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 imágenes 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. Operan convirtiendo fotones de luz en electrones, amplificando los electrones (generalmente con una placa de microcanal ) y luego convirtiendo los electrones amplificados nuevamente 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 imágenes médicas . Convierten niveles bajos de luz de varias longitudes de onda en cantidades visibles de luz en una única longitud de onda.
Los intensificadores de imágenes convierten niveles bajos de fotones de luz en electrones, los amplifican y luego los convierten nuevamente en fotones de luz. Los fotones de una fuente de poca luz ingresan a una lente objetiva que enfoca una imagen en un fotocátodo . El fotocátodo libera electrones mediante el efecto fotoeléctrico cuando los fotones entrantes lo golpean. Los electrones se aceleran a través de un potencial de alto voltaje hacia una placa de microcanal (MCP). Cada electrón de alta energía que choca contra el MCP provoca la liberación de muchos electrones del MCP en un proceso llamado emisión secundaria en cascada . El MCP está formado por miles de pequeños canales conductores, inclinados en un ángulo alejado de lo normal para fomentar más colisiones de electrones y así 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 entre las placas, lo que preserva la colimación , y donde entraron uno o dos electrones, pueden emerger miles. Un diferencial de carga separado (inferior) 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 de 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 de "televisión verde" a los dispositivos de intensificación de imágenes).
El desarrollo de los tubos intensificadores de imágenes se inició durante el siglo XX, con un desarrollo continuo desde sus inicios.
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 constaba de un fotocátodo situado cerca de una pantalla fluorescente. Utilizando una lente simple, se enfocó una imagen en el fotocátodo y se mantuvo una diferencia de potencial de varios miles de voltios a través del tubo, lo que provocó que los electrones desalojados del fotocátodo por los fotones golpearan la pantalla fluorescente. Esto provocó que la pantalla se iluminara con la imagen del objeto enfocado en la pantalla, sin embargo, la imagen no se invertía. Con este tubo tipo convertidor de imágenes fue posible visualizar la luz infrarroja en tiempo real, por primera vez.
El desarrollo continuó en los EE. UU. también durante la década de 1930 y, a mediados de 1930, se desarrolló el primer intensificador de imágenes inversor en RCA . Este tubo utilizaba un inversor electrostático para enfocar una imagen de un cátodo esférico en una pantalla esférica. (La elección de las 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 el ejército durante la Segunda Guerra Mundial para permitir la visión nocturna con iluminación infrarroja tanto para disparar como para disparar. visión nocturna personal. El primer dispositivo militar de visión nocturna fue introducido por el ejército alemán [ cita necesaria ] ya en 1939, desarrollado desde 1935. Ambos bandos utilizaron dispositivos de visión nocturna temprana basados en estas tecnologías en la Segunda Guerra Mundial.
A diferencia de las tecnologías posteriores, los primeros dispositivos de visión nocturna de 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 " 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. Es de 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 solares ciegos, también conocidos como fotocátodos solares ciegos, son dispositivos especializados que detectan luz ultravioleta (UV) por debajo de 280 nanómetros (nm) de longitud de onda. Este rango de luz ultravioleta se denomina "ciego solar" porque es más corto que las longitudes de onda de la luz solar que normalmente penetran la atmósfera terrestre. Descubiertos en 1953 por Taft y Apker [2], los fotocátodos ciegos solares 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 solares ciegos no encajan en esta categorización porque su utilidad no es principalmente militar. Su capacidad para detectar luz ultravioleta en el rango solar ciego los hace útiles para aplicaciones que requieren sensibilidad a la radiación ultravioleta sin interferencia de la luz solar visible.
Con el descubrimiento de materiales de fotocátodos más eficaces, que aumentaron tanto en sensibilidad como en eficiencia cuántica, fue posible alcanzar niveles significativos de ganancia con respecto a los dispositivos de 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 sólo incluía la sensibilidad en la región visible con una longitud de onda umbral de aproximadamente 650 nm.
No fue hasta el desarrollo de los fotocátodos biálcalis de antimonuro ( 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 tanto una sensibilidad infrarroja adecuada como 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, y al mismo tiempo fueran adecuados para su uso con iluminación infrarroja de bajo nivel.
Aunque originalmente los alemanes experimentaron con esto en la Segunda Guerra Mundial, no fue hasta la década de 1950 que los EE. UU. comenzaron a realizar los primeros experimentos utilizando múltiples tubos en una "cascada", acoplando la salida de un tubo inversor a la entrada de otro tubo, 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 43 cm (17 pulgadas) de largo y 8,9 cm (3,5 pulgadas) de diámetro, eran demasiado grandes para ser adecuados para uso militar. Conocidos como tubos en "cascada", proporcionaron la capacidad de producir los primeros visores nocturnos 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 verdaderos 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 , en la que la salida del tubo se retroalimenta a la entrada. Este esquema no se ha utilizado en miras de rifle, pero se ha utilizado con éxito en aplicaciones de laboratorio donde son aceptables conjuntos intensificadores de imágenes más grandes. [1]
Los intensificadores de imágenes de segunda generación utilizan el mismo fotocátodo multialcalino 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, lo que lo hace 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 fina oblea de vidrio con un electrodo de nicromo a cada lado a través del cual se aplica una gran diferencia de potencial de hasta 1000 voltios.
La oblea se fabrica a partir de miles de fibras de vidrio huecas individuales, alineadas en un ángulo "sesgado" con respecto al eje del tubo. La placa de microcanal encaja entre el fotocátodo y la pantalla. Los electrones que chocan contra el costado del "microcanal" a medida que lo atraviesan provocan electrones secundarios, que a su vez provocan electrones adicionales cuando también golpean las paredes, amplificando la señal. Al utilizar el MCP con un tubo enfocado por proximidad, fueron posibles amplificaciones de hasta 30.000 veces con una sola capa de MCP. Al aumentar el número de capas de MCP, se podría lograr una amplificación adicional de más de 1.000.000 de veces.
La inversión de los dispositivos de Generación 2 se logró mediante una de dos formas diferentes. El tubo Inverter 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 a la proximidad también podrían invertirse utilizando un haz de fibras con un giro de 180 grados.
Si bien la tercera generación de válvulas era fundamentalmente igual a la segunda generación, presentaba dos diferencias significativas. En primer lugar, utilizaron un fotocátodo GaAs – CsO – AlGaAs , que es más sensible en el rango de 800 nm-900 nm que los fotocátodos de segunda generación. En segundo lugar, el fotocátodo exhibe afinidad electrónica negativa (NEA), lo que proporciona a los fotoelectrones que están excitados 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 provoca una flexión suficiente de la banda . Esto hace que el fotocátodo sea muy eficaz a la hora de crear fotoelectrones a partir de fotones. Sin embargo, el talón de Aquiles de los fotocátodos de tercera generación es que se degradan gravemente por envenenamiento por iones positivos. Debido a las altas tensiones del campo electrostático en el tubo y al funcionamiento de la placa MicroChannel, esto provocó la falla del fotocátodo en un corto período, 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 y gases positivos producidos por el MCP, introdujeron una fina película de óxido de aluminio sinterizado adherida al MCP. La alta sensibilidad de este fotocátodo, superior a 900 μA/lm, permite una respuesta más eficaz con poca luz, aunque esto se vio compensado por la fina película, que normalmente bloqueaba hasta el 50% de los electrones.
Aunque no está reconocida formalmente en las categorías de generación de EE. UU., la Super Segunda Generación o SuperGen fue desarrollada en 1989 por Jacques Dupuy y Gerald Wolzak. Esta tecnología mejoró los fotocátodos de prueba alcalina a más del doble de su sensibilidad y, al mismo tiempo, mejoró la placa de microcanal al aumentar la relación de área abierta al 70 % y al mismo tiempo reducir el nivel de ruido. Esto permitió que los tubos de segunda generación, que son más económicos de fabricar, lograran resultados comparables a los tubos intensificadores de imagen de tercera generación. Con sensibilidades de los fotocátodos cercanas a los 700 uA/lm y una respuesta de frecuencia extendida a 950 nm, esta tecnología continuó desarrollándose fuera de los EE. UU., en particular por Photonis, y ahora constituye la base para la mayoría de los equipos de visión nocturna de alta gama fabricados fuera de los 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 generaron un gran interés por parte del ejército estadounidense. Sin embargo, los tubos sufrieron mucho por la 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 ser conocidos como Gen III Filmless. Estos tubos todavía se producen para usos especializados, como aviación y operaciones especiales; sin embargo, no se utilizan para montar 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 la activación automática, descubriendo que un período suficiente de activación automática provocaría la expulsión de iones positivos del fotocátodo. antes de que pudieran causar envenenamiento del fotocátodo.
La tecnología sin película de Generación III todavía está en producción y uso hoy en día, pero oficialmente no existe una Generación 4 de intensificadores de imagen.
También conocida como Generación 3 Omni VII y Generación 3+, tras los problemas experimentados con la tecnología de generación IV, la tecnología Thin Film se convirtió en el estándar para la tecnología actual de intensificador de imágenes. En los intensificadores de imágenes de película delgada, el espesor de la película se reduce de aproximadamente 30 Angstrom (estándar) a aproximadamente 10 Angstrom y se reduce el voltaje del fotocátodo. Esto provoca 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 tercera generación es actualmente el estándar para la mayoría de los intensificadores de imágenes utilizados por el ejército estadounidense.
En 2014, el fabricante francés de tubos de imagen PHOTONIS lanzó la primera especificación de rendimiento abierta y global; "4G". La especificación tenía cuatro requisitos principales que debía cumplir un tubo intensificador de imágenes.
Hay varios términos comunes utilizados para los tubos intensificadores de imagen.
La activación electrónica (o "activación") es un medio mediante el cual un tubo intensificador de imágenes se puede encender y apagar de forma controlada. Un tubo intensificador de imagen con puerta electrónica funciona como el obturador de una cámara, permitiendo que las imágenes pasen cuando la "puerta" electrónica está habilitada. Las duraciones de activación pueden ser muy cortas (nanosegundos o incluso picosegundos). Esto hace que los tubos intensificadores de imágenes controlados sean candidatos ideales para su uso en entornos de investigación donde se deben fotografiar eventos de muy corta duración. A modo de ejemplo, para ayudar a los ingenieros a diseñar cámaras de combustión más eficientes, se han utilizado tubos de imágenes controlados para registrar eventos muy rápidos, como el frente de onda de la quema de combustible en un motor de combustión interna.
A menudo, la sincronización 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 puede sincronizarse con el inicio de un evento utilizando 'electrónica de activación', por ejemplo, generadores de retardo digitales de alta velocidad. La electrónica de activación permite al usuario especificar cuándo se encenderá y apagará el tubo en relación con el inicio de un evento.
Hay muchos ejemplos de los usos de los tubos de imágenes controlados. Debido a la combinación de las velocidades muy altas a las que puede funcionar un tubo con compuerta y su capacidad de amplificación de luz, los tubos con compuerta 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 al objetivo, controlando los parámetros de activación. Los dispositivos Gated-Pulsed-Active Night Vision (GPANV) son otro ejemplo de una aplicación que utiliza esta técnica. Los dispositivos GPANV pueden permitir al usuario ver objetos de interés que están ocultos detrás de la vegetación, el follaje y/o la niebla. Estos dispositivos también son útiles para localizar objetos en aguas profundas, donde los reflejos de la luz de las partículas cercanas de una fuente de luz continua, como un reflector submarino de alto brillo, oscurecerían la imagen.
La activación automática es una característica que se encuentra en muchos tubos intensificadores de imágenes fabricados para fines militares después de 2006, aunque existe desde hace algún tiempo. Los tubos automáticos controlan el intensificador de imágenes en su interior para controlar la cantidad de luz que llega a la placa de microcanales. La activación se produce a alta frecuencia y al variar el ciclo de trabajo para mantener un consumo de corriente constante desde la placa de microcanal, es posible operar el tubo en condiciones más brillantes, como la luz del día, sin dañar el tubo ni provocar fallas prematuras. La activación automática de los intensificadores de imágenes es valiosa desde el punto de vista militar, ya que permitió ampliar las horas de funcionamiento, lo que brindó una visión mejorada durante las horas del crepúsculo y, al mismo tiempo, brindó un mejor apoyo a los soldados que se encuentran con condiciones de iluminación que cambian rápidamente, como aquellos 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 por ejemplo "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. Por lo general, también se especifican mediciones adicionales en 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.
Conocida más exactamente como resolución límite , la resolución del tubo se mide en pares de líneas por milímetro o lp/mm. Esta es una medida de cuántas líneas de intensidad variable (de clara a oscura) se pueden resolver dentro de un milímetro del área de la 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 llega a ser del tres por ciento o menos. Cuanto mayor sea el valor, mayor será la resolución del tubo.
Sin embargo, una consideración importante es que esto se basa en el tamaño físico de la pantalla en milímetros y no es proporcional al tamaño de la pantalla. Como tal, un tubo de 18 mm con una resolución de alrededor de 64 lp/mm tiene una resolución general mayor que un tubo de 8 mm con una resolución de 72 lp/mm. La resolución normalmente se mide en el centro y en el borde de la pantalla y los tubos suelen venir con cifras para ambos. Los tubos de especificación militar o milspec solo vienen con un criterio como "> 64 lp/mm" o "Mayor de 64 pares de líneas/milímetro".
La ganancia de un tubo normalmente se mide usando una de dos unidades. La unidad más común (SI) es cd·m −2 ·lx −1 , es decir, candelas por metro cuadrado por lux . La convención más antigua es Fl/Fc ( pies-lamberts por pie-candela ). Esto crea problemas con las mediciones comparativas de ganancia, ya que ninguna es una relación pura, aunque ambas se miden como un valor de la 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 medidas 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 normalmente un tubo. Es un punto de comparación bastante común, pero tiene en cuenta muchos factores. La primera es que los tubos se degradan constantemente. Esto significa que con el tiempo, el tubo producirá lentamente menos ganancia que cuando era nuevo. Cuando la ganancia del tubo alcanza el 50% de su "nuevo" nivel de ganancia, se considera que el tubo ha fallado, por lo que esto refleja principalmente este punto en la vida del tubo.
Consideraciones adicionales 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 de la luna brillante y la exposición tanto a la iluminación artificial como al uso durante los períodos de anochecer y amanecer, ya que la exposición a una luz más brillante reduce significativamente la vida útil de un tubo.
Además, un MTBF solo incluye 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 sus equipos de visión nocturna sólo cuando es necesario, para aprovechar al máximo la vida útil del tubo. Los usuarios militares tienden a mantener el equipo encendido durante períodos de tiempo más prolongados, normalmente todo el tiempo mientras se utiliza, 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 tubos recientes de segunda generación de alta gama ahora tienen MTBF que se acercan a las 15.000 horas de funcionamiento.
La función de transferencia de modulación de un intensificador de imágenes es una medida de la amplitud de salida de las líneas claras y oscuras en la pantalla para un nivel dado de entrada de las líneas presentadas al fotocátodo en diferentes resoluciones. Por lo general, se expresa como un porcentaje para una frecuencia determinada (espaciado) de líneas claras y oscuras. Por ejemplo, si observa líneas blancas y negras con un MTF del 99% a 2 lp/mm, entonces la salida de las líneas oscuras y claras será un 99% tan oscura o clara como si mirara una imagen en negro o en blanco. imagen. Este valor también disminuye para un aumento dado en la resolución. En el mismo tubo, si el MTF a 16 y 32 lp/mm era 50% y 3%, entonces a 16 lp/mm la señal sería sólo la mitad de brillante/oscura que las líneas para 2 lp/mm y a 32 lp/mm. mm la imagen de las líneas sería sólo un tres por ciento más brillante/oscura que las líneas a 2 lp/mm.
Además, dado que la resolución límite generalmente se define como el punto en el que la MTF es del tres por ciento o menos, esta también sería la resolución máxima del tubo. El MTF se ve afectado por cada parte del funcionamiento de un tubo intensificador de imagen y, en un sistema completo, también se ve afectado por la calidad de la óptica involucrada. Los factores que afectan el 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 microcanal. Cuanto mayor sea el MTF a una resolución determinada, mejor.