画像増強装置

イメージ増強管またはイメージ増強管は、光学システム内の利用可能な光の強度を増加させる真空管デバイスであり、夜間などの低光量条件下での使用が可能になり、X 線またはガンマ線での物質の蛍光などの低光量プロセスの視覚的イメージングを容易にしたり( X 線イメージ増強管)、近赤外線または短波赤外線などの不可視光源を可視光に変換したりします。これらは、光子を電子に変換し、その電子を増幅し (通常はマイクロチャネル プレートを使用)、増幅された電子を再び光子に変換して表示します。これらは、暗視ゴーグルなどのデバイスで使用されます。

イメージ増強管 (IIT) は、暗視装置や医療用画像装置など、多くの装置を機能させる光電子デバイスです。さまざまな波長の低レベルの光を、単一波長の可視光量に変換します。

イメージ増強管は、低レベルの光子を電子に変換し、それらの電子を増幅してから、電子を再び光子に変換します。低照度光源からの光子は対物レンズに入り、これが像を光電陰極に焦点を合わせます。光電陰極は、入射光子が当たると光電効果によって電子を放出します。電子は高電圧電位によって加速され、マイクロチャネルプレート(MCP) に入ります。MCP に当たる高エネルギー電子はそれぞれ、二次カスケード放出と呼ばれるプロセスで MCP から多くの電子を放出します。MCP は何千もの小さな導電性チャネルで構成されており、通常とは異なる角度で傾けられています。これにより、より多くの電子衝突が促され、制御された電子なだれで二次電子の放出が強化されます。

プレート間の高電圧差によりすべての電子は直線的に移動し、これによりコリメーションが維持され、1 個または 2 個の電子が入った場所から数千個の電子が出てくる可能性があります。別の (より低い) 電荷差により、MCP からの二次電子が加速され、増倍管の反対側の蛍光スクリーンに当たり、電子ごとに光子が 1 つ放出されます。蛍光スクリーン上の画像は接眼レンズによって焦点が合わせられます。増幅は、マイクロチャネル プレート ステージで二次カスケード放出によって行われます。蛍光体は通常緑色ですが、これは人間の目が他の色よりも緑色に敏感であることと、歴史的に蛍光スクリーンの製造に使用された元の材料が緑色の光を発していたためです (そのため、兵士たちは画像増強装置を「グリーン TV」と呼んでいました)。

イメージ増強管の開発は 20 世紀に始まり、開始以来継続的に開発が続けられてきました。

イメージ管のアイデアは、1928年にオランダでG.ホルストとH.デ・ブールによって初めて提案されました[1]が、初期の作成の試みは成功しませんでした。フィリップスで働いていたホルストが、1934年に初めて成功した赤外線変換管を作成しました。この管は、蛍光スクリーンに近接した光電陰極で構成されていました。単純なレンズを使用して、イメージを光電陰極に焦点を合わせ、数千ボルトの電位差を管全体で維持し、光子によって光電陰極から取り除かれた電子が蛍光スクリーンに衝突するようにしました。これにより、スクリーンに焦点を合わせたオブジェクトのイメージでスクリーンが点灯しましたが、イメージは非反転でした。このイメージコンバータタイプの管により、初めて赤外線をリアルタイムで表示できるようになりました。

1930年代には米国でも開発が続けられ、1930年代半ばにはRCAで最初の反転型イメージ増強管が開発されました。この管は静電インバータを使用して、球状カソードからの画像を球状スクリーンに焦点を合わせました。（球を選択したのは、軸外収差を減らすためでした。）この技術のその後の開発は、第0世代のイメージ増強管の直接的な開発につながり、第二次世界大戦中に軍隊で使用され、射撃と個人用暗視の両方で赤外線照明による夜間視認を可能にしました。最初の軍用暗視装置は、1939年にドイツ軍によって導入され^[要出典]、1935年から開発されました。これらの技術に基づく初期の暗視装置は、第二次世界大戦で両軍によって使用されました。

後の技術とは異なり、初期の第 0 世代の暗視装置は、利用可能な周囲光を大幅に増幅することができなかったため、有用にするには赤外線源が必要でした。これらの装置は、1930 年に発見された S1 光電陰極、つまり「銀-酸素-セシウム」光電陰極を使用していました。これは、感度が約 60 μA/lm (マイクロアンペア/ルーメン) で、量子効率は紫外線領域で約 1% 、赤外線領域で約 0.5% でした。注目すべきは、S1 光電陰極は赤外線と紫外線の両方のスペクトルで感度のピークがあり、950 nm を超える感度を持つため、950 nm を超える赤外線を観察できる唯一の光電陰極材料であったことです。

ソーラー ブラインド コンバーターは、ソーラー ブラインド フォトカソードとも呼ばれ、波長 280 ナノメートル (nm) 未満の紫外線 (UV) を検出する特殊なデバイスです。この UV 範囲は、地球の大気圏を通常透過する太陽光の波長よりも短いため、「ソーラー ブラインド」と呼ばれます。1953 年に Taft と Apker [2] によって発見されたソーラー ブラインド フォトカソードは、当初はテルル化セシウムを使用して開発されました。軍事用途に基づいて「世代」に分類される暗視技術とは異なり、ソーラー ブラインド フォトカソードは、その用途が主に軍事目的ではないため、この分類には当てはまりません。ソーラー ブラインド範囲の UV 光を検出できるため、可視光線の干渉を受けずに UV 放射に対する感度を必要とする用途に便利です。

感度と量子効率の両方が向上した、より効果的な光電陰極材料の発見により、第 0 世代デバイスよりも大幅に高いレベルのゲインを実現できるようになりました。1936 年に、Gorlich によって S-11 陰極 (セシウム-アンチモン) が発見され、約 20% の量子効率で約 80 μA/lm の感度が得られました。これには、しきい値波長が約 650 nm の可視領域での感度のみが含まれていました。

AH ゾンマーが発見した二アルカリアンチモン化物光電陰極 (カリウム-セシウム - アンチモンおよびナトリウム- カリウム - アンチモン) と、その後 1956 年に偶然発見された多アルカリ光電陰極 (ナトリウム - カリウム - アンチモン - セシウム) S20 光電陰極が開発されて初めて、これらの管は軍事的に有用な赤外線感度と可視スペクトル増幅の両方を備えていました。S20 光電陰極の感度は約 150 ～ 200 μA/lm です。感度が追加されたため、これらの管は月光などの限られた光でも使用でき、低レベルの赤外線照明にも適しています。

もともとは第二次世界大戦中にドイツで実験されていたが、1950 年代になって初めて米国が複数のチューブを「カスケード」で使用して、反転チューブの出力を別のチューブの入力に結合し、観察対象の光の増幅を高めるという初期の実験を開始した。これらの実験は予想よりもはるかにうまくいき、これらのチューブをベースにした暗視装置はかすかな星の光を捉えて使用可能な画像を生成することができた。しかし、これらのチューブは長さ 17 インチ (43 cm)、直径 3.5 インチ (8.9 cm) と大きすぎたため、軍事用途には適さなかった。「カスケード」チューブとして知られるこれらのチューブは、最初の真のパッシブ暗視スコープを製造する能力を提供した。 1960 年代に光ファイバー バンドルが登場したことで、より小型のチューブを接続できるようになり、1964 年に最初の真のスターライト スコープが開発されました。これらのチューブの多くは、ベトナムで使用された AN/PVS-2 ライフル スコープに使用されました。

20世紀半ばに研究されたカスケード管の代替案は、光フィードバックであり、管の出力を入力にフィードバックするものである。この方式はライフルスコープには使用されていないが、より大きなイメージ増強管アセンブリが許容される実験室用途では効果的に使用されている。^[1]

第 2 世代のイメージ増強管は、第 1 世代の管で使用されたものと同じマルチアルカリ光電陰極を使用していますが、同じ材料のより厚い層を使用することで、赤色応答が拡張され、青色応答が低減された S25 光電陰極が開発されたため、軍事用途により適しています。この光電陰極の標準的な感度は約 230 μA/lm で、S20 光電陰極材料よりも量子効率が高くなっています。後のバージョンでは、セシウムが酸化セシウムに酸化されたことで、第 3 世代光電陰極と同様に感度が向上しました。カスケード管の作成を可能にした光ファイバー バンドルを製造したのと同じ技術により、製造方法をわずかに変更することで、マイクロ チャネル プレート(MCP) の製造が可能になりました。マイクロ チャネル プレートは、両側にニクロム電極が付いた薄いガラス ウェーハで、最大 1,000 ボルトの大きな電位差が印加されます。

ウェーハは、チューブの軸に対して「バイアス」角度で整列した何千本もの中空ガラス繊維から製造されます。マイクロチャネル プレートは、光電陰極とスクリーンの間に取り付けられます。通過時に「マイクロチャネル」の側面に衝突する電子は二次電子を誘発し、その電子も壁に衝突してさらに電子を誘発し、信号を増幅します。近接集束チューブを備えた MCP を使用することで、単一の MCP 層で最大 30,000 倍の増幅が可能になりました。MCP の層数を増やすと、さらに 1,000,000 倍を超える増幅を実現できます。

第 2 世代デバイスの反転は、2 つの異なる方法のいずれかで実現されました。インバーター チューブは、第 1 世代のチューブと同様に、MCP を組み込んだ静電反転を使用します。近接焦点式の第 2 世代チューブも、180 度ねじれたファイバー バンドルを使用して反転できます。

第 3 世代の管は基本的に第 2 世代と同じでしたが、2 つの大きな違いがありました。まず、GaAs — CsO — AlGaAs光電陰極が使用されており、これは第 2 世代の光電陰極よりも 800 nm ～ 900 nm の範囲で感度が高くなっています。次に、光電陰極は負の電子親和力(NEA) を示します。これにより、伝導帯に励起された光電子は真空帯まで自由に移動できます。これは、光電陰極の端にある酸化セシウム層が十分なバンド曲げを引き起こすためです。これにより、光電陰極は光子から光電子を生成するのに非常に効率的です。ただし、第 3 世代の光電陰極の弱点は、正イオン中毒によって著しく劣化することです。管内の高い静電場ストレスとマイクロチャネル プレートの動作により、光電陰極は短期間で故障し、光電陰極の感度が Gen2 レベルを下回るまでにわずか 100 時間しかかかりませんでした。 MCP によって生成される陽イオンとガスから光電陰極を保護するために、MCP に焼結酸化 アルミニウムの薄膜を取り付けました。この光電陰極の高感度 (900 μA/lm 以上) により、低光量でもより効果的に反応できますが、薄膜によって通常最大 50% の電子がブロックされるため、この感度は相殺されます。

米国の世代カテゴリでは正式には認められていませんが、スーパー第2世代またはSuperGenは、1989年にジャック・デュプイとジェラルド・ウォルザックによって開発されました。この技術により、トリアルカリ光電陰極の感度が2倍以上に向上し、マイクロチャネルプレートも改善され、開口率が70%に増加してノイズレベルが低下しました。これにより、製造コストが低い第2世代の管で、第3世代のイメージ増強管に匹敵する結果を達成できました。光電陰極の感度が700μA/lmに近づき、周波数応答が950nmに拡張されたこの技術は、米国外でも、特にPhotonisによって開発が続けられ、現在では米国以外で製造されたほとんどの高性能暗視装置の基盤となっています。

1998年、米国のリットン社がフィルムレスイメージ管を開発した。この管はもともとオムニV契約用に製造され、米軍の大きな関心を集めた。しかし、この管は試験中に非常に壊れやすく、2002年までにNVESDはフィルムレス管の第4世代の指定を取り消し、その時点で単にGen III Filmlessと呼ばれるようになった。これらの管は航空や特殊作戦などの特殊な用途向けに現在も製造されているが、兵器搭載用には使用されていない。イオン中毒の問題を克服するため、MCP（ウェーハ管内の正イオンの主な発生源）の製造中の洗浄技術を改良し、オートゲーティングを実装した。その結果、十分な期間のオートゲーティングにより、正イオンが光電面中毒を引き起こす前に光電面から排出されることがわかった。

第 3 世代のフィルムレス技術は現在でも製造され使用されていますが、公式には第 4 世代のイメージ増強管は存在しません。

第 3 世代 Omni VII および第 3 世代 + とも呼ばれる薄膜技術は、第 4 世代技術で発生した問題を受けて、現在のイメージ増強管技術の標準となりました。薄膜イメージ増強管では、フィルムの厚さが約 30 オングストローム (標準) から約 10 オングストロームに減少し、光電陰極電圧が低下します。これにより、第 3 世代管よりも停止する電子が少なくなり、フィルム管の利点が得られます。

第 3 世代薄膜技術は現在、米軍が使用するほとんどの画像増強装置の標準となっています。

2014 年、フランスのイメージ管メーカー PHOTONIS は、世界初のオープンなパフォーマンス仕様「4G」を発表しました。この仕様には、イメージ増強管が満たさなければならない 4 つの主な要件がありました。

• 400 nm以下から1000 nm以上までのスペクトル感度
• 最小性能指数FOM1800
• 57 lp/mm以上の高光解像度
• ハローサイズ0.7mm未満

イメージ増強管には、いくつかの一般的な用語が使用されています。

電子ゲート (または「ゲーティング」) は、制御された方法でイメージ増強管のオン/オフを切り替える手段です。電子ゲート イメージ増強管はカメラのシャッターのように機能し、電子「ゲート」が有効になっているときに画像を通過させます。ゲート期間は非常に短くできます (ナノ秒またはピコ秒)。このため、ゲート イメージ増強管は、非常に短い期間のイベントを撮影する必要がある研究環境での使用に最適です。たとえば、エンジニアがより効率的な燃焼室を設計できるように、ゲート イメージング管を使用して、内燃機関で燃料が燃焼する波面などの非常に高速なイベントを記録しています。

ゲーティングは、開始を制御または予測できないイベントにイメージング チューブを同期させるために使用されることがよくあります。このような場合、高速デジタル遅延ジェネレータなどの「ゲーティング エレクトロニクス」を使用して、ゲーティング操作をイベントの開始に同期させることができます。ゲーティング エレクトロニクスを使用すると、イベントの開始を基準にしてチューブのオン/オフのタイミングをユーザーが指定できます。

ゲート付きイメージング管の使用例はたくさんあります。ゲート付き管は動作速度が非常に速く、光増幅機能も備えているため、ゲート付き管は光線の特定の部分を記録できます。パルス光線をターゲットに照射すると、ゲートパラメータを制御することで、ターゲットから反射された光の部分のみを捉えることができます。ゲート付きパルスアクティブナイトビジョン (GPANV) デバイスは、この技術を使用するアプリケーションのもう 1 つの例です。GPANV デバイスを使用すると、植物、葉、霧などに隠れた対象物を視認できます。また、これらのデバイスは、高輝度の水中投光器などの連続光源からの近くの粒子による光の反射で画像が不明瞭になる深海にある物体の位置特定にも役立ちます。

自動ゲーティングは、2006 年以降に軍事目的で製造された多くのイメージ増強管に見られる機能ですが、かなり以前から存在していました。自動ゲーティング管は、内部のイメージ増強管をゲーティングして、マイクロチャネル プレートを通過する光の量を制御します。ゲーティングは高頻度で行われ、デューティ サイクルを変更してマイクロチャネル プレートからの電流を一定に保つことで、日光などの明るい条件でも管を損傷したり早期故障させたりすることなく操作できます。イメージ増強管の自動ゲーティングは軍事的に価値があり、薄暮時の視界が強化されて操作時間が長くなり、建物を襲撃する兵士など、急速に変化する照明条件に遭遇する兵士に優れたサポートを提供します。

イメージ増強管の感度は、マイクロアンペア/ルーメン(μA/lm) で測定されます。これは、光電陰極に当たる光量あたりに生成される電子の数を定義します。この測定は、「色温度 2854 K」などの特定の色温度で行う必要があります。このテストを行う色温度は、メーカーによって若干異なる傾向があります。特に Gen2 デバイスでは、800 nmや 850 nm (赤外線) などの特定の波長での追加測定も通常指定されます 。

通常、値が高いほど、チューブの光に対する感度が高くなります。

より正確には限界解像度として知られている管の解像度は、ラインペア/ミリメートルまたは lp/mm で測定されます。これは、画面領域の 1 ミリメートル内で、さまざまな強度 (明るいものから暗いものまで) の線を何本解像できるかの尺度です。ただし、限界解像度自体は、変調伝達関数の尺度です。ほとんどの管では、限界解像度は、変調伝達関数が 3 パーセント以下になる点として定義されます。値が高いほど、管の解像度が高くなります。

ただし、重要な考慮事項は、これはミリメートル単位の物理的な画面サイズに基づいており、画面サイズに比例していないということです。したがって、解像度が約 64 lp/mm の 18 mm チューブは、解像度が 72 lp/mm の 8 mm チューブよりも全体的な解像度が高くなります。解像度は通常、画面の中央と端で測定され、チューブには両方の数値が記載されていることがよくあります。ミリタリー仕様またはミルスペックチューブには、「> 64 lp/mm」または「64 ラインペア/ミリメートル以上」などの基準のみが記載されています。

チューブのゲインは通常、2 つの単位のいずれかを使用して測定されます。最も一般的な (SI) 単位は cd·m ⁻² ·lx ⁻¹、つまりカンデラ/平方メートル/ルクスです。古い慣習は Fl/Fc (フットランバート/フットカンドル) です。どちらも出力強度/入力強度の値として測定されますが、どちらも純粋な比率ではないため、ゲインの比較測定で問題が発生します。2 つの測定値の差は実質的にpi、つまり約 3.142 倍であるため、暗視装置のマーケティングではあいまいさが生じます。つまり、10,000 cd/m ² /lx のゲインは 31.42 Fl/Fc と同じになります。

この値は時間単位で表され、真空管が通常どのくらいの期間もつのかを示します。これは比較的一般的な比較ポイントですが、多くの要因を考慮に入れています。まず、真空管は常に劣化しているということです。つまり、時間が経つにつれて、真空管のゲインは新しいときよりも徐々に低下します。真空管のゲインが「新しい」ゲイン レベルの 50% に達すると、真空管は故障したとみなされるため、これは主に真空管の寿命のこの時点を反映しています。

チューブの寿命に関する追加の考慮事項は、チューブが使用されている環境と、その環境に存在する一般的な照明レベルです。これには、明るい月明かり、人工照明への露出、夕暮れ/夜明けの時間帯の使用が含まれます。明るい光にさらされると、チューブの寿命が大幅に短くなります。

また、MTBF には動作時間のみが含まれます。管のオン/オフは全体的な寿命の短縮にはつながらないと考えられているため、多くの民間人は管の寿命を最大限に生かすために、必要なときだけ暗視装置をオンにする傾向があります。軍のユーザーは、通常、使用中ずっと装置を長時間オンにしておく傾向があり、管の寿命ではなくバッテリーが主な懸念事項です。

チューブ寿命の典型的な例は次のとおりです。

第 1 世代: 1000 時間、
第 2 世代: 2000 ～ 2500 時間、
第 3 世代: 10000 ～ 15000 時間。

最近のハイエンドの第 2 世代チューブの多くは、MTBF が 15,000 動作時間に近づいています。

イメージ インテンシファイアの変調伝達関数は、異なる解像度で光電陰極に提示された線からの所定の入力レベルに対する、ディスプレイ上の暗い線と明るい線の出力振幅の測定値です。これは通常、明るい線と暗い線の所定の周波数 (間隔) でのパーセンテージとして示されます。たとえば、2 lp/mm で 99% の MTF で白い線と黒い線を見ると、暗い線と明るい線の出力は、黒い画像または白い画像を見る場合の 99% の暗さまたは明るさになります。この値は、解像度が増加すると減少します。同じ管で、16 lp/mm と 32 lp/mm での MTF がそれぞれ 50% と 3% だった場合、16 lp/mm での信号の明るさ/暗さは 2 lp/mm での線の半分になり、32 lp/mm では、線の画像は 2 lp/mm での線の明るさ/暗さの 3% になります。

さらに、限界解像度は通常、MTF が 3 パーセント以下の点として定義されるため、これがチューブの最大解像度でもあります。MTF は、イメージ増強管の動作のあらゆる部分によって影響を受け、完全なシステムでは、関連する光学系の品質によっても影響を受けます。MTF に影響を与える要因には、ファイバー プレートまたはガラス、スクリーンおよび光電陰極、チューブおよびマイクロ チャネル プレート自体の遷移が含まれます。特定の解像度での MTF が高いほど、優れています。

• 暗視装置 – 完全な暗闇に近い光レベルで画像を視覚化できる装置
• X線イメージ増強管 – X線をより高い強度の可視光に変換するイメージ増強管
• 増強CCDカメラ – 電荷の移動のための装置

• IITの発展と創設に関する歴史的情報[3]
• 他の光電陰極材料の発見 [4]
• Illes P Csorba著「Image Tubes」（ ISBN  0-672-22023-7）に記載されている歴史的データへの参照がいくつかある。
• イメージチューブに関する選集ISBN 0-8194-0476-4 
• 星のために時間を作ろうアントニー・クック著
• マイケル・ランプトン (1981 年11月 1日)。「マイクロチャネル イメージ インテンシファイア」。サイエンティフィック アメリカン。245 (5): 62–71。doi :10.1038/scientificamerican1181-62。