Visión Nocturna

Tratamos de aclarar los conceptos, el funcionamiento y las características de los equipos de visión nocturna.

Es posible?

Realmente puedo ver en la oscuridad?

Probablemente, en lo primero que piensa cuando ve las palabras “visión nocturna” es en una película de espías o de acción en la que alguien se pone unas gafas de visión nocturna para encontrar a otro en un edificio oscuro con una noche sin luna. Seguramente se ha preguntado “¿Esas cosas funcionan de verdad? ¿Realmente puedes ver en la oscuridad?”

La respuesta es SÍ. Con el equipo adecuado de visión nocturna, puede ver a una persona de pie a 200 metros de distancia en una noche sin luna y nublada!

La visión nocturna puede funcionar de dos maneras diferentes según la tecnología utilizada.

  • Intensificación de imagen: funciona recogiendo las mínimas cantidades de luz, incluida la parte más próxima del espectro infrarrojo, que están presentes pero son imperceptibles para el ojo humano, y amplificándola hasta que la imagen se puede observar con facilidad.
  • Imagen térmica: esta tecnología funciona capturando el infrarrojo más lejano, el que es emitido como calor por los objetos en lugar de ser simple luz reflejada. Los objetos calientes, como los cuerpos, emiten mucha más luz infrarroja térmica que los árboles o los edificios.
La luz infrarroja

Para entender la visión nocturna es importante saber algo sobre la luz. La energía de una onda de luz depende de su longitud: cuanto más pequeña sea la onda más energía tendrá. De la luz visible, el violeta es el color con la máxima energía y el rojo el de la menor. a continuación del espectro visible está el espectro infrarrojo.

La luz infrarroja se puede dividir en tres categorías:

  • Infrarrojo próximo: es el más cercano a la luz visible y tiene longitudes de onda entre 0.7 y 1.3 micras (700nm a 1300nm).
  • Infrarrojo intermedio: tiene longitudes de onda entre 1.3 y 3 micras (1300nm a 3000nm). Ambos espectros, el infrarrojo próximo y el intermedio, se utilizan con frecuencia para equipos electrónicos, incluyendo mandos a distancia.
  • Infrarrojo térmico: es el rango que ocupa la mayor parte del espectro infrarrojo, desde las 3 micras hasta más de 30 micras.

La diferencia fundamental entre el Infrarrojo térmico y los otros dos es que este es emitido por el objeto en lugar de reflejado por él. La luz infrarroja térmica emitida por un objeto se debe a su actividad a nivel atómico (temperatura).

Átomos

Los átomos están en constante movimiento. Vibran de manera continua, se mueven y rotan. Incluso los átomos de la silla en la que estamos sentados se mueven. Los cuerpos sólidos están en movimiento! Los átomos pueden estar en diferentes estados de excitación. En otras palabras, pueden tener diferentes energías. Si le damos mucha energía a un átomo, puede pasar de su nivel básico a un nivel excitado. El nivel de excitación del átomo depende de la cantidad de energía que se le induzca por calor, luz o electricidad.

Cada átomo tiene un núcleo (con protones y neutrones) y una nube de electrones. Piense que los electrones de esa nube giran alrededor del núcleo en muchas órbitas diferentes. A pesar de que las teorías modernas no establecen órbitas concretas para los electrones, es más sencillo pensar que cada órbita se corresponde con un nivel de energía del átomo. En otras palabras: si aplicamos calor a un átomo, debemos esperar que algunos de los electrones que están en órbitas de baja energía de desplazarán a órbitas de más energía, alejándose del núcleo.

Cuando un electrón se mueve a una órbita de mayor energía, normalmente tiende a volver a su nivel de menor energía. Cuando lo hace, libera su energía en un fotón (una partícula de luz). Se pueden ver átomos liberando energía en forma de fotones constantemente. Por ejemplo, cuando la resistencia de una tostadora se pone rojo brillante, el color rojo se debe a los átomos excitados por el calor y liberando fotones rojos. Un electrón excitado tiene más energía que otro en su estado básico y, de la misma manera que absorbió energía para subir de estado, puede liberarla al volver al nivel inferior. La energía liberada lo hace en forma de fotones (energía lumínica). El fotón emitido tiene una determinada longitud de onda (color) que depende del estado de energía del electrón cuando lo genera.

Cualquier cosa que está viva utiliza energía y lo mismo ocurre con objetos como motores o cohetes. El consumo de energía genera calor. Como consecuencia, el calor de los átomos de un objeto emite fotones en el espectro infrarrojo más lejano, el térmico. Cuanto más caliente esté el objeto, menor será la longitud de onda del fotón liberado. Un objeto muy caliente puede llegar a emitir fotones en el espectro visible, empezando por el rojo y, progresivamente, pasar al naranja, amarillo, azul y, eventualmente, blanco.

En visión nocturna, la imagen termográfica se genera a partir de esta emisión de fotones infrarrojos.

Siga leyendo para saber como ocurre.

Imagen térmica

Así funciona la imagen térmica:

  1. Una lente especial enfoca la luz infrarroja emitida por todos los objetos de la imagen.
  2. La luz enfocada es escaneada por una matriz de elementos detectores de infrarrojos. los elementos del detector crean una imagen muy detallada llamada termografía. El detector apenas tarda tres centésimas de segundo en recopilar la información de temperatura necesaria para componer la termografía. Esta información se obtiene de varias decenas de miles de puntos del sensor.
  3. La termografía creada por los elementos del sensor se convierten en impulsos eléctricos.
  4. Esos impulsos se envían a un procesador, una placa de circuito con un chip dedicado que convierte la información de los elementos del sensor en datos para la pantalla.

Es muy fácil ver durante el día…

…por la noche se puede ver muy poco.

Las imágenes térmicas nos permiten volver a ver.

La mayoría de los equipos de imagen térmica refrescan la imagen 30 veces por segundo. Pueden medir temperaturas desde -20ºC hasta 2.000ºC y pueden, normalmente, detectar diferencias de 0,2ºC.

Hay dos tipos de equipos de imagen térmica:

  • No refrigerados – Son los equipos de imagen térmica más frecuentes. Los elementos del sensor de infrarrojo forman una unidad que funciona a temperatura ambiente. Este tipo de equipos son totalmente silenciosos, se encienden enseguida y llevan la batería dentro.
  • Refrigerados – Más caros y más expuestos a daños en usos de campo, estos equipos llevan el sensor encapsulado para refrigerarlo por debajo de los 0ºC. La ventaja de estos equipos es la increíble resolución y sensibilidad que se consiguen enfriando los elementos. Los equipos refrigerados pueden “ver” diferencias de temperatura tan pequeñas como 0,1ºC a más de 300m lo que permite saber si un hombre lleva un arma a esa distancia!

La termografía es magnífica para detectar personas o trabajar en condiciones de oscuridad absoluta, sin embargo, la mayoría de los equipos de visión nocturna utilizan tecnología de intensificación de imagen.

Intensificación de Imagen

Cuando se habla de visión nocturna la mayoría de la gente piensa en la intensificación de imagen. De hecho, los intensificadores de imagen son los que normalmente se llaman equipos de visión nocturna (DVN, NVD en inglés). Los DVN se basan en un tubo especial, llamado tubo de intensificación de imagen, para recoger y amplificar la luz infrarroja y visible.

Así funciona la intensificación de imagen:

  1. Una lente convencional, llamada objetivo, captura la luz ambiente y algo del infrarrojo próximo.
  2. La luz capturada se envía al tubo intensificador de imagen. En la mayoría de los DVN, la fuente de alimentación recibe corriente de dos pilas “AA” de voltio y medio o de una pila CR123 de tres voltios. Esta tensión se se eleva a unos 5.000 Voltios para alimentar el tubo de imagen.
  3. El tubo intensificador tiene un foto cátodo que se utiliza para convertir los fotones de luz en electrones.
  4. Cuando los electrones pasan por el tubo, otros electrones se liberan de los átomos que lo forman, multiplicando su cantidad original por miles al utilizar una placa micro-canal (MCP en inglés). Una MCP el un cristal diminuto que tiene millones de agujeros microscópicos (micro-canales) en él, hecho con tecnología de fibra óptica. El MCP está está al vacío y tiene electrones metálicos a ambos lados del disco. Cada canal es unas 45 veces más largo que su anchura y funciona como un multiplicador de electrones. Cuando los electrones del foto-cátodo chocan con el primer electrodo de la MCP, se aceleran en los micro-canales por los 5.000 Voltios que hay entre ambos electrodos. Cuando los electrones pasan por los micro-canales, desprenden miles de electrones en su canal provocando lo que se llama una emisión secundaria en cascada.Básicamente, los electrones que entran chocan con los laterales del canal y ocasionan el desprendimiento de más electrones. Estos nuevos electrones, a su vez, chocan con otros átomos y provocan una reacción en cadena que termina en decenas de miles de electrones donde sólo entraron unos pocos. Una cosa interesante es que la MCP se fabrica con muy poco ángulo (entre 5 y 8 grados de paso) para asegurar la entrada de los electrones y reducir los rebotes de iones o luz directa desde el lado de la salida.
  5. En la salida del tubo intensificador los electrones chocan con una pantalla cubierta de fósforo. Esos electrones mantienen su posición respecto al al canal por el que pasaron por lo que generan una imagen perfecta al mantener la misma alineación que los fotones que los originaron. La energía de esos electrones que chocan desprenden, en el fósforo, unos nuevos fotones. Ese fósforo crea una nueva imagen verde (puede ser blanca y de otros tonos) que es característica de la visión nocturna.
  6. La imagen de fósforo verde se puede ver a través de otra lente, llamada ocular, que que permite ampliarla y enfocarla. El equipo puede ser conectado a una pantalla electrónica, como un monitor, o la imagen se puede ver directamente con el ocular.
Generaciones

Los NVD (Equipos de Visión Nocturna en inglés) han estado con nosotros desde hace más de setenta años. Se dividen en generaciones. Cada cambio importante en la tecnología utilizada es una nueva generación.

  • Generación 0 – El sistema original de visión nocturna creado por el ejército de los Estados Unidos, utilizado en la Segunda Guerra Mundial y en la Guerra de Corea, utilizaba infrarrojo activo. Eso implica que un proyector, llamado iluminador IR, forma parte del NVD (como la mal llamada visión nocturna digital). El equipo proyecta un haz de luz infrarroja próxima, parecido al de una linterna normal. Invisible para el ojo humano, ese haz se refleja en los objetos y rebota hacia la óptica del NVD. Este sistema utiliza un ánodo y un cátodo para acelerar los electrones. El problema de esa idea es que la aceleración de los electrones distorsiona la imagen y reduce mucho la vida del tubo. Otro problema importante es que esta tecnología, en su origen militar, fue copiada rápidamente por los países enemigos y permitía a su tropas utilizar sus propios equipos para detectar y neutralizar a sus observadores.
  • Generación 1 – La siguiente generación de NVD dejó el infrarrojo activo para utilizar el infrarrojo pasivo en su lugar. Una vez el ejército de Estados Unidos empezó a utilizar la luz de las estrellas y de la luna, los NVD evolucionaron. Eso significaba que ya no necesitaban una fuente de luz infrarroja. Por contra, no funcionaba nada bien con nubes o sin luna. La Generación-1 utiliza la misma tecnología que la Generación-0, las dos con cátodo y ánodo así que la distorsión de la imagen sigue siendo un problema.
  • Generación 2 – Las mayores mejoras en NVD llegaron con con los NVD de de segunda generación. Ofrecen una resolución y prestaciones muy superiores a la primera generación y son muchísimo más fiables. El mayor beneficio es la capacidad para ver en condiciones de casi absoluta oscuridad, como las noches sin luna. Este incremento de sensibilidad se debe a la incorporación de la placa multicanal (MCP en inglés).  Como la MCP incrementa el número de electrones en lugar de sólo acelerar los que llegan, la imagen está mucho menos distorsionada y es más brillante que en las generaciones anteriores.
  • Generación 3 – La tercera generación es la utilizada en la actualidad por el ejército de los Estados Unidos. En Europa se siguen utilizando equipos de segunda generación con prestaciones muy similares. Aunque no hay grandes diferencias de tecnología entre la segunda y la tercera generación, se consigue algo más de sensibilidad y resolución (algo que no es cierto en muchos casos). Esto se debe a que el foto-cátodo está fabricado con arseniuro de Galio, que es muy eficaz convirtiendo fotones en electrones. Además, el MCP está cubierto de con una barrera de iones, lo cual incrementa mucho la vida del tubo*.
  • Generación 4No existe. Se trata de un desarrollo fallido de de tubos “sin barrera y autorregulados”. La teoría era quitarle a los tubos de tercera generación la barrera de iones del MCP y mejorar la relación señal ruido. En teoría, quitar esa barrera aumenta el número de electrones que entran y la imagen es más brillante. Lo cierto es que el proyecto se abandonó porque se generaba mucho ruido y la imagen se distorsionaba: más sensibilidad, peor imagen. actualmente están llamando cuarta generación a tubos de tercera generación (pueden ser también de segunda generación) de los llamados “autogated”, autorregulados, con una fuente de alimentación capaz de encenderse y apagarse en mili-segundos para adaptarse a las condiciones de luz. Esta capacidad es esencial en la actualidad porque permite al usuario de NVD pasar de la oscuridad a la luz del día y viceversa sin dejar de ver. Por ejemplo, piense en una película en la que un agente está sentado con sus gafas de visión nocturna en la más absoluta oscuridad y “el malo” enciende la luz. Con los nuevos equipos, autorregulados (autogated) el cambio de luz apenas tendría consecuencias, sus gafas se adaptarían a la nueva situación en décimas de segundo, viviría.

La mayoría de los equipos de visión nocturna “económicos” utilizan Generación-1, Generación-2 o son “digitales”. Seguro que serán decepcionantes para cualquier usuario profesional o mínimamente exigente. Generación-2, Generación-3 y la mal llamada Generación-4 son, normalmente, bastante más caros al comprarlos pero duran mucho más si se los cuida. En cualquier caso, un iluminador IR siempre ayuda en situaciones límite sin luz.

Una cosa importante que debe saber es que cada uno de los tubos de visión nocturna que se fabrica pasa por un riguroso control de calidad en el que se comprueba si cumple todas las exigencias para ser considerado militar. Los tubos que no se clasifican como militares (MILSPEC), aunque sea por lo más mínimo, se consideran comerciales (COMSPEC).

La mayoría de los tubos que se venden en España no cumplen especificaciones militares, por precio y por problemas de importación y distribución. Se pueden comprar pero su coste es sensiblemente superior.

* Este artículo está traducido, en su mayoría, de fuentes norte americanas, país en el que sólo se utilizan tubos de tercera generación. Los tubos de segunda generación de gama alta tienen prestaciones similares y son los preferidos en Europa.

Equipos y aplicaciones

Los equipos de visión nocturna se pueden dividir en tres grandes categorías:

  1. Visores (Scopes en inglés) – Normalmente de mano o montados sobre un arma, son monoculares (para un sólo ojo). Como los visores son de mano, no se llevan como unas gafas (en usos profesionales sí), son ideales para conseguir ver algo mejor y luego volver a las condiciones normales.
  2. Gafas (Goggles en inglés) – Aunque las gafas se pueden llevar en la mano, lo normal es utilizarlas con un arnés de cabeza o de casco para tener las manos libres. Las gafas son binoculares (para los dos ojos) y pueden tener un sólo tubo o dos, dependiendo del modelo. Para conducir, caminar o correr es importante que sean de dos tubos porque permiten calcular las distancias. Las gafas son ideales para vigilancia continua, como una patrulla o el control de zonas urbanas.
  3. Cámaras – las cámaras con visión nocturna pueden enviar la imagen a un monitor para verlas o para grabarlas. Cuando se necesita vigilancia permanente en un lugar, como un edificio o un helicóptero, se utilizan cámaras. Muchos grabadores de vídeo estás ya preparados para ello.

¿Ha aprendido algo?

Debajo tiene un test sencillo para saber si puede defenderse en una conversación de amigos.

Cual de las siguientes respuestas es correcta?

Test de visión nocturna

Los equipos de visión nocturna se utilizan para ver en la oscuridad.

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