Come funziona la visione notturna?

Quando un elettrone si sposta su un'orbita più energetica, alla fine vuole tornare allo stato fondamentale. Rilascia quindi la sua energia sotto forma di fotone , una particella di luce. Gli atomi rilasciano costantemente energia sotto forma di fotoni. Ad esempio, quando l’elemento riscaldante di un tostapane diventa rosso vivo, il colore rosso è dovuto agli atomi eccitati dal calore, che rilasciano fotoni rossi. Un elettrone eccitato ha più energia di un elettrone rilassato e, proprio come l’elettrone ha assorbito una certa quantità di energia per raggiungere quel livello di eccitazione, può rilasciare quell’energia per tornare allo stato fondamentale. Questa energia emessa è sotto forma di fotoni (energia luminosa). Il fotone emesso ha una lunghezza d'onda (colore) molto specifica che dipende dallo stato energetico dell'elettrone nel momento in cui il fotone viene rilasciato.

Tutto ciò che è vivente utilizza energia, così come molti oggetti inanimati come motori e razzi. Il consumo di energia genera calore. A sua volta, il calore fa sì che gli atomi di un oggetto emettano fotoni nello spettro dell'infrarosso termico. Quanto più caldo è l'oggetto, tanto più corta è la lunghezza d'onda del fotone infrarosso che emette. Un oggetto molto caldo inizierà persino a emettere fotoni nello spettro visibile, brillando di rosso, passando poi attraverso l'arancione, il giallo, il blu e infine il bianco. Per ulteriori informazioni sulla luce e sull'emissione di fotoni, vedere Come funzionano le lampadine, Come funzionano i laser e Come funziona la luce.
Nella visione notturna, la termografia sfrutta questa emissione infrarossa. Nella prossima sezione vedremo come si ottiene questo risultato.

Immagini termiche

1. Una lente speciale focalizza la luce infrarossa emessa da tutti gli oggetti visibili.
2. La luce focalizzata viene scansionata da una serie di elementi rilevatori a infrarossi. Gli elementi sensibili creano un modello di temperatura molto dettagliato chiamato termogramma. La rete di rilevatori impiega solo un trentesimo di secondo per ottenere le informazioni sulla temperatura necessarie per produrre il termogramma. Questa informazione viene ottenuta da diverse migliaia di punti nel campo visivo della schiera di rilevatori.
3. Il termogramma creato dagli elementi di rilevamento viene tradotto in impulsi elettrici.
4. Gli impulsi vengono inviati a un'unità di elaborazione del segnale, un circuito con un chip dedicato che traduce le informazioni dagli elementi in dati da visualizzare.
5. L'unità di elaborazione del segnale invia l'informazione allo schermo, dove appare in diversi colori a seconda dell'intensità dell'emissione infrarossa. La combinazione di tutti gli impulsi provenienti da tutti gli elementi crea l'immagine.

Tipi di dispositivi di imaging termico

La maggior parte dei dispositivi di imaging termico esegue la scansione a una velocità di 30 volte al secondo. Possono rilevare temperature che vanno da -20 gradi Celsius a 2.000 gradi Celsius e normalmente possono rilevare variazioni di temperatura di circa 0,2 gradi Celsius.

Esistono due tipi di dispositivi di imaging termico:

• Non raffreddato : questo è il tipo più comune di dispositivo di imaging termico. Gli elementi del rilevatore a infrarossi sono contenuti in un'unità che funziona a temperatura ambiente. Questo tipo di sistema è completamente silenzioso, si attiva immediatamente e ha una batteria integrata.
• Raffreddamento criogenico : più costosi e più suscettibili ai danni derivanti da un uso intenso, questi sistemi hanno gli elementi sigillati all'interno di un contenitore che li raffredda fino a una temperatura inferiore a 32 F (zero C). Il vantaggio di un tale sistema è l'incredibile risoluzione e sensibilità che derivano dal raffreddamento degli elementi. I sistemi raffreddati criogenicamente possono "vedere" una differenza piccola quanto 0,2 F (0,1 C) da più di 300 metri di distanza, il che è sufficiente per capire se una persona tiene in mano una pistola a questa distanza!

Mentre la termografia è ideale per rilevare persone o lavorare nell'oscurità quasi totale, la maggior parte delle apparecchiature per la visione notturna utilizza la tecnologia di miglioramento dell'immagine.

Miglioramento dell'immagine

La tecnologia di miglioramento dell'immagine è ciò a cui la maggior parte delle persone pensa quando parliamo di visione notturna. Infatti, i sistemi di miglioramento delle immagini sono generalmente chiamati dispositivi di visione notturna (NVD). Gli NVD si basano su un tubo speciale, chiamato tubo intensificatore di immagine, che raccoglie e amplifica la luce infrarossa e visibile. Ecco come funziona il miglioramento delle immagini:

1. Una lente convenzionale, chiamata lente dell'obiettivo, cattura la luce ambientale e parte della luce nel vicino infrarosso.
2. La luce raccolta viene inviata al tubo intensificatore di immagine. Nella maggior parte dei controlli non distruttivi, il tubo intensificatore di immagini è alimentato da due batterie N o due batterie "AA". Il tubo fornisce un'alta tensione, circa 5.000 volt, ai componenti del cinescopio.
3. Il tubo intensificatore di immagine è dotato di un fotocatodo, che viene utilizzato per convertire i fotoni dell'energia luminosa in elettroni.
4. Quando gli elettroni passano attraverso il tubo, elettroni simili vengono rilasciati dagli atomi nel tubo, aumentando il numero iniziale di elettroni di un fattore di diverse migliaia attraverso l'uso di una piastra a microcanali (MCP) nel tubo. Una piastra a microcanali è un minuscolo disco di vetro forato con milioni di fori microscopici (microcanali), prodotto utilizzando la tecnologia delle fibre ottiche. L'MCP è posto sotto vuoto e presenta elettrodi metallici su entrambi i lati del disco. Ciascun canale è circa 45 volte più lungo che largo e funziona come un moltiplicatore di elettroni. Quando gli elettroni del fotocatodo raggiungono il primo elettrodo dell'MCP, vengono accelerati nei microcanali di vetro dalle raffiche di 5.000 V inviate tra la coppia di elettrodi. Quando gli elettroni passano attraverso i microcanali, provocano il rilascio di migliaia di altri elettroni in ciascun canale attraverso un processo chiamato emissione secondaria a cascata. Fondamentalmente, gli elettroni originali collidono con il lato del canale, eccitando gli atomi e provocando il rilascio di altri elettroni. Questi nuovi elettroni entrano in collisione anche con altri atomi, creando una reazione a catena che fa sì che migliaia di elettroni lascino il canale dove solo pochi sono entrati. È interessante notare che i microcanali MCP sono creati con una leggera angolazione (da circa 5 a 8 gradi) per incoraggiare le collisioni tra gli elettroni e ridurre il feedback degli ioni e dirigere la luce sui fosfori sul lato dell'uscita.
5. All'estremità del tubo intensificatore di immagine, gli elettroni incontrano uno schermo ricoperto di fosfori. Questi elettroni mantengono la loro posizione rispetto al canale che hanno attraversato, ottenendo un'immagine perfetta poiché gli elettroni rimangono nello stesso allineamento dei fotoni originali. L'energia degli elettroni consente ai fosfori di raggiungere uno stato eccitato e rilasciare fotoni. Questi fosfori creano l'immagine verde sullo schermo che caratterizza la visione notturna.
6. L'immagine al fosforo verde viene vista attraverso un'altra lente, chiamata lente oculare, che aiuta ad ingrandire e mettere a fuoco l'immagine. L'NVD può essere collegato a un display elettronico, come un monitor, oppure l'immagine può essere visualizzata direttamente attraverso la lente oculare.

Generazioni

• Generazione 0 – Il sistema di visione notturna originale creato dall'esercito americano e utilizzato durante la seconda guerra mondiale e la guerra di Corea, questi dispositivi di visione notturna utilizzano infrarossi attivi . Ciò significa che al dispositivo è collegata un'unità di proiezione, chiamata illuminatore IR . Questa unità proietta un raggio di luce nel vicino infrarosso, simile al raggio di una normale torcia elettrica. Invisibile a occhio nudo, questo raggio si riflette sugli oggetti e rimbalza sull'obiettivo. Questi sistemi utilizzano un anodo insieme al catodo per accelerare gli elettroni. Il problema di questo approccio è che l'accelerazione degli elettroni distorce l'immagine e riduce significativamente la durata del tubo. Un altro grosso problema con questa tecnologia nel suo uso militare iniziale era che veniva rapidamente replicata da nazioni ostili, consentendo ai soldati nemici di utilizzare i propri dispositivi di visione notturna per vedere il raggio infrarosso proiettato dal dispositivo.
• Generazione 1 – La generazione successiva di dispositivi per la visione notturna si è allontanata dall'infrarosso attivo per utilizzare l'infrarosso passivo. Soprannominati Starlight dalle forze armate statunitensi, questi dispositivi per la visione notturna utilizzano la luce ambientale fornita dalla luna e dalle stelle per aumentare la normale quantità di infrarossi riflessi nell'ambiente. Ciò significa che non necessitano di una sorgente di luce infrarossa proiettata. Ciò significa anche che non funzionano molto bene nelle notti nuvolose o senza luna. I dispositivi per la visione notturna di prima generazione utilizzano la stessa tecnologia del tubo intensificatore di immagine della generazione 0, con catodo e anodo, quindi la distorsione dell'immagine e la breve durata del tubo rappresentano ancora un problema.
• Generazione 2 - I principali miglioramenti apportati ai tubi intensificatori di immagine hanno dato origine ai dispositivi per la visione notturna di seconda generazione. Offrono risoluzione e prestazioni migliori rispetto ai dispositivi di prima generazione e sono notevolmente più affidabili. Il più grande progresso della seconda generazione è la capacità di vedere in condizioni di illuminazione estremamente scarsa, come in una notte senza luna. Questa maggiore sensibilità è dovuta all'aggiunta di una piastra a microcanali al tubo intensificatore di immagine. Poiché la piastra a microcanali aumenta il numero di elettroni invece di limitarsi ad accelerare gli elettroni originali, le immagini sono significativamente meno distorte e più luminose rispetto a quelle dei dispositivi di visione notturna della generazione precedente.
• Generazione 3 - La generazione 3 è attualmente utilizzata dalle forze armate statunitensi. Sebbene la tecnologia di base non abbia subito cambiamenti sostanziali rispetto alla generazione 2, questi dispositivi per la visione notturna hanno una risoluzione e una sensibilità ancora migliori. Infatti, il fotocatodo è costituito da arseniuro di gallio, che converte in modo molto efficiente i fotoni in elettroni. Inoltre, l'MCP è rivestito con una barriera ionica, che aumenta significativamente la durata del tubo.
• Generazione 4: quella che viene comunemente chiamata generazione 4 o tecnologia "senza film e recintata" mostra un miglioramento complessivo significativo sia in ambienti con scarsa che con elevata illuminazione. La rimozione della barriera ionica MCP, aggiunta nella tecnologia di terza generazione, riduce il rumore di fondo e quindi migliora il rapporto segnale-rumore. La rimozione della pellicola ionica consente effettivamente a più elettroni di raggiungere lo stadio di amplificazione, quindi le immagini sono significativamente meno distorte e più app. L'aggiunta di un sistema di alimentazione automatico consente di accendere e spegnere rapidamente la tensione del fotocatodo, consentendo ai dispositivi di visione notturna di rispondere istantaneamente alle condizioni di illuminazione fluttuanti. Questa funzionalità rappresenta un progresso fondamentale nei sistemi di dispositivi per la visione notturna , poiché consente all'utente di passare rapidamente da un ambiente luminoso a uno con scarsa illuminazione (o da un ambiente con scarsa illuminazione a uno luminoso senza alcun effetto di interruzione). Consideriamo l’onnipresente scena di un film in cui un ufficiale che usa gli occhiali per la visione notturna viene “privato della vista” quando qualcuno accende una luce nelle vicinanze. Con la nuova funzione power, cambiare l’illuminazione non avrebbe lo stesso impatto; il dispositivo di visione notturna potenziato risponderebbe immediatamente al cambiamento dell'illuminazione.

Molti cosiddetti occhiali per la visione notturna "economici" utilizzano la tecnologia di Generazione 0 o Generazione 1 e possono essere deludenti se ci si aspetta la sensibilità dei dispositivi utilizzati dai professionisti. I dispositivi per la visione notturna di seconda, terza e quarta generazione sono generalmente costosi da acquistare, ma dureranno se mantenuti correttamente. Inoltre, tutti i dispositivi per la visione notturna possono trarre vantaggio dall'utilizzo di un illuminatore IR in aree molto buie dove praticamente non c'è luce ambientale da raccogliere.

Apparecchiature e applicazioni per la visione notturna

Le apparecchiature per la visione notturna possono essere classificate in tre categorie principali:

• Cannocchiali da puntamento – Normalmente portatili o montati su armi, i cannocchiali da puntamento sono monoculari (oculare singolo). Poiché i cannocchiali da puntamento vengono tenuti in mano e non indossati come occhiali, sono utili quando si desidera vedere meglio un oggetto specifico e poi tornare alle normali condizioni di visualizzazione.
• Occhiali di sicurezza – Gli occhiali di sicurezza possono essere tenuti in mano, ma sono più comunemente indossati sulla testa. Gli occhiali sono binoculari (due oculari) e possono avere una lente singola o una lente stereo, a seconda del modello. Gli occhiali di sicurezza sono eccellenti per l'osservazione costante, ad esempio quando ci si sposta in un edificio buio.
• Telecamere : le telecamere con tecnologia di visione notturna possono inviare l'immagine a un monitor per la visualizzazione o a un videoregistratore per la registrazione. Quando si desidera la capacità di visione notturna in una posizione permanente, ad esempio su un edificio o come parte dell'attrezzatura di un elicottero, vengono utilizzate le telecamere. Molte videocamere più recenti dispongono di un sistema di visione notturna integrato.

Applicazioni

Le applicazioni comuni della visione notturna includono:

• Militare
• Forze dell'ordine
• A caccia
• Osservazione della fauna selvatica
• Monitoraggio
• Sicurezza
• Navigazione
• Rilevamento di oggetti nascosti
• Divertimento

Lo scopo originale della visione notturna era localizzare gli obiettivi nemici di notte. È ancora ampiamente utilizzato dai militari per questo scopo, nonché per la navigazione, la sorveglianza e il targeting. La polizia e i servizi di sicurezza utilizzano spesso tecnologie di imaging termico e di miglioramento delle immagini, in particolare per la sorveglianza. I cacciatori e gli amanti della natura li usano per viaggiare di notte nei boschi.

Detective e investigatori privati ​​utilizzano la visione notturna per monitorare le persone che sono incaricati di seguire. Molte attività commerciali sono dotate di telecamere fisse con visione notturna per monitorare l'area circostante.

La termografia consente di sapere se un'area è stata disturbata. Può dimostrare che il terreno è stato scavato per seppellire qualcosa, anche se ad occhio nudo non vi è alcun segno evidente. Le forze dell'ordine hanno utilizzato questa tecnica per scoprire oggetti nascosti dai criminali, inclusi denaro, droga e cadaveri. La termografia consente anche di vedere i recenti cambiamenti in aree come i muri, il che ha fornito indizi importanti in diversi casi.

Molte persone stanno iniziando a scoprire il mondo unico che si può trovare dopo il tramonto. Se vai spesso in campeggio o a caccia, ci sono buone probabilità che i dispositivi per la visione notturna possano tornare utili: assicurati solo di acquistare il giusto tipo di dispositivo per le tue esigenze.

Spero che questo articolo abbia chiarito i tuoi punti interrogativi! Se ti è stato d'aiuto, non esitare a dare un'occhiata al nostro negozio online di binocoli e fotocamere da caccia per ringraziare il nostro team per il loro lavoro! Non dimenticare di aggiungere ai segnalibri il nostro sito Web e di iscriverti alla nostra newsletter per non perdere le notizie settimanali e ricevere il tuo e-book gratuito al 100% che ti fornisce maggiori informazioni sulla caccia, l'escursionismo e l'ornitologia! Grazie e a presto!