Vision nocturna
Visión nocturna es la capacidad de ver en condiciones de poca luz, ya sea de forma natural con visión escotópica o mediante un dispositivo de visión nocturna. La visión nocturna requiere tanto un rango espectral suficiente como un rango de intensidad suficiente. Los humanos tienen una visión nocturna deficiente en comparación con muchos animales como gatos, zorros y conejos, en parte porque el ojo humano carece de tapetum lucidum, tejido detrás de la retina que refleja la luz a través de la retina, lo que aumenta la luz disponible para los fotorreceptores.
Tipos de rangos
Rango espectral
Las técnicas de rango espectral útiles para la noche pueden detectar radiación que es invisible para un observador humano. La visión humana se limita a una pequeña porción del espectro electromagnético llamado luz visible. El rango espectral mejorado permite al espectador aprovechar las fuentes no visibles de radiación electromagnética (como la radiación ultravioleta o el infrarrojo cercano). Algunos animales, como el camarón mantis y la trucha, pueden ver usando mucho más el espectro infrarrojo y/o ultravioleta que los humanos.
Rango de intensidad
El rango de intensidad suficiente es simplemente la capacidad de ver con cantidades muy pequeñas de luz.
Muchos animales tienen una mejor visión nocturna que los humanos, como resultado de una o más diferencias en la morfología y anatomía de sus ojos. Estos incluyen tener un globo ocular más grande, una lente más grande, una apertura óptica más grande (las pupilas pueden expandirse hasta el límite físico de los párpados), más bastones que conos (o bastones exclusivamente) en la retina y un tapetum lucidum.
El rango de intensidad mejorado se logra a través de medios tecnológicos mediante el uso de un intensificador de imagen, CCD de multiplicación de ganancia u otros conjuntos de fotodetectores de muy bajo ruido y alta sensibilidad.
Visión nocturna biológica
Todas las células fotorreceptoras del ojo de los vertebrados contienen moléculas de proteína fotorreceptora, que es una combinación de la proteína fotopsina de las células de visión cromática, la rodopsina de las células de visión nocturna y la retina (una pequeña molécula fotorreceptora). El retinal sufre un cambio de forma irreversible cuando absorbe la luz; este cambio provoca una alteración en la forma de la proteína que rodea la retina, y esa alteración induce el proceso fisiológico que da como resultado la visión.
El retinal debe difundirse desde la célula de visión, fuera del ojo, y circular a través de la sangre hasta el hígado, donde se regenera. En condiciones de luz brillante, la mayor parte del retinal no está en los fotorreceptores, sino fuera del ojo. Se necesitan alrededor de 45 minutos de oscuridad para que todas las proteínas fotorreceptoras se recarguen con retinal activo, pero la mayor parte de la adaptación a la visión nocturna ocurre dentro de los primeros cinco minutos en la oscuridad. La adaptación da como resultado la máxima sensibilidad a la luz. En condiciones de oscuridad, solo los bastones tienen suficiente sensibilidad para responder y activar la visión.
La rodopsina en los bastones humanos es insensible a las longitudes de onda rojas más largas, por lo que tradicionalmente muchas personas usan la luz roja para ayudar a preservar la visión nocturna. La luz roja solo agota lentamente las reservas de rodopsina en los bastones y, en cambio, es vista por las células cónicas sensibles al rojo.
Otra teoría postula que, dado que las estrellas normalmente emiten luz con longitudes de onda más cortas, la luz de las estrellas estará en el espectro de color azul-verde. Por lo tanto, usar luz roja para navegar no desensibilizaría los receptores usados para detectar la luz de las estrellas.
Usar luz roja para la visión nocturna es menos eficaz para las personas con daltonismo rojo-verde, debido a su insensibilidad a la luz roja.
Muchos animales tienen una capa de tejido llamada tapetum lucidum en la parte posterior del ojo que refleja la luz a través de la retina, aumentando la cantidad de luz disponible para capturar, pero reduciendo la nitidez de el foco de la imagen. Esto se encuentra en muchos animales nocturnos y en algunos animales de aguas profundas, y es la causa del brillo de los ojos. Los humanos y los monos carecen de tapetum lucidum.
Los mamíferos nocturnos tienen bastones con propiedades únicas que hacen posible una visión nocturna mejorada. El patrón nuclear de sus bastones cambia poco después del nacimiento para invertirse. A diferencia de los bastones convencionales, los bastones invertidos tienen heterocromatina en el centro de sus núcleos y eucromatina y otros factores de transcripción a lo largo del borde. Además, la capa externa de células en la retina (la capa nuclear externa) en los mamíferos nocturnos es gruesa debido a los millones de bastones presentes para procesar las intensidades de luz más bajas. La anatomía de esta capa en los mamíferos nocturnos es tal que los núcleos de los bastones, de las células individuales, se apilan físicamente de tal manera que la luz pasará a través de ocho a diez núcleos antes de llegar a la porción fotorreceptora de las células. En lugar de dispersarse, la luz pasa a cada núcleo individualmente, mediante un fuerte efecto de lente debido a la inversión nuclear, saliendo de la pila de núcleos y entrando en la pila de diez segmentos exteriores fotorreceptores. El efecto neto de este cambio anatómico es multiplicar la sensibilidad a la luz de la retina por un factor de ocho a diez sin pérdida de enfoque.
Tecnologías de visión nocturna
Las tecnologías de visión nocturna se pueden dividir en términos generales en tres categorías principales: intensificación de imagen, iluminación activa e imágenes térmicas.
Intensificación de imagen
Esto aumenta la cantidad de fotones recibidos de diversas fuentes naturales, como la luz de las estrellas o la luz de la luna. Ejemplos de tales tecnologías incluyen gafas de noche y cámaras con poca luz. En el contexto militar, los intensificadores de imagen a menudo se denominan "TV con poca luz" ya que la señal de video a menudo se transmite a una pantalla dentro de un centro de control. Por lo general, se integran en un sensor que contiene detectores visibles e infrarrojos y las corrientes se usan de forma independiente o en modo fusionado, según los requisitos de la misión en cuestión.
El intensificador de imagen es un dispositivo basado en un tubo de vacío (tubo fotomultiplicador) que puede generar una imagen a partir de una cantidad muy pequeña de fotones (como la luz de las estrellas en el cielo) para que una escena con poca luz se pueda ver en en tiempo real a simple vista a través de la salida visual, o almacenados como datos para su posterior análisis. Si bien muchos creen que la luz se "amplifica" No lo es. Cuando la luz golpea una placa de fotocátodo cargada, los electrones se emiten a través de un tubo de vacío y golpean la placa de microcanal. Esto hace que la pantalla de imagen se ilumine con una imagen en el mismo patrón que la luz que incide en el fotocátodo y en una longitud de onda que el ojo humano puede ver. Esto es muy parecido a un televisor CRT, pero en lugar de pistolas de color, el fotocátodo emite.
Se dice que la imagen se "intensifica" porque la luz visible de salida es más brillante que la luz entrante, y este efecto se relaciona directamente con la diferencia entre las gafas de visión nocturna pasivas y activas. Actualmente, el intensificador de imagen más popular es el módulo ANVIS incorporado, aunque hay muchos otros modelos y tamaños disponibles en el mercado. Recientemente, la Marina de los EE. UU. anunció sus intenciones de adquirir una variante de dos colores del ANVIS para usar en la cabina de las plataformas aerotransportadas.
Iluminación activa
La iluminación activa combina la tecnología de intensificación de imágenes con una fuente activa de iluminación en la banda de infrarrojo cercano (NIR) o infrarrojo de onda corta (SWIR). Ejemplos de tales tecnologías incluyen cámaras con poca luz.
La visión nocturna infrarroja activa combina iluminación infrarroja con un rango espectral de 700 a 1000 nm (justo por encima del espectro visible del ojo humano) con cámaras CCD sensibles a esta luz. La escena resultante, que aparentemente es oscura para un observador humano, aparece como una imagen monocromática en un dispositivo de visualización normal. Debido a que los sistemas de visión nocturna por infrarrojos activos pueden incorporar iluminadores que producen altos niveles de luz infrarroja, las imágenes resultantes suelen tener una resolución más alta que otras tecnologías de visión nocturna. La visión nocturna infrarroja activa ahora se encuentra comúnmente en aplicaciones de seguridad comercial, residencial y gubernamental, donde permite obtener imágenes nocturnas efectivas en condiciones de poca luz. Sin embargo, dado que las gafas de visión nocturna pueden detectar la luz infrarroja activa, puede existir el riesgo de revelar la posición en operaciones militares tácticas.
La imagen controlada por rango láser es otra forma de visión nocturna activa que utiliza una fuente de luz pulsada de alta potencia para la iluminación y la imagen. Range gating es una técnica que controla los pulsos de láser junto con la velocidad de obturación de los detectores de la cámara. La tecnología de imágenes cerradas se puede dividir en disparo único, donde el detector captura la imagen de un solo pulso de luz, y disparo múltiple, donde el detector integra los pulsos de luz de múltiples tomas para formar una imagen. Una de las ventajas clave de esta técnica es la capacidad de realizar el reconocimiento de objetivos en lugar de la mera detección, como es el caso de las imágenes térmicas.
Visión térmica
Las imágenes térmicas detectan la diferencia de temperatura entre los objetos de fondo y de primer plano. Algunos organismos pueden detectar una imagen térmica cruda por medio de órganos especiales que funcionan como bolómetros. Esto permite la detección de infrarrojos térmicos en serpientes, que funciona mediante la detección de radiación térmica.
Las cámaras termográficas son excelentes herramientas para la visión nocturna. Detectan la radiación térmica y no necesitan una fuente de iluminación. Producen una imagen en las noches más oscuras y pueden ver a través de la niebla ligera, la lluvia y el humo (hasta cierto punto). Las cámaras termográficas hacen visibles las pequeñas diferencias de temperatura. Se utilizan ampliamente para complementar las redes de seguridad nuevas o existentes y para la visión nocturna en aeronaves, donde comúnmente se les conoce como "FLIR" (para "infrarrojos con visión de futuro"). Cuando se combinan con cámaras adicionales (por ejemplo, una cámara de espectro visible o SWIR), son posibles sensores multiespectrales que aprovechan los beneficios de las capacidades de cada banda de detección. Contrariamente a los conceptos erróneos retratados en los medios, las cámaras termográficas no pueden "ver" a través de objetos sólidos (paredes, por ejemplo), ni pueden ver a través de vidrio o acrílico, ya que ambos materiales tienen su propia firma térmica y son opacos a la radiación infrarroja de onda larga.
Dispositivos de visión nocturna
Historia
Antes de la introducción de los intensificadores de imagen, las gafas de noche eran el único método de visión nocturna y, por lo tanto, se utilizaban ampliamente, especialmente en el mar. Las gafas de noche de la época de la Segunda Guerra Mundial solían tener un diámetro de lente de 56 mm o más con un aumento de siete u ocho. Los principales inconvenientes de las gafas de noche son su gran tamaño y peso.
Tecnología actual
Un dispositivo de visión nocturna (NVD) es un dispositivo que consta de un tubo intensificador de imágenes en una carcasa rígida, comúnmente utilizado por las fuerzas militares. Últimamente, la tecnología de visión nocturna se ha vuelto más disponible para uso civil. Por ejemplo, los sistemas de visión mejorados (EVS) están disponibles para aeronaves, para aumentar la conciencia situacional de los pilotos para prevenir accidentes. Estos sistemas están incluidos en los últimos paquetes de aviónica de fabricantes como Cirrus y Cessna. La Marina de los EE. UU. ha comenzado a adquirir una variante integrada en una pantalla montada en un casco, producida por Elbit Systems.
Un tipo específico de NVD, las gafas de visión nocturna (NVG) es un dispositivo de visión nocturna con dos oculares. El dispositivo puede utilizar un tubo intensificador con la misma imagen enviada a ambos ojos o un tubo intensificador de imagen separado para cada ojo. Las gafas de visión nocturna combinadas con lentes de aumento constituyen binoculares de visión nocturna. Otros tipos incluyen dispositivos monoculares de visión nocturna con un solo ocular que pueden montarse en armas de fuego como visores nocturnos. Las tecnologías NVG y EVS son cada vez más populares entre las operaciones de helicópteros para mejorar la seguridad. La NTSB está considerando EVS como equipo recomendado para características de seguridad.
Los anteojos de noche son monoculares o binoculares con un objetivo de gran diámetro. Las lentes grandes pueden recoger y concentrar la luz, intensificando así la luz con medios puramente ópticos y permitiendo al usuario ver mejor en la oscuridad que a simple vista. A menudo, las gafas de noche también tienen una pupila de salida bastante grande de 7 mm o más para permitir que toda la luz acumulada entre en el ojo del usuario. Sin embargo, muchas personas no pueden aprovechar esto debido a la dilatación limitada de la pupila humana. Para superar esto, a los soldados a veces se les administraban gotas para los ojos de atropina para dilatar las pupilas.
Actualmente, el monocular PVS-14 es el dispositivo de visión nocturna preferido y más utilizado en las fuerzas de la OTAN. Es utilizado por el ejército de los Estados Unidos y es conocido por su bajo costo y su amplia gama de usos y capacidad de modificación. Algunos dispositivos de gama alta, incluidos el binocular PVS-31 y la visión nocturna de cuatro tubos GPNVG-18, son utilizados por grupos de fuerzas especiales, pero son costosos. Los monoculares son generalmente preferidos por fuerzas desarrolladas.
Los sistemas de visión nocturna también se pueden instalar en vehículos. Un sistema de visión nocturna automotriz se utiliza para mejorar la percepción del conductor del vehículo y ver la distancia en la oscuridad o con mal tiempo. Dichos sistemas suelen utilizar cámaras infrarrojas, a veces combinadas con técnicas de iluminación activa, para recopilar información que luego se muestra al conductor. Dichos sistemas se ofrecen actualmente como equipo opcional en ciertos vehículos premium.
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