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Visión nocturna

Se hace referencia aquí a la "visión nocturna" como la tecnología que nos ofrece el milagro de la visión en la oscuridad total y la mejora de la visión en ambientes con poca luz.

Esta tecnología es una amalgama de varios métodos diferentes, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Los métodos más comunes que se describen a continuación son de imágenes de baja luz, imágenes térmicas y de iluminación en el infrarrojo cercano. Las aplicaciones más comunes incluyen la conducción nocturna o de vuelo, seguridad nocturna y vigilancia, observación de vida silvestre, monitoreo de laboratorio de sueño y de búsqueda y rescate. Una amplia gama de productos de visión nocturna están disponibles para satisfacer los diversos requisitos que puedan existir para estas aplicaciones.

¿Cómo funcionan las gafas de visión nocturna ?

Hay dos tipos de dispositivos de " visión nocturna " que se utiliza comúnmente - pasiva y activa.

Los equipos de visión nocturna pasiva (a menudo llamado "visión con luz de las estrellas " o 'starlight vision' ) , simplemente amplifican la luz disponible y no van a funcionar en la oscuridad absoluta . Es similar en principio al ajustar el contraste ( diferencia entre claro y oscuro) de una imagen.

La visión nocturna activa, como el tipo que se encuentra en muchos de los nuevos camcorders, en realidad proyectan hacia afuera una fuente de luz cercana al infrarrojo. La óptica de la cámara es sensible a este espectro, pero está justo fuera del rango visual, por lo que no se puede ver.

Algunos equipos militares usan radiación ultravioleta en lugar del infrarrojo cercano debido a la posible interferencia con dispositivos comunes (como los mandos a distancia) y la facilidad de detección.

Las gafas de visión nocturna dependen del efecto fotoeléctrico. Este efecto fue descubierto experimentalmente por Heinrich Hertz en 1887 y explicado por Albert Einstein en 1905 utilizando la teoría cuántica.

Básicamente, cuando una placa pulida es expuesta a la radiación electromagnética, ésta puede emitir electrones. Estos electrones se conocen como fotoelectrones. Estos electrones sólo se emiten si la frecuencia de la luz incidente supera un valor umbral f > f0 . El valor de umbral f0 , depende de cada metal en particular .

La magnitud de la corriente de electrones emitida depende de la intensidad de la fuente de luz y la energía cinética depende de la frecuencia de la fuente de luz .

En la gafas de visión nocturna, el efecto fotoeléctrico se utiliza para amplificar la presencia de fotones individuales. Un sistema de lentes envía cualquier luz recogida a una placa de vidrio recubierta con un material fotoeléctrico en el lado trasero. Los fotoelectrones se aceleran mediante una diferencia de potencial de varios cientos de voltios a una " placa de canal ' con muchos agujeros finos que contienen aproximadamente 10 micras de diámetro. Este agujero tiene una superficie conductora y una diferencia de potencial adicional de un lado de la placa a otro. Cuando un fotoelectrón golpea un agujero, el mismo ioniza átomos en el punto de impacto.

Esto a su vez libera varios electrones, que son acelerados más abajo en el agujero para producir aún más electrones. Esta parte del dispositivo se llama fotomultiplicador. El resultado de este dispositivo es de decenas de miles de electrones saliendo del agujero. Estos electrones se aceleran aún más para golpear una pantalla fluorescente, donde los efectos pueden ser fácilmente vistos por los ojos. El ruido limita a este dispositivo de ser infinitamente sensible. Los fotones que llegan a la superficie fotoeléctrica son discretos y por lo tanto los números fluctúan con el tiempo. Cuanta más pequeña sea la tasa de llegada, más grande será la fluctuación de cualquier píxel dado. Esto se manifiesta como un brillo fluctuante llamado "ruido de fotones '.

Para evitar esto, los fotones que llegan se integran por períodos más largos mediante el uso de una pantalla fluorescente, en la que el brillo se acumula y  decae lentamente. Hay límites para el tiempo de integración. Demasiado tiempo de integración hará que las imágenes se conviertan en ' manchas ' a través de la pantalla.

Imagen con baja luz

Hoy en día, el método más popular y mas conocido de llevar a cabo la visión nocturna se basa en el uso de intensificadores de imagen. Los intensificadores de imagen se utilizan en gafas de visión nocturna y largavistas de noche. Más recientemente, las cámaras CCD de multiplicación de ganancia en chip se han popularizado para llevar a cabo la seguridad con poca luz, la vigilancia y la observación astronómica.

Intensificadores de imagen

Cómo funcionan: Este método de visión nocturna amplifica la luz disponible para lograr una mejor visión. Una lente objetivo enfoca la luz disponible (fotones) en el fotocátodo de un intensificador de imagen. La energía de la luz hace que los electrones sean despedidos desde el cátodo, que son luego acelerados por un campo eléctrico para aumentar su velocidad (nivel de energía). Estos electrones entran en los agujeros en las placas de microcanal y rebotan en las paredes especialmente recubiertas internamente, que a su vez generan más electrones a medida que los electrones rebotan a través de la misma. Esto crea una " nube " más densa de electrones que representan una versión intensificada de la imagen original.

La etapa final del intensificador de imagen consiste en electrones que golpean una pantalla de fósforo. La energía de los electrones hace que el fósforo brille. La luz visualizada muestra la vista deseada para el usuario o para una cámara fotográfica adjunta o dispositivo de vídeo. Un fósforo verde se utiliza en estas aplicaciones debido a que el ojo humano puede distinguir más tonos de verde que cualquier otro color, lo que permite una mayor diferenciación de los objetos en la imagen.

Obervando la imagen anterior, la lente del objetivo de un dispositivo de visión nocturna recoge la luz (visible e IR ) que no puede ser vista a simple vista y la enfoca en el intensificador de imagen . La fuente de alimentación para el tubo intensificador de imagen recibe energía de dos baterías "AA". En el interior del intensificador de imagen un fotocátodo absorbe esta energía de la luz y la convierte en electrones . Estos electrones son después dirigidos hacia una pantalla de fósforo . En intensificadores de segunda y tercera generación los electrones pasan primero a través de una placa microcanal que los multiplica miles de veces más . Cuando esta imagen de electrones altamente intensificada incide sobre la pantalla de fósforo , hace que la pantalla emita luz visible. Debido a que la pantalla de fósforo que emite esta luz exactamente en el mismo patrón y  contraste como fuera recogida por la lente del objetivo, la imagen nocturna brillante vista a través del ocular corresponde exactamente a la escena original observada . Estos fósforos crean la imagen verde en la pantalla que ha llegado a caracterizar la visión nocturna.

Todos los intensificadores de imagen funcionan de la manera anterior. Las diferencias tecnológicas en los últimos 40 años han dado lugar a una mejora sustancial en el rendimiento de estos dispositivos. Los diferentes paradigmas de la tecnología han sido comúnmente identificados por distintas generaciones de intensificadores de imagen. Los sistemas de cámaras de intensificación suelen incorporar un intensificador de imágenes para crear una imagen más clara de la escena con poca luz que es luego observada por una cámara tradicional.

Ventajas y desventajas de los intensificadores de imagen

Ventajas :

  • Excelente sensibilidad de bajo nivel de luz.
  • Imagen visible mejorada resulta en un mejor reconocimiento e identificación.
  • Alta resolución.
  • Baja potencia y costo.
  • Capacidad para identificar a las personas.

Desventajas:

  • Debido a que se basan en métodos de amplificación, se requiere un poco de luz. Este método no es útil cuando esencialmente no hay luz
  • Desempeño inferior durante el día, en comparación con métodos de sólo luz de día.
  • Posibilidad de saturación y daño al observar fuentes brillantes en condiciones de poca luz.

Cámaras de multiplicación de ganancia en un chip

Cómo funcionan: Con el fin de superar algunas de las desventajas de los intensificadores de imagen , los fabricantes de detectores CCD de imagen han mejorado sustancialmente la sensibilidad de ciertos detectores CCD mediante la incorporación de una tecnología de multiplicación de ganancia en el chip para multiplicar la carga de fotones generados por encima de los niveles de ruido del detector . La multiplicación de ganancia se lleva a cabo después de que se han detectado los fotones en el área activa del dispositivo, pero antes de una de las fuentes principales de ruido del detector (por ejemplo, ruido de lectura).

En un nuevo registro de multiplicación, los electrones son acelerados de píxel a píxel mediante la aplicación de altos voltajes de reloj de CCD. Como resultado, electrones secundarios se generan a través de un proceso de impacto de ionización. La ganancia puede ser controlada mediante la variación de las tensiones de reloj.

Debido a que se produce un incremento de la señal antes de que la carga alcance el amplificador de lectura en el chip y se agregue a la fuente de ruido primaria, la relación de señal  a  ruido de este dispositivo se ha mejorado significativamente respecto a las cámaras CCD estándar y tiene rendimientos de desempeño de formación de imágenes bajo la luz muy superior a las cámaras CCD tradicionales. Sin embargo, puesto que la temperatura del CCD también afecta a la multiplicación de la ganancia en el chip (temperaturas más bajas producen mayor ganancia) y porque existen otras fuentes de ruido que se producen antes de la multiplicación (es decir, ruido oscuro ), es prudente en estos sistemas estabilizar  la temperatura en estos detectores a valores de temperatura alrededor o debajo de la temperatura ambiente.

Otro método para mejorar la sensibilidad de una cámara CCD es llevar a cabo un promedio para reducir el ruido ya sea temporariamente (donde se promedian los fotogramas de vídeo secuenciales) o espacialmente (donde los píxeles vecinos son combinados en un solo píxel o se añaden entre sí).

Ventajas y desventajas de las cámaras de multiplicación de ganancia en un chip

Ventajas :

  • Alta sensibilidad con poca luz.
  • Reducida probabilidad de daños en el detector de imágenes debido a la visualización de fuentes muy luminosas .
  • Capacidad de imagen a alta velocidad.
  • Buen rendimiento de imagen durante el día.

Desventajas:

  • Disipación de alta energía debido a la necesidad de tener un estabilizador de temperatura.
  • Saturación al ver fuentes brillantes en escenas oscuras.

Imagen térmica

A diferencia de los métodos de imagen de visión nocturna con poca luz (que requieren algo de luz ambiente con el fin de producir una imagen), los métodos de visión nocturna de imagen térmica no requieren luz ambiente en absoluto. Estos operan con el principio de que todos los objetos emiten energía infrarroja como una función de su temperatura. En general, cuanto más caliente está un objeto, más radiación emite. Una cámara termográfica es un producto que recoge la radiación infrarroja de los objetos en la escena y crea una imagen electrónica. Puesto que no dependen de la luz ambiental reflejada, las cámaras termográficas son totalmente independientes del nivel de luz ambiente.

Figura : Imágen térmica de una cebra

Además, también son capaces de penetrar oscurecedores tales como humo, niebla y la neblina. Hay dos tipos de detectores de imágenes térmicas: refrigerados y no refrigerados. Las cámaras detectoras de infrarrojos refrigeradas requieren refrigeración criogénica a temperaturas muy bajas (por debajo de 200K). Las cámaras detectoras de infrarrojos no refrigeradas son normalmente de temperatura estabilizada (a temperatura ambiente) o totalmente estabilizada.

Las imágenes térmicas son normalmente en blanco y negro en la naturaleza, donde los objetos negros son objetos fríos y los blancos son calientes. Algunas cámaras térmicas muestran las imágenes en color. Este falso color es una excelente manera de distinguir mejor entre los objetos a diferentes temperaturas.

Cámaras de infrarrojos de detector refrigerado

Cómo funcionan: los detectores infrarrojos refrigerados se encuentran típicamente encapsulados en una caja sellada al vacío y enfriada criogénicamente. Los diseños de detectores son similares a otros detectores de imágenes más comunes y utilizan materiales semiconductores. Sin embargo, es el efecto de la energía infrarroja absorbida la que causa cambios en la concentración de portadores de detectores que a su vez afectan a las propiedades eléctricas del detector. El enfriamiento de los detectores (típicamente a temperaturas por debajo de 110K , un valor mucho más bajo que la temperatura de objetos que están siendo detectados) aumenta en gran medida su sensibilidad. Sin refrigeración, los detectores serían inundados por su propia radiación.

Los materiales utilizados para la detección de infrarrojos incluyen una amplia gama de dispositivos semiconductores de hueco estrecho, donde el teluro de mercurio cadmio ( HgCdTe ) y antimonio de indio ( InSb ) son los más comunes .

Ventajas y desventajas de las cámaras de infrarrojo de detector refrigerado

Ventajas :

  • Tienen la sensibilidad térmica más alta posible
  • Capaces de detectar personas y vehículos a grandes distancias.
  • No se ven afectados por fuentes de luz brillante.
  • Capaces de captar imágenes de infrarrojos de alta velocidad.
  • Capaces de captar imágenes de infrarrojo multiespectral

Desventajas:

  • Son caras para comprar y operar.
  • Vida útil de funcionamiento de refrigerante limitada.
  • Pueden requerir varios minutos para enfriarse antes de empezar.
  • Tamaño voluminoso.

Cámaras de detector no refrigerado

CÓMO FUNCIONAN: A diferencia de los detectores enfriados criogénicamente descritos anteriormente, los detectores de infrarrojos no refrigerados operan en o cerca de la temperatura ambiente en lugar de ser enfriado a temperaturas extremadamente bajas por enfriadores criogénicos voluminosos y caros. Cuando la radiación infrarroja de escenas nocturnas es enfocada sobre los detectores no refrigerados, el calor absorbido provoca cambios en las propiedades eléctricas del material detector. Estos cambios son luego comparados con valores de referencia y se crea una imagen térmica. A pesar de una calidad de imagen menor que los detectores refrigerados, la tecnología de detector no refrigerado permite fabricar cámaras de infrarrojos más pequeñas y menos costosas y abre muchas aplicaciones comerciales viables.

Los detectores no refrigerados se basan principalmente en materiales que cambian sus propiedades eléctricas debido a los efectos piroeléctricos (capacitivo) o efectos microbolómetricos (resistivo).

Ventajas y desventajas de las cámaras de detector no refrigerado

Ventajas :

  • Relativamente baratas en comparación con otras tecnologías de imagen térmica.
  • Alto contraste en la mayoría de los escenarios nocturnos
  • Detecta fácilmente personas y vehículos
  • No es afectado por fuentes de luz brillante
  • Mayor fiabilidad que las cámaras termográficas de detectores enfriados

Desventajas:

  • Menos sensible que detectores refrigerados de cámaras termográficas.
  • No se pueden utilizar para aplicaciones de infrarrojos multiespectrales o de alta velocidad.

Iluminación cercana al infrarrojo

Un método popular, y a veces de bajo costo, para la obtención de la visión nocturna es por la iluminación con infrarrojo cercano. En este método, un dispositivo que es sensible a la radiación invisible cercana al infrarrojo se utiliza en conjunción con un iluminador de infrarrojos. La videocámara Night Shot de Sony popularizó este método. Debido a la sensibilidad del detector IR del CCD de la videocámara y, desde que Sony instaló una fuente de luz infrarroja en la cámara de vídeo, la iluminación infrarroja comenzó a estar disponible para aumentar escenas de vídeo con poca luz y producir una calidad de imagen razonable en situaciones de poca luz.
El método de la iluminación con infrarrojo cercano se ha utilizado en una variedad de aplicaciones de visión nocturna, incluyendo la protección de un perímetro, donde, mediante la integración con la detección de movimiento y dispositivos de análisis de escena inteligentes, un sistema de seguridad de vídeo con poca luz confiable puede ser desarrollado.

Iluminación IR

Cómo funcionan: Diferentes dispositivos de iluminación de infrarrojo cercano están disponibles hoy en día, incluyendo:

  • Lámparas incandescentes filtradas: es una lámpara estándar de alta potencia que está cubierta por un filtro infrarrojo diseñado para dejar pasar la radiación infrarroja cercana de la lámpara y bloquear el componente de la luz visible. Estos dispositivos normalmente tienen buenas propiedades de transferencia de calor dado que la luz visible intensa es absorbida y disipada internamente en forma de calor.
  • Iluminadores tipo LED: Estos iluminadores utilizan una matriz de LEDs emisores de infrarrojos estándar.
  • Tipo láser: Es el iluminador de infrarrojos más eficiente, estos dispositivos se basan en un diodo láser infrarrojo que emite energía en la franja infrarroja cercana.

Los iluminadores de infrarrojos cercano están típicamente disponibles en una gama de longitudes de onda (por ejemplo, 730 nm , 830 nm , 920 nm ). Al proporcionarse iluminación infrarroja adicional de una longitud de onda apropiada, no sólo se elimina la variabilidad de la luz ambiental disponible, sino que también le permite al observador iluminar sólo las áreas específicas de interés, a la vez que se eliminan sombras y se mejora el contraste de la imagen. La iluminación suplementaria con infrarrojo cercano no sólo mejora la calidad de los dispositivos intensificadores de imagen (que tienen una respuesta tanto el espectro visible como al infrarrojo cercano), sino que también permite el uso de cámaras de estado sólido, que también tienen la capacidad de convertir imágenes infrarrojas en visibles.

Ventajas y desventajas de la luminación infrarroja

Ventajas:

  • Más bajo costo en comparación con otras tecnologías de visión nocturna.
  • Capacidad de llevar a cabo la captura de vídeo a alta velocidad (como leer las matrículas de los vehículos en movimiento).
  • Los Iluminadores de infrarrojos pueden ver a través de la neblina durante la noche, la niebla, la lluvia y las nevadas, así como ventanas.
  • Eliminan la variabilidad de la luz ambiente.

Desventajas:

  • Los usuarios de los iluminadores infrarrojos pueden ser detectados por otros que tangan dispositivos de visualización en el infrarrojo cercano.

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