¿Cómo se fabrican los tubos intensificadores de imágenes?
Oct 25, 2023
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Los principios básicos de la intensificación de imágenes
En el corazón de cualquier dispositivo de visión nocturna se encuentra el tubo intensificador de imagen. Este tubo sellado al vacío convierte fotones de una escena con poca luz en una imagen visible amplificando la luz miles de veces. La física subyacente que hace posible esta amplificación de la luz tiene sus raíces en el efecto fotoeléctrico y la emisión secundaria.
Cuando los fotones de una escena con poca luz golpean el material del fotocátodo dentro del tubo, se emiten electrones a través del efecto fotoeléctrico. Luego, estos electrones se aceleran hacia una placa de microcanal utilizando altos voltajes. Aquí, cada electrón desencadena una cascada de electrones secundarios a través de una emisión secundaria, amplificando la señal original. Estos electrones amplificados chocan contra una pantalla de fósforo, emitiendo luz visible y creando una imagen verde que es mucho más brillante que la escena original.
Aprovechando estos fenómenos, los tubos intensificadores de imágenes pueden detectar la luz ambiental del cielo nocturno, las estrellas y la luna y convertirla en una imagen visible para el usuario. Pero producir estos complejos tubos de vacío requiere técnicas de fabricación avanzadas.
Elaboración del fotocátodo
El primer paso en la construcción de un tubo intensificador de imágenes es formar el fotocátodo, el componente sensible a la luz que convierte los fotones en electrones. Los fotocátodos se fabrican con materiales semiconductores especiales que tienen una función de trabajo baja, lo que reduce la energía necesaria para emitir electrones.
Los materiales comunes de fotocátodos incluyen arseniuro de galio, cesio-antimonio y cesio-telurio. Estos se depositan en la ventana de entrada del tubo mediante un proceso llamado deposición de vapor. Los átomos del material se evaporan en una cámara de vacío y se depositan en la ventana, formando una capa de fotocátodo delgada y uniforme.
La composición y el espesor de esta capa afectan la sensibilidad, por lo que se mantienen controles estrictos. El cesio-antimonio ofrece una buena respuesta en el espectro IR, mientras que el arseniuro de galio se extiende hasta el IR cercano. Los fotocátodos multialcalinos que utilizan combinaciones de sodio, potasio y antimonio proporcionan el rango espectral más amplio.
Construyendo la placa de microcanales
Una vez fabricado el fotocátodo, se debe preparar el siguiente componente clave: la placa de microcanales. Este delgado disco está cubierto con millones de tubos o canales de vidrio microscópicos, cada uno de los cuales actúa como un pequeño multiplicador de electrones.
La placa de microcanales comienza como una bola de vidrio hueca. Se apilan y fusionan finas fibras de vidrio y luego se cortan en obleas. Los canales se graban a través de estas obleas mediante un proceso electroquímico. Los canales se tratan con un material higroscópico y luego se recubren con una capa emisiva secundaria para mejorar la ganancia.
Se pueden apilar dos o más placas de microcanales para aumentar la amplificación. Pero alinear perfectamente las placas es fundamental: incluso una pequeña desalineación puede distorsionar la imagen. Las mediciones de precisión y micrométricas garantizan una orientación adecuada. Luego, las placas se unen entre sí utilizando un epoxi con las mismas propiedades de expansión térmica que el vidrio para mantener la alineación.
Deposición de pantalla de fósforo
El componente final preparado es el ánodo de pantalla de fósforo. Esta fina película convierte la cascada de electrones amplificados en luz visible. Se utilizan materiales de fósforo como sulfuro de zinc dopado con trazas de plata o aluminio. La composición de fósforo se puede ajustar para emitir diferentes longitudes de onda, proporcionando opciones de color como blanco, verde y amarillo verdoso.
El proceso de deposición de la pantalla de fósforo también es la evaporación al vacío. Los polvos de fósforo se vaporizan y se depositan sobre un disco de vidrio a alto vacío. Debido a que la uniformidad de la pantalla de fósforo afecta directamente la calidad de la imagen, las condiciones de deposición están estrictamente controladas. Se monitorean el grosor de la pantalla, la cristalinidad y la salida de luz para garantizar el rendimiento.
Montaje de precisión
Una vez fabricados el fotocátodo, las placas de microcanales y la pantalla de fósforo, los componentes están listos para el montaje. Pero primero, cada pieza se somete a rigurosas inspecciones y pruebas para verificar la calidad. Sólo se utilizan componentes que cumplen especificaciones estrictas.
El proceso de montaje se realiza en una sala limpia para evitar la contaminación. Comienza sellando el fotocátodo y la ventana de entrada en un extremo del cuerpo del tubo. A continuación, se insertan y alinean cuidadosamente las placas de microcanales y la pantalla de fósforo. Los espaciadores separan los componentes a distancias precisas para mantener el voltaje. Se aplica secuencialmente a cada elemento para evaluar la función. Si las pruebas pasan, el tubo se sella al vacío y se hornea para eliminar los gases atrapados.
El tubo intensificador de imagen terminado integra cientos de componentes. Cada uno debe fabricarse e integrarse con extrema precisión para garantizar una capacidad y confiabilidad óptimas de visión nocturna. Nuestra experiencia en estos procesos permite la producción en masa de tubos versátiles y de alto rendimiento.
Mantener la calidad de la imagen
A lo largo de la fabricación, varios procesos pueden reducir la calidad de la imagen de forma sutil. Para contrarrestar estos efectos, se toman medidas adicionales:
La luz parásita de fuentes brillantes puede reflejarse internamente y aparecer en la imagen. Las trampas ópticas y los deflectores que absorben la luz eliminan estos artefactos.
El daño de los iones en las placas de microcanales provoca retención de imagen o "quemado". Un procedimiento de alto voltaje de "desbombeo de pantalla" corrige esto.
Los gradientes térmicos al sellar el tubo pueden distorsionar la alineación. Los diseños de accesorios minimizan el estrés mecánico durante el horneado.
La contaminación o la desgasificación degrada el fotocátodo con el tiempo. Los procedimientos precisos de limpieza y desgasificación reducen los residuos.
Si se presta atención al detalle en cada etapa de fabricación, se pueden minimizar los defectos de imagen, lo que da como resultado una calidad de imagen excepcional para el cliente.
El futuro de la tecnología intensificadora de imágenes
Como ocurre con cualquier tecnología, siempre hay mejoras e innovaciones en los intensificadores de imágenes en el horizonte. Entre los interesantes avances destinados a mejorar el rendimiento se incluyen:
Nuevos materiales de fotocátodos con mayor eficiencia cuántica en el espectro del infrarrojo cercano. Esto permitirá la detección en condiciones más oscuras.
Placas de microcanales de píxeles más pequeños. Al reducir el tamaño y la brecha del canal, la resolución puede aumentar.
Módulos híbridos intensificador de imagen-CMOS. Estos integran el tubo de imagen directamente con la electrónica del sensor para cámaras simplificadas.
Tubos endurecidos por láser. Los fotocátodos especiales y las placas de microcanales brindan protección contra los daños causados por los láseres.
Tubos de autocompuerta. El circuito incorporado elimina la sobrecarga de alto brillo al apagar momentáneamente la ganancia.
Aprovechando los descubrimientos en ciencia de materiales, microfabricación y óptica, las capacidades de intensificación de imágenes seguirán avanzando. Con más de 50 años de innovación hasta el momento, esta tecnología todavía tiene un futuro apasionante por delante.
Conclusión
La creación de tubos de vacío especializados en el corazón de los dispositivos de visión nocturna requiere dominar los procesos tanto a escala atómica como industrial. La unión de numerosos campos (óptica, física de semiconductores, metalurgia, fósforo, tecnología de vacío y fabricación de precisión) culmina en el tubo intensificador de imagen. Si bien los conceptos subyacentes son elegantes por su simplicidad, ejecutarlos dista mucho de ser trivial. Sin embargo, la experiencia de ingenieros y científicos en este campo, obtenida con tanto esfuerzo, permite la producción rutinaria de estos maravillosos dispositivos. Después de conocer la cuidadosa coreografía involucrada en su construcción, aprecio más que nunca el tremendo logro tecnológico que representa cada tubo intensificador de imagen que sale de la línea de producción.
Referencias:
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/image-intensifier
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6737843
https://www.alsacorp.com/support/notes/inclusionscience.html
https://nvdevices.com/image_intensificador/
https://www.photonis.com/products/image-intensifiers