¿Cómo funciona la visión nocturna?

Cuando un electrón se mueve a una órbita más energética, eventualmente quiere regresar al estado fundamental. Luego libera su energía en forma de fotón , una partícula de luz. Los átomos liberan constantemente energía en forma de fotones. Por ejemplo, cuando el elemento calefactor de una tostadora se vuelve rojo brillante, el color rojo se debe a los átomos excitados por el calor, que liberan fotones rojos. Un electrón excitado tiene más energía que un electrón relajado, y así como el electrón absorbió una determinada cantidad de energía para alcanzar ese nivel de excitación, puede liberar esa energía para volver al estado fundamental. Esta energía emitida se encuentra en forma de fotones (energía luminosa). El fotón emitido tiene una longitud de onda (color) muy específica que depende del estado energético del electrón en el momento en que se libera el fotón.

Todo lo vivo utiliza energía, al igual que muchos objetos inanimados como motores y cohetes. El consumo de energía genera calor. A su vez, el calor hace que los átomos de un objeto emitan fotones en el espectro infrarrojo térmico. Cuanto más caliente es el objeto, más corta es la longitud de onda del fotón infrarrojo que emite. Un objeto muy caliente incluso comenzará a emitir fotones en el espectro visible, brillando en rojo, luego pasando por naranja, amarillo, azul y finalmente blanco. Para obtener más información sobre la luz y la emisión de fotones, consulte Cómo funcionan las bombillas, Cómo funcionan los láseres y Cómo funciona la luz.
En visión nocturna, la imagen térmica aprovecha esta emisión infrarroja. En la siguiente sección veremos cómo lo logra.

Imagen térmica

1. Una lente especial enfoca la luz infrarroja emitida por todos los objetos visibles.
2. La luz enfocada es escaneada por una serie de elementos detectores de infrarrojos en fases. Los elementos sensores crean un modelo de temperatura muy detallado llamado termograma. Sólo se necesita una trigésima de segundo para que la red de detectores obtenga la información de temperatura necesaria para producir el termograma. Esta información se obtiene de varios miles de puntos en el campo de visión del conjunto de detectores.
3. El termograma creado por los elementos de detección se traduce en impulsos eléctricos.
4. Los pulsos se envían a una unidad de procesamiento de señales, una placa de circuito con un chip dedicado que traduce la información de los elementos en datos para su visualización.
5. La unidad de procesamiento de señal envía la información a la pantalla, donde aparece en diferentes colores dependiendo de la intensidad de la emisión infrarroja. La combinación de todos los impulsos de todos los elementos crea la imagen.

Tipos de dispositivos de imágenes térmicas

La mayoría de los dispositivos de imágenes térmicas escanean a una velocidad de 30 veces por segundo. Pueden detectar temperaturas que oscilan entre -20 grados Celsius y 2.000 grados Celsius, y normalmente pueden detectar cambios de temperatura de alrededor de 0,2 grados Celsius.

Hay dos tipos de dispositivos de imágenes térmicas:

• Sin enfriar : este es el tipo más común de dispositivo de imágenes térmicas. Los elementos detectores de infrarrojos están contenidos en una unidad que funciona a temperatura ambiente. Este tipo de sistema es completamente silencioso, se activa inmediatamente y tiene batería incorporada.
• Enfriamiento criogénico : más caros y más susceptibles a sufrir daños por el uso intensivo, estos sistemas tienen los elementos sellados dentro de un contenedor que los enfría por debajo de 32 F (cero C). La ventaja de un sistema de este tipo es la increíble resolución y sensibilidad que resultan del enfriamiento de los elementos. Los sistemas enfriados criogénicamente pueden "ver" una diferencia tan pequeña como 0,2 F (0,1 C) desde más de 1000 pies (300 m) de distancia, ¡lo cual es suficiente para saber si una persona sostiene un arma a esta distancia!

Si bien las imágenes térmicas son ideales para detectar personas o trabajar en una oscuridad casi total, la mayoría de los equipos de visión nocturna utilizan tecnología de mejora de imágenes.

Mejora de imagen

La tecnología de mejora de imágenes es en lo que piensa la mayoría de la gente cuando hablamos de visión nocturna. De hecho, los sistemas de mejora de imágenes generalmente se denominan dispositivos de visión nocturna (NVD). Los NVD se basan en un tubo especial, llamado tubo intensificador de imagen, que recoge y amplifica la luz infrarroja y visible. Así es como funciona la mejora de imágenes:

1. Una lente convencional, llamada lente objetivo, captura la luz ambiental y algo de luz infrarroja cercana.
2. La luz recogida se envía al tubo intensificador de imágenes. En la mayoría de los END, el tubo intensificador de imágenes funciona con dos baterías N o dos baterías "AA". El tubo suministra un alto voltaje, aproximadamente 5.000 voltios, a los componentes del tubo de imagen.
3. El tubo intensificador de imágenes tiene un fotocátodo, que se utiliza para convertir fotones de energía luminosa en electrones.
4. A medida que los electrones pasan a través del tubo, los átomos del tubo liberan electrones similares, lo que aumenta el número inicial de electrones en un factor de varios miles mediante el uso de una placa de microcanal (MCP) en el tubo. Una placa de microcanales es un pequeño disco de vidrio perforado con millones de agujeros microscópicos (microcanales), fabricado con tecnología de fibra óptica. El MCP se coloca al vacío y tiene electrodos metálicos a cada lado del disco. Cada canal tiene aproximadamente 45 veces más largo que ancho y funciona como multiplicador de electrones. Cuando los electrones del fotocátodo alcanzan el primer electrodo del MCP, son acelerados hacia los microcanales de vidrio mediante ráfagas de 5.000 V enviadas entre el par de electrodos. A medida que los electrones pasan a través de los microcanales, provocan la liberación de miles de otros electrones en cada canal a través de un proceso llamado emisión secundaria en cascada. Básicamente, los electrones originales chocan con el lado del canal, excitando los átomos y provocando la liberación de otros electrones. Estos nuevos electrones también chocan con otros átomos, creando una reacción en cadena que hace que miles de electrones abandonen el canal por donde solo entraron unos pocos. Curiosamente, los microcanales MCP se crean en un ligero ángulo (con un sesgo de aproximadamente 5 a 8 grados) para fomentar las colisiones entre electrones y reducir la retroalimentación de los iones y dirigir la luz hacia los fósforos en el lado de la salida.
5. Al final del tubo intensificador de imágenes, los electrones encuentran una pantalla cubierta de fósforo. Estos electrones mantienen su posición relativa al canal por el que pasaron, lo que da como resultado una imagen perfecta ya que los electrones permanecen en la misma alineación que los fotones originales. La energía de los electrones permite que los fósforos alcancen un estado excitado y liberen fotones. Estos fósforos crean la imagen verde en la pantalla que caracteriza la visión nocturna.
6. La imagen de fósforo verde se ve a través de otra lente, llamada lente ocular, que ayuda a ampliar y enfocar la imagen. El NVD se puede conectar a una pantalla electrónica, como un monitor, o la imagen se puede ver directamente a través de la lente ocular.

Generaciones

• Generación 0 : el sistema de visión nocturna original creado por el ejército de EE. UU. y utilizado durante la Segunda Guerra Mundial y la Guerra de Corea, estos dispositivos de visión nocturna utilizan infrarrojos activos . Esto significa que una unidad de proyección, llamada iluminador de infrarrojos , está conectada al dispositivo. Esta unidad proyecta un haz de luz infrarroja cercana, similar al haz de una linterna normal. Invisible a simple vista, este rayo se refleja en los objetos y rebota en la lente. Estos sistemas utilizan un ánodo junto con el cátodo para acelerar los electrones. El problema de este enfoque es que la aceleración de los electrones distorsiona la imagen y reduce significativamente la vida útil del tubo. Otro problema importante con esta tecnología en su uso militar inicial fue que fue rápidamente replicada por naciones hostiles, permitiendo a los soldados enemigos usar sus propios dispositivos de visión nocturna para ver el rayo infrarrojo proyectado por el dispositivo.
• Generación 1 : la próxima generación de dispositivos de visión nocturna se alejó del infrarrojo activo para utilizar infrarrojos pasivos. Apodados Starlight por el ejército estadounidense, estos dispositivos de visión nocturna utilizan la luz ambiental proporcionada por la luna y las estrellas para aumentar las cantidades normales de infrarrojos reflejados en el medio ambiente. Esto significa que no necesitan una fuente de luz infrarroja proyectada. Esto también significa que no funcionan muy bien en noches nubladas o sin luna. Los dispositivos de visión nocturna de primera generación utilizan la misma tecnología de tubo intensificador de imagen que la generación 0, con cátodo y ánodo, por lo que la distorsión de la imagen y la corta vida útil del tubo siguen planteando un problema.
• Generación 2 : las mejoras importantes en los tubos intensificadores de imagen dieron lugar a los dispositivos de visión nocturna de Generación 2. Ofrecen mejor resolución y rendimiento que los dispositivos de Generación 1 y son considerablemente más confiables. El mayor avance de la Generación 2 es la capacidad de ver en condiciones de luz extremadamente baja, como en una noche sin luna. Este aumento de sensibilidad se debe a la adición de una placa de microcanales al tubo intensificador de imágenes. Debido a que la placa de microcanal aumenta la cantidad de electrones en lugar de simplemente acelerar los electrones originales, las imágenes están significativamente menos distorsionadas y son más brillantes que las de los dispositivos de visión nocturna de la generación anterior.
• Generación 3 : la generación 3 es utilizada actualmente por el ejército de EE. UU. Aunque la tecnología subyacente no ha sufrido cambios sustanciales desde la generación 2, estos dispositivos de visión nocturna tienen una resolución y sensibilidad aún mejores. De hecho, el fotocátodo está hecho de arseniuro de galio, que convierte fotones en electrones de manera muy eficiente. Además, el MCP está recubierto con una barrera iónica, lo que aumenta significativamente la vida útil del tubo.
• Generación 4: lo que comúnmente se conoce como Generación 4 o tecnología "sin película y cerrada" muestra una mejora general significativa en entornos con poca y mucha luz. La eliminación de la barrera iónica MCP, agregada en la tecnología de generación 3, reduce el ruido de fondo y, por lo tanto, mejora la relación señal-ruido. Quitar la película de iones en realidad permite que más electrones alcancen la etapa de amplificación, por lo que las imágenes están significativamente menos distorsionadas y tienen más aplicación. La adición de un sistema de energía automático permite que el voltaje del fotocátodo se encienda y apague rápidamente, lo que permite que los dispositivos de visión nocturna respondan instantáneamente a las condiciones de iluminación fluctuantes. Esta capacidad es un avance crítico en los sistemas de dispositivos de visión nocturna porque permite al usuario pasar rápidamente de un ambiente brillante a uno con poca luz (o de un ambiente con poca luz a un ambiente brillante sin ningún efecto de parada). Consideremos una escena cinematográfica omnipresente en la que un oficial que utiliza gafas de visión nocturna queda “privado de la vista” cuando alguien enciende una luz cercana. Con la nueva función power, cambiar la iluminación no tendría el mismo impacto; el dispositivo de visión nocturna mejorado respondería inmediatamente al cambio de iluminación.

Muchas de las denominadas gafas de visión nocturna "baratas" utilizan tecnología de Generación 0 o Generación 1 y pueden resultar decepcionantes si espera la sensibilidad de los dispositivos utilizados por profesionales. Los dispositivos de visión nocturna de generación 2, 3 y 4 generalmente son costosos de comprar, pero durarán si los mantiene adecuadamente. Además, todos los dispositivos de visión nocturna pueden beneficiarse del uso de un iluminador de infrarrojos en áreas muy oscuras donde prácticamente no hay luz ambiental que recolectar.

Equipos y aplicaciones de visión nocturna.

Los equipos de visión nocturna se pueden clasificar en tres categorías principales:

• Visores de puntería : normalmente los visores de puntería, de mano o montados en armas, son monoculares (un solo ocular). Debido a que los visores se sostienen en la mano, no se usan como gafas, son útiles cuando se desea ver mejor un objeto específico y luego volver a las condiciones de visualización normales.
• Gafas de seguridad : las gafas de seguridad se pueden llevar en la mano, pero normalmente se usan en la cabeza. Las gafas son binoculares (dos oculares) y pueden tener una lente única o una lente estéreo, según el modelo. Las gafas de seguridad son excelentes para la observación constante, como cuando se mueve por un edificio oscuro.
• Cámaras : las cámaras con tecnología de visión nocturna pueden enviar la imagen a un monitor para visualizarla o a una videograbadora para grabarla. Cuando se desea capacidad de visión nocturna en una ubicación permanente, por ejemplo en un edificio o como parte del equipo de un helicóptero, se utilizan cámaras. Muchas videocámaras más nuevas tienen un sistema de visión nocturna incorporado.

Aplicaciones

Las aplicaciones comunes de la visión nocturna incluyen:

• Militar
• Aplicación de la ley
• Caza
• Observación de vida silvestre
• Escucha
• Seguridad
• Navegación
• Detección de objetos ocultos
• Entretenimiento

El propósito original de la visión nocturna era localizar objetivos enemigos durante la noche. Los militares todavía lo utilizan ampliamente para este propósito, así como para navegación, vigilancia y selección de objetivos. La policía y los servicios de seguridad suelen utilizar tecnologías de imágenes térmicas y de mejora de imágenes, especialmente para vigilancia. Los cazadores y amantes de la naturaleza los utilizan para viajar por el bosque por la noche.

Los detectives e investigadores privados utilizan la visión nocturna para monitorear a las personas que deben seguir. Muchas empresas están equipadas con cámaras fijas con visión nocturna para vigilar el entorno.

La imagen térmica le permite saber si un área ha sido perturbada. Puede mostrar que el suelo ha sido excavado para enterrar algo, incluso si no hay ninguna señal evidente a simple vista. Los organismos encargados de hacer cumplir la ley han utilizado esta técnica para descubrir objetos escondidos por delincuentes, incluidos dinero, drogas y cadáveres. Las imágenes térmicas también permiten ver cambios recientes en áreas como las paredes, lo que ha proporcionado pistas importantes en varios casos.

Mucha gente está empezando a descubrir el mundo único que se puede encontrar al anochecer. Si va de campamento o a cazar con frecuencia, es muy probable que los dispositivos de visión nocturna le resulten útiles; solo asegúrese de comprar el tipo de dispositivo adecuado para sus necesidades.

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