intensificador de imagen

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.Sin embargo, 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. Mediante 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, lo que provocaba que los electrones desprendidos del fotocátodo por los fotones impactaran la pantalla fluorescente. Esto hacía que la pantalla se iluminara con la imagen del objeto enfocado, aunque la imagen no era invertida. Con este tipo de tubo convertidor de imagen, fue posible observar la luz infrarroja en tiempo real por primera vez.

El desarrollo continuó también en Estados Unidos durante la década de 1930, y a mediados de la misma, RCA desarrolló el primer intensificador de imagen inversor . Este tubo utilizaba un inversor electrostático para enfocar una imagen de un cátodo esférico sobre una pantalla esférica. (La elección de esferas se debía a la necesidad de 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 tiro como para visión nocturna personal. El primer dispositivo militar de visión nocturna fue introducido por el ejército alemán ya en 1939, tras haber sido 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 Generación 0 no podían amplificar significativamente la luz ambiental disponible y, por lo tanto, para ser útiles, requerían una fuente infrarroja. 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 de 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 utilizarse para visualizar luz infrarroja por encima de 950  nm.

Los convertidores de luz ultravioleta (UV), también conocidos como fotocátodos de baja emisión solar, son dispositivos especializados que detectan la luz ultravioleta con una longitud de onda inferior a 280 nanómetros (nm). Este rango UV se denomina "de baja emisión solar" porque es más corto que las longitudes de onda de la luz solar que normalmente penetran la atmósfera terrestre. Fueron descubiertos en 1953 por Taft y Apker.Los fotocátodos insensibles a la luz solar se desarrollaron inicialmente con telururo de cesio . A diferencia de las tecnologías de visión nocturna, que se clasifican en "generaciones" según sus aplicaciones militares, los fotocátodos insensibles a la luz solar no se ajustan a esta categorización, ya que su utilidad no es principalmente militar. Su capacidad para detectar la luz ultravioleta en el rango de invisibilidad solar los hace útiles para aplicaciones que requieren sensibilidad a la radiación ultravioleta sin interferencia de la luz solar visible.

Con el descubrimiento de materiales fotocatalíticos más eficaces, que aumentaron tanto la sensibilidad como la eficiencia cuántica, fue posible lograr mejoras significativas 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 solo 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 de antimoniuro de bialcali ( potasio - cesio -antimonio y sodio -potasio-antimonio), descubiertos por A.H. Sommer, y su posterior fotocátodo multialcalino (sodio-potasio-antimonio-cesio) S20, descubierto accidentalmente en 1956, que los tubos presentaron la sensibilidad infrarroja y la amplificación del espectro visible adecuadas para su uso militar. El fotocátodo S20 tiene una sensibilidad de entre 150 y 200 μA/lm. Esta sensibilidad adicional permitió utilizar estos tubos con luz limitada, como la luz de la luna, sin dejar de ser aptos para su uso con iluminación infrarroja de baja intensidad.

Aunque los alemanes experimentaron con ellos originalmente durante la Segunda Guerra Mundial, no fue hasta la década de 1950 que Estados Unidos comenzó a realizar experimentos iniciales utilizando múltiples tubos en cascada, acoplando la salida de un tubo inversor a la entrada de otro, lo que permitió una mayor amplificación de la luz del objeto observado. 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 útil. Sin embargo, el tamaño de estos tubos, de 43  cm de largo y 8,9  cm de diámetro, era demasiado grande para su uso militar. Conocidos como tubos en cascada, permitieron la creación de 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 el desarrollo de los primeros visores Starlight auténticos en 1964. Muchos de estos tubos se utilizaron en el visor de fusil AN/PVS-2 , que se empleó en Vietnam.

Una alternativa al tubo en cascada explorada a mediados del siglo XX implica la retroalimentación óptica , donde la salida del tubo se realimenta a la entrada. Este esquema no se ha utilizado en miras telescópicas, pero se ha empleado con éxito en aplicaciones de laboratorio donde se aceptan conjuntos intensificadores de imagen de mayor tamaño. ^{[ 1 ]}

Los intensificadores de imagen de segunda generación utilizan el mismo fotocátodo multialcalino que los tubos de primera generación; sin embargo, mediante el uso de 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 oblea de vidrio delgada con un electrodo de nicromo en 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 con un ángulo de polarización respecto al eje del tubo. La placa de microcanales se coloca entre el fotocátodo y la pantalla. Los electrones que inciden en la pared del microcanal al atravesarlo generan electrones secundarios, que a su vez generan electrones adicionales al incidir también en las paredes, amplificando así la señal. Mediante el uso de la placa de microcanales con un tubo de enfoque por proximidad, se lograron amplificaciones de hasta 30 000 veces con una sola capa de placa de microcanales. Al aumentar el número de capas de placa de microcanales, se pudo alcanzar una amplificación adicional de más de 1 000 000 de veces.

La inversión de los dispositivos de segunda generación se logró mediante dos métodos diferentes. El tubo inversor utiliza inversión electrostática, al igual que los tubos de primera generación, con un MCP incluido. Los tubos de segunda generación con enfoque de proximidad también podían invertirse utilizando un haz de fibras con una torsión de 180 grados.

Si bien la tercera generación de tubos era fundamentalmente igual a la segunda, presentaba dos diferencias significativas. En primer lugar, utilizaba un fotocátodo de GaAs - CsO - AlGaAs , 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), lo que permite que los fotoelectrones excitados a la banda de conducción se desplacen libremente hacia la banda de vacío, ya que la capa de óxido de cesio en el borde del fotocátodo provoca una curvatura de banda suficiente . Esto hace que el fotocátodo sea muy eficiente en la creación de fotoelectrones a partir de fotones. Sin embargo, el punto débil de los fotocátodos de tercera generación es su grave degradación por envenenamiento con iones positivos. Debido a las elevadas tensiones electrostáticas en el tubo y al funcionamiento de la placa de microcanales, el fotocátodo falló en poco tiempo, apenas 100 horas después, antes de que su sensibilidad cayera por debajo de los niveles de la generación 2. Para proteger el fotocátodo de los iones positivos y los gases producidos por la placa de microcanales, se introdujo una fina película de óxido de aluminio sinterizado adherida a ella. La alta sensibilidad de este fotocátodo, superior a 900 μA/lm, permite una respuesta más eficaz en condiciones de baja luminosidad, aunque esto se vio contrarrestado por la fina película, que bloqueaba hasta el 50 % de los electrones.

Aunque no está reconocida formalmente en las categorías de generación de EE. UU., la tecnología Super Second Generation o SuperGen fue desarrollada en 1989 por Jacques Dupuy y Gerald Wolzak. Esta tecnología mejoró los fotocátodos de trialcalino, duplicando con creces su sensibilidad, y también optimizó la placa de microcanales, aumentando la relación de área abierta al 70 % y reduciendo el nivel de ruido. Esto permitió que los tubos de segunda generación, 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 los 700 μA/lm y una respuesta de frecuencia extendida hasta los 950  nm, esta tecnología continuó desarrollándose fuera de EE. UU., especialmente 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 generaron un gran interés en el 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 se les conoció como 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 de montaje en armas. Para superar los problemas de envenenamiento iónico, mejoraron las técnicas de limpieza durante la fabricación del MCP (la fuente principal de iones positivos en un tubo de oblea) e implementaron la autoactivación, descubriendo que un período suficiente de autoactivación provocaría la expulsión de los iones positivos del fotocátodo antes de que pudieran causar envenenamiento del mismo.

La tecnología sin película de tercera generación todavía se produce y se utiliza en la actualidad, pero oficialmente no existe una cuarta generación de intensificadores de imagen.

También conocida como Omni VII de tercera generación y Generación 3+, tras los problemas experimentados con la tecnología de cuarta generación, la tecnología de película delgada se convirtió en el estándar para los intensificadores de imagen actuales. En los intensificadores de imagen de película delgada, el grosor de la película se reduce de aproximadamente 30 angstrom (estándar) a aproximadamente 10 angstrom y se disminuye el voltaje del fotocátodo. Esto provoca que se detengan menos electrones que con los tubos de tercera generación, a la vez que se conservan las ventajas de un tubo con película.

Actualmente, la tecnología de película delgada de tercera generación es el estándar para la mayoría de los intensificadores de imagen utilizados por el ejército estadounidense.

En 2014, el fabricante europeo de tubos de imagen PHOTONIS publicó la primera especificación de rendimiento global y abierta: "4G". Esta especificación establecía cuatro requisitos principales que un tubo intensificador de imagen debía cumplir.

• Sensibilidad espectral desde menos de 400  nm hasta más de 1000  nm.
• Un índice de mérito mínimo de FOM1800
• Alta resolución lumínica superior a 57 lp/mm
• Tamaño del halo inferior a 0,7 mm

El control electrónico de la señal (o "compuerta") es un método que permite encender y apagar un tubo intensificador de imagen de forma controlada. Un tubo intensificador de imagen con control electrónico funciona como el obturador de una cámara, permitiendo el paso de imágenes cuando la "compuerta" electrónica está activada. La duración de la señal puede ser muy corta (nanosegundos o incluso picosegundos). Esto convierte a los tubos intensificadores de imagen con control electrónico en candidatos ideales para su uso en entornos de investigación donde se deben fotografiar eventos de muy corta duración. Por ejemplo, para ayudar a los ingenieros a diseñar cámaras de combustión más eficientes, se han utilizado tubos de imagen con control electrónico para registrar eventos muy rápidos, como el frente de onda de la combustión del combustible en un motor de combustión interna.

Con frecuencia, la sincronización de tubos de imagen se utiliza para controlar eventos cuyo inicio no se puede predecir. En estos casos, la sincronización se puede realizar con el inicio del evento mediante electrónica de sincronización, como generadores de retardo digitales de alta velocidad. Esta electrónica permite al usuario especificar cuándo se encenderá y apagará el tubo con respecto al inicio del evento.

Existen numerosos ejemplos de usos de los tubos de imagen con obturador. Gracias a la combinación de la alta velocidad de operación y la capacidad de amplificación de la luz, estos tubos pueden registrar porciones específicas de un haz luminoso. Al controlar los parámetros de obturación, es posible capturar únicamente la porción de luz reflejada por un objetivo, al disparar un haz pulsado hacia él. Los dispositivos de visión nocturna activa pulsada con obturador (GPANV) son otro ejemplo de aplicación de esta técnica. Los dispositivos GPANV permiten visualizar objetos de interés ocultos tras vegetación, follaje o niebla. También son útiles para localizar objetos en aguas profundas, donde los reflejos de luz de partículas cercanas, provenientes de una fuente de luz continua como un potente foco subacuático, podrían dificultar la visión.

La activación automática es una función presente en algunos tubos intensificadores de imagen. Estos tubos interrumpen rápidamente la corriente al fotocátodo y a la placa de microcanales a una alta frecuencia imperceptible para el usuario. Al variar el ciclo de trabajo , es posible reducir el tiempo total de funcionamiento del intensificador de imagen, manteniendo la imagen visible para el usuario. La activación automática permite que el tubo funcione en condiciones de mayor luminosidad, por ejemplo, al observar destellos brillantes en el campo de batalla o en condiciones de alta luz ambiental, manteniendo la resolución de la imagen. ^{[ 2 ]}

La sensibilidad de un tubo intensificador de imagen se mide en microamperios por lumen (μA/lm). Esta medida indica cuántos electrones se generan por cada cantidad de luz que incide sobre el fotocátodo. La medición debe realizarse a una temperatura de color específica , como por ejemplo, a 2854  K. La temperatura de color utilizada para esta prueba suele variar ligeramente entre fabricantes. Generalmente, también se especifican mediciones adicionales a longitudes de onda concretas, especialmente para dispositivos de segunda generación (Gen2), como a 800 nm y 850 nm (infrarrojo).  

Por lo general, cuanto mayor sea el valor, más sensible será el tubo a la luz.

Conocida más precisamente como resolución límite , la resolución de un tubo se mide en pares de líneas por milímetro (lp/mm). Esta medida indica cuántas líneas de intensidad variable (de clara a oscura) se pueden distinguir en 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 es igual o inferior al tres por ciento. Cuanto mayor sea este 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 a dicho tamaño. Por lo tanto, un  tubo de 18 mm con una resolución de aproximadamente 64 lp/mm tiene una resolución general mayor que un  tubo de 8 mm con una resolución de 72 lp/mm. La resolución se suele medir en el centro y en el borde de la pantalla, y los tubos suelen incluir valores para ambos. Los tubos con especificaciones militares ( milspec) solo incluyen un criterio como «64 lp/mm» o «Mayor de 64 pares de líneas/milímetro».

La ganancia de un tubo se suele medir utilizando 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 anterior es Fl/Fc ( foot-lamberts por foot-candle ). Esto genera problemas con las mediciones comparativas de ganancia, ya que ninguna es una relación pura, aunque ambas se miden como un valor de intensidad de salida sobre 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/m² ^/ lx es lo mismo que 31,42 Fl/Fc.

Este valor, expresado en horas, da una idea de la vida útil típica de una válvula. Si bien es un punto de comparación bastante común, tiene en cuenta muchos factores. El primero es que las válvulas se degradan constantemente. Esto significa que, con el tiempo, la válvula producirá gradualmente 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 este valor refleja principalmente este punto en la vida útil de la válvula.

Otros factores a tener en cuenta para la vida útil del tubo son el entorno en el que se utiliza y el nivel general de iluminación presente en dicho entorno, incluyendo la luz brillante de la luna y la exposición tanto a la iluminación artificial como al uso durante los períodos del amanecer y el atardecer, ya que la exposición a una luz más brillante reduce significativamente la vida útil del tubo.

Además, el MTBF solo incluye las horas de funcionamiento. Se considera que encender o apagar el tubo no reduce su vida útil, por lo que muchos civiles suelen encender sus equipos de visión nocturna solo cuando los necesitan para aprovechar al máximo su vida útil. Los usuarios militares tienden a mantener el equipo encendido durante períodos más prolongados, generalmente durante todo el tiempo de uso, siendo la principal preocupación la batería, no la vida útil del tubo.

Ejemplos típicos de vida útil de un tubo son:

Primera generación: 1000 horas Segunda generación: de 2000 a 2500 horas Tercera generación: de 10000 a 15000 horas.

Muchos tubos de segunda generación de gama alta recientes ahora tienen tiempos medios entre fallos (MTBF) que se aproximan a las 15.000 horas de funcionamiento.

La función de transferencia de modulación ( MTF) de un intensificador de imagen mide la amplitud de salida de las líneas oscuras y claras en la pantalla para un nivel de entrada dado de las líneas presentadas al fotocátodo a diferentes resoluciones. Generalmente se expresa como un porcentaje a una frecuencia (espaciado) determinada de líneas claras y oscuras. Por ejemplo, si se observan líneas blancas y negras con una MTF del 99 % a 2 lp/mm, la salida de las líneas oscuras y claras será un 99 % tan oscura o clara como al observar una imagen negra o blanca. Este valor también disminuye al aumentar la resolución. En el mismo tubo, si la MTF a 16 y 32 lp/mm fuera del 50 % y del 3 %, entonces a 16 lp/mm la señal sería solo la mitad de brillante/oscura que las líneas a 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 componente del tubo intensificador de imagen y, en un sistema completo, también por la calidad de la óptica. Entre los factores que influyen en la MTF se incluyen la transmisión a través de cualquier placa de fibra o vidrio, en la pantalla y el fotocátodo, así como a través del tubo y la propia placa de microcanales. Cuanto mayor sea la MTF a una resolución determinada, mejor.