibilidad de aproximadamente 80 μA/lm con una eficiencia cuántica de alrededor del 20%; esto solo incluía sensibilidad en la región visible con una longitud de onda umbral de aproximadamente 650 nm.
No fue hasta el desarrollo de los fotocátodos de antimonuro bialcalino ( potasio - cesio -antimonio y sodio -potasio-antimonio) descubiertos por AH Sommer y su posterior fotocátodo multialcalino (sodio-potasio-antimonio-cesio) S20 descubierto en 1956 por accidente, que los tubos tenían una sensibilidad infrarroja adecuada y una amplificación del espectro visible para ser útiles militarmente. El fotocátodo S20 tiene una sensibilidad de alrededor de 150 a 200 μA/lm. La sensibilidad adicional hizo que estos tubos se pudieran utilizar con luz limitada, como la luz de la luna, al mismo tiempo que seguían siendo adecuados para su uso con iluminación infrarroja de bajo nivel.
Aunque los alemanes experimentaron con ellos en la Segunda Guerra Mundial, no fue hasta la década de 1950 que Estados Unidos comenzó a realizar los primeros experimentos con múltiples tubos en "cascada", acoplando la salida de un tubo inversor a la entrada de otro tubo, lo que permitió una mayor amplificación de la luz del objeto que se estaba viendo. Estos experimentos funcionaron mucho mejor de lo esperado y los dispositivos de visión nocturna basados en estos tubos pudieron captar la tenue luz de las estrellas y producir una imagen utilizable. Sin embargo, el tamaño de estos tubos, de 17 pulgadas (43 cm) de largo y 3,5 pulgadas (8,9 cm) de diámetro, era demasiado grande para ser adecuado para uso militar. Conocidos como tubos "en cascada", proporcionaron la capacidad de producir los primeros visores de visión nocturna verdaderamente pasivos. Con la llegada de los haces de fibra óptica en la década de 1960, fue posible conectar tubos más pequeños entre sí, lo que permitió que se desarrollaran los primeros visores Starlight auténticos en 1964. Muchos de estos tubos se utilizaron en el visor de rifle AN/PVS-2, que se utilizó en Vietnam.
Una alternativa al tubo en cascada explorada a mediados del siglo XX implica la retroalimentación óptica , con la salida del tubo retroalimentando la entrada. Este esquema no se ha utilizado en miras telescópicas, pero se ha utilizado con éxito en aplicaciones de laboratorio donde son aceptables conjuntos de intensificadores de imagen más grandes. [1]
Los intensificadores de imagen de segunda generación utilizan el mismo fotocátodo multiálcali que utilizaban los tubos de primera generación, sin embargo al utilizar capas más gruesas de los mismos materiales se desarrolló el fotocátodo S25, que proporciona una respuesta roja extendida y una respuesta azul reducida, haciéndolo más adecuado para aplicaciones militares. Tiene una sensibilidad típica de alrededor de 230 μA/lm y una eficiencia cuántica mayor que el material del fotocátodo S20. La oxidación del cesio a óxido de cesio en versiones posteriores mejoró la sensibilidad de manera similar a los fotocátodos de tercera generación. La misma tecnología que produjo los haces de fibra óptica que permitieron la creación de tubos en cascada, permitió, con un ligero cambio en la fabricación, la producción de placas de microcanales , o MCP. La placa de microcanales es una oblea de vidrio delgada con un electrodo de nicromo a cada lado a través del cual se aplica una gran diferencia de potencial de hasta 1.000 voltios.
La oblea está fabricada a partir de miles de fibras de vidrio huecas individuales, alineadas en un ángulo de "sesgo" con respecto al eje del tubo. La placa de microcanales encaja entre el fotocátodo y la pantalla. Los electrones que chocan contra el lateral del "microcanal" al pasar a través de él provocan electrones secundarios, que a su vez provocan electrones adicionales al chocar también contra las paredes, amplificando la señal. Al utilizar el MCP con un tubo enfocado por proximidad, se pudieron lograr amplificaciones de hasta 30.000 veces con una sola capa de MCP. Al aumentar el número de capas de MCP, se pudo lograr una amplificación adicional de más de 1.000.000 de veces.
La inversión de los dispositivos de segunda generación se logró mediante una de dos formas diferentes. El tubo inversor utiliza inversión electrostática, de la misma manera que lo hacían los tubos de primera generación, con un MCP incluido. Los tubos de segunda generación enfocados por proximidad también se podían invertir utilizando un haz de fibras con un giro de 180 grados.
Aunque la tercera generación de tubos era básicamente la misma que la segunda generación, poseía dos diferencias significativas. En primer lugar, utilizaban un fotocátodo GaAs - CsO - AlGaAs , que es más sensible en el rango de 800 nm a 900 nm que los fotocátodos de segunda generación. En segundo lugar, el fotocátodo exhibe afinidad electrónica negativa (NEA), que proporciona a los fotoelectrones que se excitan en la banda de conducción un viaje libre a la banda de vacío ya que la capa de óxido de cesio en el borde del fotocátodo causa suficiente flexión de banda . Esto hace que el fotocátodo sea muy eficiente en la creación de fotoelectrones a partir de fotones. Sin embargo, el talón de Aquiles de los fotocátodos de tercera generación es que se degradan gravemente por envenenamiento de iones positivos. Debido a las altas tensiones del campo electrostático en el tubo y al funcionamiento de la placa de microcanales, esto provocó la falla del fotocátodo en un corto período de tiempo, tan solo 100 horas antes de que la sensibilidad del fotocátodo cayera por debajo de los niveles Gen2. Para proteger el fotocátodo de los iones positivos y los gases producidos por la placa de microcanales, introdujeron una película delgada de óxido de aluminio sinterizado adherida a la placa de microcanales. La alta sensibilidad de este fotocátodo, superior a 900 μA/lm, permite una respuesta más efectiva en condiciones de poca luz, aunque esto se vio compensado por la película delgada, que normalmente bloqueaba hasta el 50% de los electrones.
Aunque no se reconoce formalmente en las categorías de generación de EE. UU., la Super Second Generation o SuperGen fue desarrollada en 1989 por Jacques Dupuy y Gerald Wolzak. Esta tecnología mejoró los fotocátodos de trialcalina a más del doble de su sensibilidad, al mismo tiempo que mejoró la placa de microcanales al aumentar la relación de área abierta al 70% y reducir el nivel de ruido. Esto permitió que los tubos de segunda generación, que son más económicos de fabricar, lograran resultados comparables a los de los tubos intensificadores de imagen de tercera generación. Con sensibilidades de los fotocátodos cercanas a 700 uA/lm y una respuesta de frecuencia extendida a 950 nm, esta tecnología continuó desarrollándose fuera de EE. UU., en particular por Photonis, y ahora constituye la base de la mayoría de los equipos de visión nocturna de alta gama fabricados fuera de EE. UU.
En 1998, la empresa estadounidense Litton desarrolló el tubo de imagen sin película. Estos tubos se fabricaron originalmente para el contrato Omni V y despertaron un gran interés por parte del ejército estadounidense. Sin embargo, los tubos sufrieron una gran fragilidad durante las pruebas y, en 2002, el NVESD revocó la designación de cuarta generación para los tubos sin película, momento en el que simplemente pasaron a denominarse Gen III Filmless. Estos tubos todavía se producen para usos especializados, como la aviación y las operaciones especiales; sin embargo, no se utilizan para fines montados en armas. Para superar los problemas de envenenamiento por iones, mejoraron las técnicas de depuración durante la fabricación del MCP (la fuente principal de iones positivos en un tubo de oblea) e implementaron el autogating, descubriendo que un período suficiente de autogating haría que los iones positivos se expulsaran del fotocátodo antes de que pudieran causar envenenamiento del fotocátodo.
La tecnología sin película de tercera generación todavía se produce y se utiliza hoy en día, pero oficialmente no existe una cuarta generación de intensificadores de imagen.
También conocida como Generación 3 Omni VII y Generación 3+, a raíz de los problemas experimentados con la tecnología de Generación IV, la tecnología de película delgada se convirtió en el estándar para la tecnología de intensificadores de imagen actual. En los intensificadores de imagen de película delgada, el espesor de la película se reduce de alrededor de 30 Angstrom (estándar) a alrededor de 10 Angstrom y se reduce el voltaje del fotocátodo. Esto hace que se detengan menos electrones que con los tubos de tercera generación, al tiempo que proporciona los beneficios de un tubo con película.
La tecnología de película delgada de 3ª generación es actualmente el estándar para la mayoría de los intensificadores de imagen utilizados por el ejército de EE. UU.
En 2014, el fabricante francés de tubos intensificadores de imagen PHOTONIS publicó la primera especificación de rendimiento global y abierta, "4G". La especificación establecía cuatro requisitos principales que debía cumplir un tubo intensificador de imagen.
Existen varios términos comunes que se utilizan para los tubos intensificadores de imagen.
La activación y desactivación electrónicas (o "gating") es un medio por el cual un tubo intensificador de imágenes puede encenderse y apagarse de manera controlada. Un tubo intensificador de imágenes activado electrónicamente funciona como un obturador de cámara, permitiendo que las imágenes pasen a través de él cuando se activa la "puerta" electrónica. Las duraciones de activación pueden ser muy cortas (nanosegundos o incluso picosegundos). Esto hace que los tubos intensificadores de imágenes activados por compuerta sean candidatos ideales para su uso en entornos de investigación donde se deben fotografiar eventos de duración muy corta. A modo de ejemplo, para ayudar a los ingenieros a diseñar cámaras de combustión más eficientes, se han utilizado tubos intensificadores de imágenes activados por compuerta para registrar eventos muy rápidos, como el frente de onda del combustible quemado en un motor de combustión interna.
A menudo, la activación de puertas se utiliza para sincronizar los tubos de imágenes con eventos cuyo inicio no se puede controlar ni predecir. En tal caso, la operación de activación de puertas se puede sincronizar con el inicio de un evento utilizando "electrónica de activación de puertas", por ejemplo, generadores de retardo digitales de alta velocidad. La electrónica de activación de puertas permite al usuario especificar cuándo se encenderá y apagará el tubo en relación con el inicio de un evento.
Existen muchos ejemplos de usos de los tubos de imágenes con compuertas. Debido a la combinación de las velocidades muy altas a las que puede funcionar un tubo con compuertas y su capacidad de amplificación de la luz, los tubos con compuertas pueden registrar porciones específicas de un haz de luz. Es posible capturar solo la porción de luz reflejada desde un objetivo, cuando se dispara un haz de luz pulsado hacia el objetivo, controlando los parámetros de compuertas. Los dispositivos de visión nocturna activa pulsada con compuertas (GPANV) son otro ejemplo de una aplicación que utiliza esta técnica. Los dispositivos GPANV pueden permitir que un usuario vea objetos de interés que están ocultos detrás de la vegetación, el follaje o la niebla. Estos dispositivos también son útiles para localizar objetos en aguas profundas, donde los reflejos de luz de las partículas cercanas de una fuente de luz continua, como un reflector submarino de alto brillo, de otro modo ocultarían la imagen.
El control automático de la compuerta es una característica que se encuentra en muchos tubos intensificadores de imagen fabricados para fines militares después de 2006, aunque ha estado presente durante algún tiempo. Los tubos con control automático de la compuerta controlan el intensificador de imagen en su interior para controlar la cantidad de luz que pasa a través de la placa de microcanales. El control automático de la compuerta se produce a alta frecuencia y, al variar el ciclo de trabajo para mantener un consumo de corriente constante de la placa de microcanales, es posible operar el tubo durante condiciones más brillantes, como la luz del día, sin dañar el tubo o provocar una falla prematura. El control automático de la compuerta de los intensificadores de imagen es valioso desde el punto de vista militar, ya que permitió extender las horas de funcionamiento, lo que proporcionó una mejor visión durante las horas del crepúsculo y, al mismo tiempo, brindó un mejor apoyo a los soldados que se enfrentan a condiciones de iluminación que cambian rápidamente, como los que asaltan un edificio.
La sensibilidad de un tubo intensificador de imagen se mide en microamperios por lumen (μA/lm). Define cuántos electrones se producen por cantidad de luz que incide sobre el fotocátodo. Esta medición debe realizarse a una temperatura de color específica , como "a una temperatura de color de 2854 K". La temperatura de color a la que se realiza esta prueba tiende a variar ligeramente entre fabricantes. También se suelen especificar mediciones adicionales a longitudes de onda específicas, especialmente para dispositivos Gen2, como a 800 nm y 850 nm (infrarrojos).
Normalmente, cuanto mayor sea el valor, más sensible será el tubo a la luz.
La resolución del tubo, conocida con más precisión como resolución límite , se mide en pares de líneas por milímetro o lp/mm. Se trata de una medida de cuántas líneas de intensidad variable (claras a oscuras) se pueden resolver dentro de un milímetro de área de pantalla. Sin embargo, la resolución límite en sí misma es una medida de la función de transferencia de modulación. Para la mayoría de los tubos, la resolución límite se define como el punto en el que la función de transferencia de modulación se vuelve del tres por ciento o menos. Cuanto mayor sea el valor, mayor será la resolución del tubo.
Sin embargo, es importante tener en cuenta que esto se basa en el tamaño físico de la pantalla en milímetros y no es proporcional al tamaño de la pantalla. Por lo tanto, un tubo de 18 mm con una resolución de alrededor de 64 lp/mm tiene una resolución general más alta que un tubo de 8 mm con una resolución de 72 lp/mm. La resolución se mide generalmente en el centro y en el borde de la pantalla y los tubos a menudo vienen con cifras para ambos. Los tubos de especificación militar o milspec solo vienen con un criterio como "> 64 lp/mm" o "Más de 64 pares de líneas/milímetro".
La ganancia de un tubo se mide normalmente utilizando una de dos unidades. La unidad (SI) más común es cd·m −2 ·lx −1 , es decir, candelas por metro cuadrado por lux . La convención más antigua es Fl/Fc ( pie-lamberts por pie-candela ). Esto crea problemas con las mediciones de ganancia comparativas, ya que ninguna es una relación pura, aunque ambas se miden como un valor de intensidad de salida sobre la intensidad de entrada. Esto crea ambigüedad en la comercialización de dispositivos de visión nocturna, ya que la diferencia entre las dos mediciones es efectivamente pi o aproximadamente 3,142x. Esto significa que una ganancia de 10 000 cd/m 2 /lx es lo mismo que 31,42 Fl/Fc.
Este valor, expresado en horas, da una idea de cuánto debería durar una válvula. Es un punto de comparación bastante común, pero tiene en cuenta muchos factores. El primero es que las válvulas se degradan constantemente. Esto significa que, con el tiempo, la válvula producirá lentamente menos ganancia que cuando era nueva. Cuando la ganancia de la válvula alcanza el 50 % de su nivel de ganancia "nueva", se considera que la válvula ha fallado, por lo que esto refleja principalmente este punto en la vida de una válvula.
Otras consideraciones para la vida útil del tubo son el entorno en el que se utiliza el tubo y el nivel general de iluminación presente en ese entorno, incluida la luz brillante de la luna y la exposición a la iluminación artificial y el uso durante los períodos de amanecer y anochecer, ya que la exposición a una luz más brillante reduce significativamente la vida útil de un tubo.
Además, un MTBF solo incluye las horas de funcionamiento. Se considera que encender o apagar un tubo no contribuye a reducir la vida útil general, por lo que muchos civiles tienden a encender su equipo de visión nocturna solo cuando lo necesitan, para aprovechar al máximo la vida útil del tubo. Los usuarios militares tienden a mantener el equipo encendido durante períodos de tiempo más largos, generalmente, todo el tiempo mientras se usa, siendo las baterías la principal preocupación, no la vida útil del tubo.
Ejemplos típicos de vida útil del tubo son:
Primera Generación: 1000 hrs
Segunda Generación: 2000 a 2500 hrs
Tercera Generación: 10000 a 15000 hrs.
Muchos de los últimos tubos de segunda generación de gama alta tienen ahora MTBF que se acercan a las 15.000 horas de funcionamiento.
La función de transferencia de modulación de un intensificador de imagen es una medida de la amplitud de salida de las líneas oscuras y claras en la pantalla para un nivel dado de entrada de líneas presentadas al fotocátodo a diferentes resoluciones. Generalmente se da como un porcentaje a una frecuencia dada (espaciado) de líneas claras y oscuras. Por ejemplo, si observa líneas blancas y negras con una MTF del 99% a 2 lp/mm, entonces la salida de las líneas oscuras y claras será 99% tan oscura o clara como si observara una imagen negra o una imagen blanca. Este valor también disminuye para un aumento dado en la resolución. En el mismo tubo, si la MTF a 16 y 32 lp/mm era del 50% y 3%, entonces a 16 lp/mm la señal sería solo la mitad de brillante/oscura que las líneas para 2 lp/mm y a 32 lp/mm la imagen de las líneas sería solo un tres por ciento tan brillante/oscura como las líneas a 2 lp/mm.
Además, dado que la resolución límite se define generalmente como el punto en el que la MTF es del tres por ciento o menos, esta también sería la resolución máxima del tubo. La MTF se ve afectada por cada parte del funcionamiento de un tubo intensificador de imagen y, en un sistema completo, también se ve afectada por la calidad de la óptica involucrada. Los factores que afectan a la MTF incluyen la transición a través de cualquier placa de fibra o vidrio, en la pantalla y el fotocátodo y también a través del tubo y la propia placa de microcanales. Cuanto mayor sea la MTF a una resolución dada, mejor.