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Visión nocturna

Dos soldados estadounidenses fotografiados durante la invasión de Irak en 2003, vistos a través de un intensificador de imagen . La visión nocturna es la capacidad de ver en con...

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Dos soldados estadounidenses fotografiados durante la invasión de Irak en 2003, vistos a través de un intensificador de imagen .

La visión nocturna es la capacidad de ver en condiciones de poca luz, ya sea de forma natural con la visión escotópica o mediante un dispositivo de visión nocturna . La visión nocturna requiere un rango espectral y un rango de intensidad suficientes . Los humanos tienen una visión nocturna deficiente en comparación con muchos animales como gatos , perros , zorros y conejos , en parte porque el ojo humano carece de tapetum lucidum , [ 1 ] tejido situado detrás de la retina que refleja la luz a través de ella, aumentando así la luz disponible para los fotorreceptores.

Tipos de rangos

Rango espectral

El espectro electromagnético , con la porción visible resaltada.

Las técnicas de rango espectral útiles para la visión nocturna permiten detectar radiación invisible para el ojo humano. La visión humana se limita a una pequeña porción del espectro electromagnético llamada luz visible . Un rango espectral ampliado permite al observador aprovechar fuentes de radiación electromagnética no visibles (como la radiación infrarroja cercana o ultravioleta ). Algunos animales, como la gamba mantis y la trucha, pueden ver utilizando una porción mucho mayor del espectro infrarrojo y/o ultravioleta que los humanos. [ 2 ]

Rango de intensidad

Un rango de intensidad suficiente es simplemente la capacidad de ver con cantidades muy pequeñas de luz. [ 3 ]

Muchos animales tienen mejor visión nocturna que los humanos, como resultado de una o más diferencias en la morfología y anatomía de sus ojos. Estas incluyen un globo ocular más grande, un cristalino más grande, una apertura óptica mayor (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 .

Se logra un rango de intensidad mejorado mediante medios tecnológicos a través del uso de un intensificador de imagen , un 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 en las células de la visión del color , la rodopsina en las células de la visión nocturna y el retinal (una pequeña molécula fotorreceptora). El retinal experimenta un cambio irreversible de forma al absorber luz; este cambio provoca una alteración en la forma de la proteína que rodea al retinal, y dicha alteración induce el proceso fisiológico que da lugar a la visión.

El retinal debe difundirse desde la célula visual, salir del ojo y circular por la sangre hasta el hígado, donde se regenera. En condiciones de luz brillante, la mayor parte del retinal no se encuentra en los fotorreceptores, sino fuera del ojo. Se necesitan aproximadamente 45 minutos de oscuridad para que todas las proteínas de los fotorreceptores se recarguen con retinal activo, pero la mayor parte de la adaptación a la visión nocturna ocurre durante los primeros cinco minutos en la oscuridad. [ 4 ] La adaptación da como resultado una sensibilidad máxima a la luz. En condiciones de oscuridad, solo las células bastón tienen la sensibilidad suficiente para responder y desencadenar la visión.

Espectros de absorción normalizados de las tres fotopsinas humanas y de la rodopsina humana (línea discontinua). Dibujado a partir de Bowmaker y Dartnall (1980). [ 5 ]

La rodopsina en los bastones humanos es insensible a las longitudes de onda rojas más largas , por lo que tradicionalmente muchas personas usan 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 percibida por las células cono sensibles al rojo .

Otra teoría postula que, dado que las estrellas suelen emitir luz con longitudes de onda más cortas, la luz estelar se encuentra en el espectro de color azul-verde. Por lo tanto, usar luz roja para navegar no desensibilizaría los receptores utilizados para detectar la luz estelar. [ 6 ] [ 7 ]

Muchos animales poseen 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 su captación, pero reduciendo la nitidez del enfoque de la imagen. Esta capa se encuentra en muchos animales nocturnos y algunos animales de las profundidades marinas , y es la causa del brillo ocular. Los humanos y los monos carecen de tapetum lucidum . [ 8 ] [ 9 ]

La pupila del ojo se dilata en la oscuridad para mejorar la visión nocturna. Aquí se muestra la pupila de un adulto, naturalmente dilatada a 9 mm de diámetro en condiciones de luz mesópica . El ojo humano promedio no puede dilatarse hasta este punto sin el uso de midriáticos.

Los mamíferos nocturnos poseen bastones con propiedades únicas que les permiten una visión nocturna mejorada. El patrón nuclear de sus bastones cambia poco después del nacimiento, invirtiéndose. A diferencia de los bastones convencionales, los bastones invertidos presentan heterocromatina en el centro de sus núcleos y eucromatina y otros factores de transcripción en el borde. Además, la capa externa de células de la retina (la capa nuclear externa ) en los mamíferos nocturnos es gruesa debido a los millones de bastones presentes para procesar las bajas intensidades de luz. La anatomía de esta capa en los mamíferos nocturnos es tal que los núcleos de los bastones, de células individuales, se apilan físicamente de manera que la luz pasa a través de ocho a diez núcleos antes de llegar a la porción fotorreceptora de las células. En lugar de dispersarse, la luz se transmite 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 externos 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. [ 10 ]

La dilatación pupilar es un proceso biológico que contribuye en menor medida a la visión nocturna. En los humanos, el iris puede ajustar el tamaño de la pupila desde 2 mm con luz brillante hasta 8 mm en la oscuridad, aunque esto varía según la persona y la edad, disminuyendo el diámetro máximo de la pupila con la edad. Sin embargo, algunas personas son capaces de dilatar sus pupilas a más de 9 mm de diámetro en la oscuridad, lo que les proporciona una mejor visión nocturna.

Tecnologías de visión nocturna

Película del Ejército de los Estados Unidos de 1974 sobre el desarrollo de la tecnología de visión nocturna militar.

Las tecnologías de visión nocturna se pueden dividir en tres categorías principales: intensificación de imagen , iluminación activa e imagen térmica . También está surgiendo la visión nocturna digital, que utiliza sensores de imagen CMOS de alta sensibilidad con un sistema de paso directo.

intensificación de imagen

Esto multiplica la cantidad de fotones recibidos de diversas fuentes naturales, como la luz de las estrellas o de la luna. Ejemplos de estas tecnologías incluyen gafas de visión nocturna y cámaras de baja luminosidad. En el contexto militar, los intensificadores de imagen suelen denominarse "televisión de baja luminosidad", ya que la señal de vídeo se transmite a menudo a una pantalla en un centro de control. Estos suelen estar integrados en un sensor que contiene detectores de luz visible e infrarroja, y las señales se utilizan de forma independiente o combinada, según los requisitos de la misión. [ 11 ]

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), de modo que una escena con poca luz pueda ser vista en tiempo real a simple vista mediante una salida visual, o almacenada como datos para su posterior análisis. Cuando la luz incide sobre una placa fotocátodo cargada , esta emite electrones en un tubo de vacío donde inciden sobre una placa de microcanales y se multiplican antes de llegar a la pantalla de fósforo. Esto hace que la pantalla se ilumine con una imagen que sigue el mismo patrón que la luz que incide sobre el fotocátodo y en una longitud de onda que el ojo humano puede ver. Esto es muy similar a un televisor CRT , pero en lugar de cañones de color, el fotocátodo es el que emite la luz.

Se dice que la imagen se "intensifica" porque la luz visible emitida es más brillante que la luz incidente, y este efecto se relaciona directamente con la diferencia entre las gafas de visión nocturna pasivas y activas . Actualmente, los formatos de intensificador de imagen más populares son el MX-10160 o el MX-11769 , aunque existen muchos otros modelos y tamaños disponibles en el mercado. [ 12 ]

visión nocturna digital

La visión nocturna digital suele basarse en sensores de imagen CMOS retroiluminados de alta sensibilidad, también llamados a veces sCMOS (CMOS científico). Su sensibilidad puede superar la del ojo humano. [ 13 ] Estos sensores se pueden montar en la cabeza en gafas de visión nocturna y miras telescópicas , pero también se utilizan en sistemas de cámaras de seguridad , astronomía y microscopía . [ 14 ] Se puede utilizar iluminación infrarroja, pero no es necesaria para su funcionamiento.

Iluminación activa

Mira telescópica M3 del Cuerpo de Marines de EE. UU. montada en una carabina M3 . Introducida durante la Guerra de Corea , fue uno de los primeros equipos de visión nocturna infrarroja activa, alimentado por una batería grande de 12 voltios, que se transportaba en una mochila de lona engomada.
Un tanque M60 con un reflector infrarrojo montado en el cañón.

La iluminación activa combina la tecnología de intensificación de imagen con una fuente de iluminación activa en la banda del infrarrojo cercano (NIR) o del infrarrojo de onda corta (SWIR). Un ejemplo de estas tecnologías son las cámaras de baja luminosidad.

La visión nocturna infrarroja activa combina la iluminación infrarroja del rango espectral de 700 a 1000  nm (justo por encima del espectro visible del ojo humano) con sensores o cámaras CCD sensibles a esta luz. La escena resultante aparece como una imagen monocromática en un dispositivo de visualización normal. [ 15 ] Debido a que los sistemas de visión nocturna infrarroja activa pueden incorporar iluminadores que producen altos niveles de luz infrarroja, las imágenes resultantes suelen tener una resolución mayor que otras tecnologías de visión nocturna. [ 16 ] [ 17 ] La visión nocturna infrarroja activa se encuentra ahora comúnmente en aplicaciones de seguridad comerciales, residenciales y gubernamentales, donde permite la obtención de imágenes nocturnas efectivas en condiciones de poca luz. Sin embargo, dado que la luz infrarroja activa puede ser detectada por las gafas de visión nocturna, puede existir el riesgo de revelar la posición en operaciones militares tácticas.

La imagen con control de rango láser es otra forma de visión nocturna activa que utiliza una fuente de luz pulsada de alta potencia para la iluminación y la formación de imágenes. El control de rango es una técnica que regula los pulsos láser junto con la velocidad de obturación de los detectores de la cámara. [ 18 ] La tecnología de imagen con control de rango se puede dividir en disparo único , donde el detector captura la imagen a partir de un solo pulso de luz, y disparo múltiple , donde el detector integra los pulsos de luz de varios disparos para formar una imagen. Una de las principales ventajas de esta técnica es la capacidad de realizar el reconocimiento de objetivos en lugar de la mera detección, como ocurre con la imagen térmica.

visión térmica

La termografía detecta la diferencia de temperatura entre los objetos del fondo y los del primer plano. Algunos organismos son capaces de percibir una imagen térmica aproximada mediante órganos especiales que funcionan como bolómetros . Esto permite la detección térmica infrarroja en las serpientes , que funciona detectando la radiación térmica.

Las cámaras termográficas son herramientas excelentes para la visión nocturna. Detectan la radiación térmica y no necesitan una fuente de iluminación. Producen imágenes incluso en la oscuridad más absoluta y pueden ver a través de niebla ligera, lluvia y humo (hasta cierto punto). Las cámaras termográficas hacen visibles pequeñas diferencias de temperatura. Se utilizan ampliamente para complementar redes de seguridad nuevas o existentes, y para la visión nocturna en aeronaves, donde se las conoce comúnmente como "FLIR" (por "infrarrojo de visión frontal"). Al combinarse con cámaras adicionales (por ejemplo, una cámara de espectro visible o SWIR), es posible crear sensores multiespectrales que aprovechan las ventajas de las capacidades de cada banda de detección. Contrariamente a las ideas erróneas difundidas en los medios, las cámaras termográficas no pueden "ver" a través de objetos sólidos (paredes, por ejemplo), ni a través del vidrio o el 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 nocturnas eran el único método de visión nocturna y, por lo tanto, se utilizaban ampliamente, especialmente en el mar. Las gafas nocturnas 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 nocturnas son su gran tamaño y peso.

Tecnología actual

Gafas binoculares de visión nocturna montadas en un casco de vuelo. El color verde de las lentes del objetivo es el reflejo de los filtros de interferencia de luz, no un brillo.

Un dispositivo de visión nocturna (DVN) es un aparato que consta de un tubo intensificador de imagen en una carcasa rígida, comúnmente utilizado por las fuerzas armadas . Últimamente, la tecnología de visión nocturna se ha vuelto más accesible para uso civil. Por ejemplo, los sistemas de visión mejorada (EVS) están disponibles para aeronaves, con el fin de aumentar la percepción del entorno de los pilotos y prevenir accidentes. Estos sistemas se incluyen en los paquetes de aviónica más recientes de fabricantes como Cirrus y Cessna . La Armada de los Estados Unidos ha comenzado la adquisición de una variante integrada en una pantalla montada en el casco, fabricada por Elbit Systems.

Un tipo específico de dispositivo de visión nocturna (NVD), las gafas de visión nocturna (NVG), son dispositivos con dos oculares. Pueden utilizar un tubo intensificador que envía la misma imagen a ambos ojos, o bien un tubo intensificador independiente para cada ojo. Las gafas de visión nocturna combinadas con lentes de aumento forman los binoculares de visión nocturna. Otros tipos incluyen dispositivos monoculares con un solo ocular, que pueden montarse en armas de fuego como miras nocturnas. Las tecnologías NVG y EVS se están popularizando en las operaciones con helicópteros para mejorar la seguridad. La NTSB considera las EVS como equipo recomendado por sus características de seguridad.

Las gafas nocturnas son monoculares o binoculares con un objetivo de gran diámetro. Sus grandes lentes captan y concentran la luz, intensificándola mediante un mecanismo puramente óptico y permitiendo al usuario ver mejor en la oscuridad que a simple vista. A menudo, también cuentan con una pupila de salida bastante grande , de 7  mm o más, para que toda la luz captada entre en el ojo del usuario. Sin embargo, muchas personas no pueden aprovechar esta ventaja debido a la limitada dilatación de la pupila humana . Para solucionar este problema, a los soldados se les administraban a veces gotas oftálmicas de atropina para dilatar las pupilas.

Actualmente, el monocular PVS-14 es el dispositivo de visión nocturna más utilizado y preferido en las fuerzas de la OTAN. El ejército de Estados Unidos lo utiliza y se caracteriza por su bajo costo, su amplia gama de usos y su capacidad de modificación. Algunos dispositivos de gama alta, como los binoculares PVS-31 y el sistema de visión nocturna de cuatro tubos GPNVG-18, son utilizados por grupos de fuerzas especiales, pero resultan costosos. En general, las fuerzas desarrolladas prefieren los monoculares.

Los sistemas de visión nocturna también se pueden instalar en vehículos. Un sistema de visión nocturna para automóviles se utiliza para mejorar la percepción y la distancia de visión del conductor en la oscuridad o con mal tiempo. Estos sistemas suelen utilizar cámaras infrarrojas, a veces combinadas con técnicas de iluminación activa, para recopilar información que luego se muestra al conductor. Actualmente, estos sistemas se ofrecen como equipamiento opcional en ciertos vehículos de gama alta.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Chijiiwa, Taeko; Ishibashi, Tatsuro; Inomata, Hajime (1990). "Estudio histológico de los melanocitos coroideos en animales con tapetum lucidum cellulosum (resumen)". Graefe's Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology . 228 (2): 161– 168. doi : 10.1007/BF00935727 . PMID 2338254 . S2CID 11974069 .  
  2. ↑ Milius, Susan (2012). "Prueba de visión cromática del camarón mantis flub". Science News . 182 (6): 11. doi : 10.1002/scin.5591820609 . JSTOR 23351000 . 
  3. ↑ "El ojo humano y los fotones individuales" .
  4. ↑ "Recepción sensorial: Visión humana: Estructura y función del ojo humano" vol. 27, pág. 179 Encyclopædia Britannica, 1987
  5. ↑ Bowmaker, JK; Dartnall, HJ (1 de enero de 1980). "Pigmentos visuales de bastones y conos en una retina humana" . The Journal of Physiology . 298 (1): 501– 511. doi : 10.1113/jphysiol.1980.sp013097 . PMC 1279132. PMID 7359434 .  
  6. ↑ Luria, SM; Kobus, DA (abril de 1985). "Visibilidad inmediata tras la adaptación al rojo y al blanco" (PDF) . Base de submarinos, Groton, CT: Laboratorio de Investigación Médica de Submarinos Navales (publicado el 26 de abril de 1985). Archivado del original (PDF) el 1 de diciembre de 2012. Recuperado el 25 de marzo de 2012 .{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  7. ↑ Luria, SM; Kobus, DA (julio de 1984). "LA EFICACIA RELATIVA DE LA LUZ ROJA Y BLANCA PARA LA ADAPTACIÓN A LA OSCURIDAD POSTERIOR" . Base Submarina, Groton, CT: Laboratorio de Investigación Médica Submarina Naval (publicado el 3 de julio de 1984).{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  8. ↑ Forrest M. Mims III (2013-10-03). "Cómo hacer y usar retroreflectores" . Make . Consultado el 2017-10-21 .
  9. ↑ J. van de Kraats y D. van Norren: "Reflexión espectral direccional y no direccional de la fóvea humana" J.Biomed. Óptica, 13, 024010, 2008
  10. ↑ Solovei, I.; Kreysing, M.; Lanctôt, C.; Kösem, S.; Peichl, L.; Cremer, T.; et al. (16 de abril de 2009). "La arquitectura nuclear de las células fotorreceptoras de bastón se adapta a la visión en la evolución de los mamíferos" . Cell . 137 (2): 945– 953. doi : 10.1016/j.cell.2009.01.052 . PMID 19379699 .  
  11. ↑ "Sistemas de puntería multiespectral (MTS) de Raytheon" . Archivado del original el 3 de septiembre de 2017. Consultado el 26 de mayo de 2015 .
  12. ↑ "Copia archivada" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 4 de marzo de 2016. Consultado el 26 de mayo de 2015 .{{cite web}}: CS1 mantenimiento: copia archivada como título ( enlace )
  13. ↑ "Tecnología de sensor de imagen para cámaras de seguridad STARVIS™/ STARVIS 2" . Sony Semiconductor Solutions Group . Consultado el 2 de febrero de 2025 .
  14. ↑ "¿Qué es una cámara CMOS científica? - Oxford Instruments" . Oxford Instruments . Consultado el 2 de febrero de 2025 .
  15. ↑ «Indir mp3 de YouTube» . mp3video.org .
  16. ↑ "Infrarrojo térmico vs. infrarrojo activo: una nueva tecnología comienza a comercializarse" . Archivado del original el 17 de enero de 2010.
  17. ↑ "Sistemas de videovigilancia CCTV extremos" . Archivado del original el 5 de abril de 2008. Consultado el 24 de enero de 2008 .
  18. ↑ J. Bentell; P. Nies; J. Cloots; J. Vermeiren; B. Grietens; O. David; A. Shurkun; R. Schneider. "ARRAYS DE FOTODIODOS DE INGAaS CON CHIPPING INFLIP PARA IMAGEN CON REGULACIÓN DE VELOCIDAD CON LÁSERES SEGUROS PARA LOS OJOS" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 5 de febrero de 2018. Consultado el 14 de marzo de 2010 .{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  • Dirección de Visión Nocturna y Sensores Electrónicos - Fort Belvoir, Virginia
  • Demostración de visión nocturna para automóviles

Patentes

  • Telescopio de bolsillo de visión nocturna US D248860
  • US 4707595 - Proyector de haz de luz invisible y sistema de visión nocturna
  • US 4991183 - Iluminadores de objetivos y sistemas que emplean el mismo
  • US 6075644 - Gafas panorámicas de visión nocturna
  • Patente estadounidense 7,173,237
  • US 6158879 - Sistema de iluminación y reflector infrarrojo