Um intensificador de imagem ou tubo intensificador de imagem é um tubo de vácuo, sendo um dispositivo para aumentar a intensidade da luz disponível em um sistema óptico para permitir o uso sob pouca luz condições, como à noite, para facilitar a geração de imagens visuais de processos de pouca luz, como fluorescência de materiais em raios-Xs ou raios gamas (intensificador de imagem de raios-X) , ou para conversão de fontes de luz não visíveis, como infravermelho próximo infravermelho ou infravermelho de onda curta para visível. Eles operam convertendo fótons de luz em elétrons, amplificando os elétrons (geralmente com uma placa de microcanais) e, em seguida, convertendo os elétrons amplificados de volta em fótons para visualização. Eles são usados em dispositivos como óculos de visão noturna.
Introdução Os tubos intensificadores de imagem (IITs) são aparatos optoeletrônicos que permitem que muitos equipamentos, como dispositivos de visão noturnas e imagens médicas, funcionem. Eles convertem baixos níveis de luz de vários comprimentos de onda em quantidades visíveis de luz em um único comprimento de onda.
Operação
Os intensificadores de imagem convertem baixos níveis de luz fótons em elétrons, amplificam esses elétronss e, em seguida, convertem os elétrons de volta em fótons de luz. Os fótons de uma fonte de pouca luz entram em uma lente objetiva que focaliza uma imagem em um fotocatodo. O fotocátodo libera elétrons através do efeito fotoelétrico à medida que os fótons o atingem. Os elétrons são acelerados através de um potencial de alta tensão em uma placa de microcanal (em inglês microchannel plate ou MCP) . Cada elétron de alta energia que atinge o MCP causa a liberação de muitos elétrons do MCP em um processo chamado emissão em cascata secundária. A placa de microcanal é composta de milhares de minúsculos canais condutores, inclinados em um ângulo fora do normal para estimular mais colisões de elétrons e, assim, aumentar a emissão de elétrons secundários em uma avalanche de elétrons controlada.
Todos os elétrons se movem em linha reta devido à diferença de alta voltagem entre as placas, o que preserva a colimação, e onde um ou dois elétrons entraram, milhares podem emergir. Um diferencial de carga separado (mais baixo) acelera os elétrons secundários do MCP até atingirem uma tela fósforo na outra extremidade do intensificador, que libera um fóton para cada elétron. A imagem na tela de fósforo é focalizada por uma lente ocular. A amplificação ocorre no estágio de placa de microcanal por meio de sua emissão em cascata secundária. O fósforo é geralmente verde porque o olho humano é mais sensível ao verde do que outras cores e porque historicamente o material original usado para produzir telas de fósforo produzia luz verde (daí o apelido dos soldados 'TV verde' para dispositivos de intensificação de imagem).
Histórico O desenvolvimento de tubos intensificadores de imagem começou durante o século XX, a partir da década de 30, com desenvolvimento contínuo desde o início. Atualmente classificam-se em quatro gerações desse tipo de equipamento.
Trabalho pioneiro A ideia de um tubo de imagem foi proposta pela primeira vez por G. Holst e H. De Boer em 1928, na Holanda , mas as primeiras tentativas de criar um não foram bem sucedidos. Não foi até 1934 que Holst, trabalhando para Philips, criou o primeiro tubo conversor infravermelho de sucesso. Este tubo consistia em um fotocátodo próximo a uma tela fluorescente. Usando uma lente simples, uma imagem foi focada no fotocátodo e uma diferença de potencial de vários milhares de volts foi mantida através do tubo, fazendo com que os elétrons desalojados do fotocátodo por fótons atingissem a tela fluorescente. Isso fez com que a tela se iluminasse com a imagem do objeto focado na tela, mas a imagem não era invertida. Com este tubo tipo conversor de imagem, foi possível visualizar a luz infravermelha em tempo real, pela primeira vez. Geração 0: primeiros conversores de imagem eletro-óptica infravermelho O desenvolvimento continuou nos EUA também durante a década de 1930 e meados da década de 1930, o primeiro intensificador de imagem invertido foi desenvolvido em RCA. Este tubo usou um inversor eletrostático para focar uma imagem de um cátodo esférico em uma tela esférica. (A escolha das esferas foi para reduzir as aberrações fora do eixo.) O desenvolvimento subsequente desta tecnologia levou diretamente aos primeiros intensificadores de imagem da Geração 0 que foram usados pelos militares durante a Segunda Guerra Mundial para permitir visão noturna com iluminação infravermelha para tiro e visão noturna pessoal. O primeiro dispositivo de visão noturna militar foi introduzido pelo exército alemão já em 1939, desenvolvido desde 1935. Os primeiros dispositivos de visão noturna baseados nessas tecnologias foram usados por ambos os lados em Segunda Guerra Mundial.
Ao contrário das tecnologias posteriores, os primeiros dispositivos de visão noturna da geração 0 eram incapazes de amplificar significativamente a luz ambiente disponível e, portanto, para serem úteis, exigiam uma fonte de infravermelho. Esses dispositivos usavam um fotocátodo S1 ou fotocátodo "prata-oxigênio-césio", descoberto em 1930, que tinha uma sensibilidade de cerca de 60 μA/lm (Microampere per Lumen) e um eficiência quântica de cerca de 1% na região ultravioleta e cerca de 0,5% na região do infravermelho. É importante notar que o fotocátodo S1 teve picos de sensibilidade tanto no espectro infravermelho quanto no ultravioleta e com sensibilidade acima de 950 nm foi o único material do fotocátodo que pode ser usado para visualizar luz infravermelha acima de 950 nm. Conversores cegos a luz solar Fotocátodos cegos solares não eram de uso militar direto e não são cobertos por "gerações". Descobertos em 1953 por Taft e Apker , eles eram originalmente feitos de telureto de césio. A característica dos fotocátodos do tipo "cega solar" é uma resposta abaixo de 280 nm no espectro ultravioleta, que está abaixo do comprimento de onda da luz que a atmosfera atravessa do sol.
Geração 1: amplificação significativa Com a descoberta de materiais fotocatodo mais eficazes, que aumentaram tanto em sensibilidade quanto em eficiência quântica, tornou-se possível atingir níveis significativos de ganho em relação aos dispositivos da Geração 0. Em 1936, o cátodo S-11 (césio-antimônio) foi descoberto por Gorlich, que proporcionava sensibilidade de aproximadamente 80 μA/lm com eficiência quântica de cerca de 20%; isso incluiu apenas a sensibilidade na região do visível com um comprimento de onda limite de aproximadamente 650 nm.
Não foi até o desenvolvimento dos fotocátodos de antimônio bialcalino (potássio-césio-antimônio e sódio-potássio-antimônio) descobertos por A.H. Sommer e seu posterior fotocátodo multialcalino (sódio-potássio- antimônio-césio) fotocátodo S20 descoberto em 1956 por acidente, que os tubos tinham sensibilidade infravermelha adequada e amplificação do espectro visível para serem úteis militarmente. O fotocátodo S20 tem uma sensibilidade em torno de 150 a 200 μA/lm. A sensibilidade adicional tornou esses tubos utilizáveis com luz limitada, como a luz da lua, enquanto ainda eram adequados para uso com iluminação infravermelha de baixo nível.
Tubos intensificadores de imagem em cascata (passivos)
Embora originalmente experimentado pelos alemães na Segunda Guerra Mundial, não foi até a década de 1950 que os EUA começaram a realizar os primeiros experimentos usando vários tubos em uma "cascata", acoplando a saída de um tubo inversor à entrada de outro tubo, que permitiu uma maior amplificação da luz do objeto que está sendo visualizado. Esses experimentos funcionaram muito melhor do que o esperado e os dispositivos de visão noturna baseados nesses tubos foram capazes de captar a fraca luz das estrelas e produzir uma imagem utilizável. No entanto, o tamanho desses tubos, com 43 cm de comprimento e 8,9 cm de diâmetro, era grande demais para ser adequado para uso militar. Conhecidos como tubos "em cascata", eles forneceram a capacidade de produzir os primeiros escopos de visão noturna verdadeiramente passivos. Com o advento dos feixes de fibra ótica na década de 1960, foi possível conectar tubos menores, o que permitiu que os primeiros verdadeiros dispositivo de visão noturna da Geração 1 fossem desenvolvidos em 1964. Muitos desses tubos foram usados na mira AN/PVS-2, que foi usada no Vietnã.
Uma alternativa ao tubo em cascata explorada em meados do século XX envolve feedback óptico, com a saída do tubo realimentada na entrada. Este esquema não foi usado em miras de rifle, mas foi usado com sucesso em aplicações de laboratório onde montagens de intensificador de imagem maiores são aceitáveis.Martin L. Perl e Lawrence W. Jones, Feedback Óptico Sistema intensificador de imagem, 27 de outubro de 1964.
Geração 2: placa de microcanal Os intensificadores de imagem de segunda geração utilizam o mesmo fotocátodo multialcalino que os tubos de primeira geração utilizavam, porém utilizando camadas mais espessas dos mesmos materiais, foi desenvolvido o fotocátodo S25, que fornece resposta vermelha estendida e resposta azul reduzida, tornando-o mais adequado para aplicações militares. Tem uma sensibilidade típica de cerca de 230 μA/lm e uma eficiência quântica mais alta do que o material do fotocatodo S20. Oxidação do césio para óxido de césio em versões posteriores melhorou a sensibilidade de forma semelhante aos fotocátodos de terceira geração. A mesma tecnologia que produziu os feixes de fibra ótica que permitiram a criação dos tubos em cascata, permitiu, com uma ligeira alteração na fabricação, a produção de placas de microcanais, ou MCPs. A placa de microcanal é um wafer de vidro fino com um eletrodo nicromo em ambos os lados através do qual uma grande diferença de potencial de até 1.000 volts é aplicada.
A bolacha é fabricada a partir de muitos milhares de fibras de vidro ocas individuais, alinhadas em um ângulo de "viés" em relação ao eixo do tubo. A placa de microcanais se encaixa entre o fotocátodo e a tela. Os elétrons que atingem o lado do "microcanal" à medida que passam por ele eliciam elétrons secundários, que por sua vez eliciam elétrons adicionais à medida que atingem as paredes, amplificando o sinal. Ao usar o MCP com um tubo focado em proximidade, foram possíveis amplificações de até 30.000 vezes com uma única camada de MCP. Ao aumentar o número de camadas de MCP, a amplificação adicional para bem mais de 1.000.000 vezes pode ser alcançada.
A inversão dos dispositivos da Geração 2 foi conseguida de duas maneiras diferentes. O tubo Inverter usa inversão eletrostática, da mesma forma que os tubos de primeira geração, com um MCP incluído. Os tubos de segunda geração focados em proximidade também podem ser invertidos usando um feixe de fibras com uma torção de 180 graus nele.
Geração 3: alta sensibilidade e resposta de frequência melhorada