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TEORÍA DE LA VISIÓN NOCTURNA

La primera cosa que usted probablemente piensa cuando usted ve las palabras visión nocturna es un espía o una película de acción que haya visto, en la que alguien toma un par de gafas de visión nocturna para encontrar a alguien en un edificio oscuro en una noche sin luna. Y es posible que se haya preguntado "¿Esas cosas realmente funcionan? ¿Se puede realmente ver en la oscuridad?"

La tecnología de visión nocturna permite ver claramente los objetos en la noche a distancias de hasta varios cientos de metros en ausencia de cualquier luz artificial. Gente, edificios, vehículos y los detalles del paisaje vistos a través de un moderno sistema de visión nocturna parecen casi como si estuvieran iluminados, mientras que los mismos objetos vistos a simple vista se aprecian sólo como sombras imprecisas (o no son visibles en absoluto).

Con el fin de entender cómo funciona cualquier dispositivo de visión nocturna compárelo con una cámara de vídeo, pero una muy especial, con una muy alta sensibilidad a la luz. Todos los sistemas de visión nocturna proporcionan al espectador visualización electrónica mejorada. Cuando se utiliza un visor de visión nocturna, usted no está realmente viendo la escena delante de usted, sino lo que usted está viendo es una imagen de vídeo de la escena. El corazón de cualquier sistema de visión nocturna es un tubo intensificador de imagen.

Los intensificadores son clasificados ya sea como de primera, segunda o tercera generación. Los tubos intensificadores de imagen, básicamente, consisten en un fotocátodo que convierte imágenes de luz en imágenes de electrones (estos, a su vez, pueden ser amplificados), y una placa de microcanal (en las segunda y tercera generaciones), que convierte el flujo de electrones de vuelta en una imagen de la luz.

Para entender la visión nocturna, es importante entender algo acerca de la luz. La cantidad de energía en una onda de luz está relacionada con su longitud de onda: longitudes de onda más cortas tienen mayor energía. De la luz visible, el violeta tiene la mayor cantidad de energía, y el rojo tiene la menor. Justo al lado del espectro de la luz visible está el espectro de infrarrojos. La luz infrarroja se puede dividir en tres categorías:

• Infrarrojo cercano (IR cercano) – El Infrarrojo cercano es lo más cerca posible a la luz visible, el infrarrojo cercano tiene longitudes de onda que van de 0,7 a 1,3 micras, o 700 a 1.300 billonésimas de metro.

• Infrarrojo medio  - El infrarrojo medio tiene longitudes de onda que van desde 1,3 hasta 3 micras. Tanto el IR cercano y medio son utilizados por una variedad de dispositivos electrónicos, incluyendo los controles remotos.

• Infrarrojo térmico  - El infrarrojo térmico ocupa la mayor parte del espectro infrarrojo, el infrarrojo térmico tiene longitudes de onda que van desde 3 micras a más de 30 micras.

La diferencia clave entre el infrarrojo térmico y los otros dos es que el infrarrojo térmico es emitido por un objeto en vez de ser reflejado fuera del mismo. La luz infrarroja es emitida por un objeto, por lo que ocurre a nivel atómico.

Figura: Espectro

 

Átomos

Los átomos están en constante movimiento. Estos continuamente vibran, se mueven y giran. Incluso los átomos que componen las sillas en que nos sentamos se están moviendo. Los sólidos están en realidad en movimiento!. Los átomos pueden estar en diferentes estados de excitación

. En otras palabras, pueden tener diferentes energías. Si aplicamos una gran cantidad de energía a un átomo, éste puede abandonar lo que se llama el nivel de energía del estado fundamental y pasar a un nivel excitado

. El nivel de la excitación depende de la cantidad de energía aplicada al átomo a través del calor, la luz o la electricidad. Un átomo consiste en un núcleo (que contiene los protones y neutrones) y una nube de electrones. Piense en los electrones en esta nube como que circundan el núcleo de muchas órbitas diferentes

. Aunque vistas más modernas del átomo no describen órbitas discretas para los electrones, puede ser útil pensar en estas órbitas como los diferentes niveles de energía del átomo. En otras palabras, si aplicamos un poco de calor a un átomo, es de esperar que algunos de los electrones en los orbitales de menor energía lleven a cabo la transición a mayores orbitales de energía, moviéndose más lejos del núcleo.

Una vez que un electrón se mueve en una órbita de mayor energía, con el tiempo quiere volver al estado fundamental. Cuando lo hace, libera su energía como un fotón (partícula de luz). Usted ve los átomos liberando energía en forma de fotones todo el tiempo. Por ejemplo, cuando el elemento de calentamiento en un tostador de pan que se vuelve de color rojo brillante, el color rojo es causado por átomos excitados por el calor, liberando fotones rojos. Un electrón excitado tiene más energía que un electrón relajado, y al igual que el electrón que absorbe una cierta cantidad de energía para alcanzar este nivel excitado, se puede liberar esta energía para volver al estado fundamental. Esta energía es emitida en forma de fotones (energía de la luz). El fotón emitido tiene una longitud de onda muy específica (color) que depende del estado de la energía del electrón cuando se libera el fotón.

Figura : Un átomo tiene un núcleo y una nube de electrones

Todo lo que está vivo utiliza energía, y también lo hacen muchos objetos inanimados, tales como motores y cohetes. El consumo de energía genera calor. A su vez, el calor hace que los átomos en un objeto disparen fotones en el espectro del infrarrojo térmico. Cuanto más caliente está el objeto, más corta es la longitud de onda de los fotones infrarrojos que se liberan. Un objeto que está muy caliente inclusive empezará a emitir fotones en el espectro visible,  rojo brillante y luego asciende al naranja, amarillo, azul y finalmente al blanco. En la visión nocturna, la termografía se aprovecha de esta emisión infrarroja. A continuación vamos a ver lo que hace.

Generaciones

Los dispositivos de visión nocturna (o NVD en Inglés por “night vision device”) han existido por más de 40 años. Se clasifican por su generación. Cada cambio sustancial en la tecnología NVD establece una nueva generación.

•Generación 0 - El sistema de visión nocturna original corresponde al creado por el Ejército de los Estados Unidos y utilizado en la Segunda Guerra Mundial y en la Guerra de Corea, estos NVDs utilizan infrarrojos activos. Esto significa que una unidad de proyección, llamado iluminador de infrarrojos, está unido al  NVD. La unidad proyecta un haz de luz en el infrarrojo cercano, similar a la luz de una linterna normal. Invisible al ojo humano, este haz se refleja en los objetos y rebota de nuevo a la lente del NVD. Estos sistemas utilizan un ánodo en conjunción con el cátodo para acelerar los electrones. El problema con este enfoque es que la aceleración de los electrones distorsiona la imagen y disminuye en gran medida la vida del tubo. Otro problema importante con esta tecnología en su uso militar original que se duplicó rápidamente por las naciones hostiles, lo que permitió a soldados enemigos usar sus propios NVDs para ver el haz de luz infrarroja proyectada por el dispositivo.

La generación 0 normalmente utiliza un fotocátodo S-1 con las respuestas de pico en la región azul-verde (con fotosensibilidad de 60 mA / Im), inversión electrostática, y aceleración de electrones para obtener una ganancia. Por consiguiente, los tubos de generación 0 se caracterizan por la presencia de distorsión geométrica y la necesidad de iluminación de infrarrojos activa.

•Generación 1 - La siguiente generación de NVDs se alejó de los infrarrojos activos, usando en su lugar infrarrojos pasivos. Una vez llamados Starlight por el Ejército de los EE.UU., estos NVDs utilizan la luz ambiental proporcionada por la luna y las estrellas para aumentar las cantidades normales de infrarrojo reflejados en el ambiente. Esto significa que no requieren de una fuente de luz infrarroja proyectada. Esto también significa que no funcionan muy bien en noches nubladas o sin luna. Los NVDs de Generación 1 utilizan la misma tecnología del tubo intensificador de imagen que la Generación 0, tanto con cátodo y ánodo, por lo que la distorsión de la imagen y la corta vida del tubo siguen siendo un problema.

Por lo general utilizan un fotocátodo S-20 (con fotosensibilidad de 180 a 200 mA / Im), inversión electrostática, y la aceleración de electrones para obtener ganancia. En consecuencia, la generación 1 fue el primer intensificador de imagen pasiva. La generación 1 se caracteriza por la distorsión geométrica, el pobre desempeño en niveles de luz bajos y distorsión. La vida útil prevista es de 1500 horas.

•Generación 2 - Importantes mejoras en los tubos intensificadores de imágenes resultó en la Generación 2 de NVDs. Estos ofrecen una mejor resolución y un rendimiento sobre Generación-1 de dispositivos, y son mucho más fiables. El mayor avance en la Generación 2 es la capacidad de ver en condiciones de luz muy bajas, como una noche sin luna. Este aumento de la sensibilidad se debe a la adición de la placa de microcanales al tubo intensificador de imagen, que no sólo acelera los electrones extraídos del fotocátodo, sino que aumenta su número. Este aumento en la carga provoca entonces que los fósforos  brillen con más intensidad en respuesta a la luz reflejada. Dado que la placa de microcanales en realidad aumenta el número de electrones en lugar de sólo acelerar los originales, las imágenes son significativamente menos distorsionadas y más brillantes que en los NVDs de generaciones anteriores.

Normalmente un fotocátodo S-25 (rojo extendido, con fotosensibilidad de 240 mA  / Im y una placa de microcanal para lograr ganancia). Se los puede encontrar con inversión ya sea electrostática o de fibra óptica. Los tubos Gen II ofrecen un rendimiento satisfactorio a bajos niveles de luz y presentan una baja distorsión. La vida útil prevista  es de 2.500 horas.

• Generación 3 – La Generación 3 es utilizado actualmente por el ejército de los Estados Unidos. Si bien no hay cambios sustanciales en la tecnología subyacente de generación 2, estos NVDs tienen mejor resolución y sensibilidad. Esto es porque el foto cátodo se fabrica usando arseniuro de galio, que es muy eficiente en la conversión de fotones a los electrones. Además, la placa de microcanales  está recubierta con una barrera de iones, lo que aumenta drásticamente la vida del tubo.

Usan arseniuro de galio para el fotocátodo y una placa de microcanal para obtener ganancias. La placa de microcanal también está recubierta con una película de barrera de iones para aumentar la vida del tubo. Produce más de 800 mA / Im en región del espectro de 450-950 nanómetros (infrarrojo cercano). La Gen III ofrece muy bueno a excelente rendimiento de luz de bajo nivel, y vida de tubo. Vida útil prevista es de 10.000 horas.

La mayoría de los consumidores consideran que un dispositivo de visión nocturna no durará mucho basándose en la vida del tubo,  pero en realidad, si un dispositivo de visión nocturna sólo se opera durante 100 horas al año, entonces esto se puede considerar un montón de uso. En 100 horas al año, un dispositivo de generación 2 duraría 25 años, y un dispositivo de generación 3 duraría 100 años.

• Generación 4 - Lo que generalmente se conoce como Generación 4 o la tecnología "sin película y cerrada"  muestra una mejoría general significativa tanto en entornos de alto y bajo nivel de luz. La eliminación de la barrera de iones de la placa de microcanales que fue añadida en la tecnología de Generación 3 reduce el ruido de fondo y por lo tanto mejora la relación señal a ruido. La extracción de la película de iones en realidad permite que más electrones lleguen a la etapa de amplificación de manera que las imágenes son significativamente menos distorsionadas y más brillantes.

Terminología usada en Visión Nocturna

Control de brillo automático ( ABC - Automatic Brightness Control) - Una característica electrónica que reduce automáticamente el voltaje a la placa de microcanal para mantener el brillo de la imagen del intensificador dentro de los límites óptimos y proteger el tubo. Como resultado de esto la imagen se vuelve más brillante y luego, después de un retraso momentáneo, repentinamente se vuelve tenue a un nivel constante durante las condiciones rápidamente cambiantes de poca a mucha iluminación.

También se puede requerir al haber suciedad o residuos entre las lentes que deben ser eliminada por limpieza cuidadosa si el sistema está diseñado con ópticas intercambiables.

Brillo - Protección de Fuente (BSP -  Source Protection) – Es una función electrónica que reduce la tensión al fotocátodo cuando el dispositivo de visión nocturna está expuesto a fuentes de luz brillantes, tales como las luces de la habitación o las luces del coche. BSP protege el tubo de imagen de los daños y mejora su vida, sin embargo, también tiene la desventaja de reducir la resolución cuando funciona.

Dioptrías (Diopter ) - La unidad de medida utilizada para definir la corrección de ojos o el poder de refracción de una lente. Por lo general, los ajustes a un ocular óptico se acomodan a las diferencias en la visión individual. Usualmente, oscila en +5 a -5.

Alivio de ojos (Eye Relief  ) - La distancia a la que los ojos deben estar del último elemento de un ocular con el fin de lograr la imagen óptima.

Placa de microcanal (MCP - Microchannel Plate) – Es un disco de vidrio recubierto de metal que multiplica los electrones producidos por el fotocátodo. La MCP se encuentra sólo en los sistemas de generaciones II y III. Estos dispositivos tienen normalmente de 2 a 6000000 de orificios (o canales) en los mismos. Las MCP eliminan la distorsión característica de los sistemas de generaciones 0 y I. El número de agujeros en el MCP es un factor importante en la determinación de la resolución.

Tubo fotomultiplicador : Un tubo fotomultiplicador es un tubo de vacío que consta de una ventana de luz de entrada, una superficie de emisión de fotoelectrones (fotocátodo), un multiplicador de electrones y un ánodo, montado en un recipiente herméticamente cerrado. Cuando la luz entra en la ventana, se emiten fotoelectrones desde el fotocátodo y a continuación, se aceleran y se enfocan a fin de golpear el primer electrodo (dínodo), donde la multiplicación de electrones se lleva a cabo por emisión secundaria. Esta emisión secundaria se repite en cada uno de los dínodos posteriores resultando en grupos de electrones multiplicados por 106 a 107 veces o más, que son recogidos por el ánodo.

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