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Dispositivo de visión nocturna

Un aviador de la Marina de los EE. UU. utiliza un par de gafas de visión AN/AVS-6 montadas en el casco. El efecto sobre la visión nocturna natural del ojo es evidente
Una mira telescópica estándar aumentada con un dispositivo de visión nocturna en la parte delantera en la M110 . Tenga en cuenta que, además del intensificador de imagen, el NVD capta mucha más luz gracias a su apertura mucho más grande.
Retícula de visión nocturna 1PN51-2 con marcas para estimar el alcance
Vista en primera persona a través de gafas de visión nocturna del equipo de rescate de rehenes del FBI utilizando un hidrodeslizador.

Un dispositivo de visión nocturna (NVD), también conocido como dispositivo óptico/de observación nocturna (NOD) o gafas de visión nocturna (NVG), es un dispositivo optoelectrónico que permite la visualización de imágenes en niveles bajos de luz, mejorando la visión nocturna del usuario .

El dispositivo mejora la luz visible ambiental y convierte la luz infrarroja cercana en luz visible que luego puede ser vista por los humanos; esto se conoce como I 2 ( intensificación de imagen ). En comparación, la visualización de la radiación térmica infrarroja se conoce como imagen térmica y opera en una sección diferente del espectro infrarrojo.

Un dispositivo de visión nocturna generalmente consta de un tubo intensificador de imagen , una carcasa protectora y un sistema de montaje opcional. Muchos NVD también incluyen una lente de sacrificio protectora, montada sobre la lente frontal/objetivo para evitar daños por peligros ambientales, [1] mientras que algunos incorporan lentes telescópicas . Una imagen NVD es típicamente verde monocromática , ya que se consideraba que el verde era el color más fácil de ver durante períodos prolongados en la oscuridad. [2] Los dispositivos de visión nocturna pueden ser pasivos, dependiendo únicamente de la luz ambiental, o pueden ser activos, utilizando un iluminador IR (infrarrojo).

Los dispositivos de visión nocturna pueden ser portátiles o acoplables a cascos . Cuando se utilizan con armas de fuego, a menudo se monta una mira láser infrarroja en el arma. La mira láser produce un haz infrarrojo que solo es visible a través de un NVD y ayuda a apuntar. [3] Algunos dispositivos de visión nocturna están diseñados para montarse en armas de fuego. Estos se pueden utilizar junto con miras de armas o de forma independiente; algunas miras térmicas para armas se han diseñado para proporcionar capacidades similares. [4]

Estos dispositivos se utilizaron por primera vez para el combate nocturno en la Segunda Guerra Mundial y se generalizaron durante la Guerra de Vietnam . [5] La tecnología ha evolucionado desde entonces, lo que ha implicado "generaciones" [6] de equipos de visión nocturna con aumentos de rendimiento y reducciones de precio. En consecuencia, aunque son de uso común en las fuerzas armadas y las fuerzas del orden , los dispositivos de visión nocturna están disponibles para los usuarios civiles para aplicaciones que incluyen la aviación, la conducción y el desminado . [7]

Historia

En 1929, el físico húngaro Kálmán Tihanyi inventó una cámara de televisión electrónica sensible a los infrarrojos para la defensa antiaérea en el Reino Unido. [8] La tecnología de visión nocturna anterior al final de la Segunda Guerra Mundial se describió posteriormente como Generación 0. [5]

Los dispositivos de visión nocturna se introdujeron en el ejército alemán ya en 1939 [ cita requerida ] y se utilizaron en la Segunda Guerra Mundial . AEG comenzó a desarrollar sus primeros dispositivos en 1935. A mediados de 1943, el ejército alemán comenzó a probar dispositivos de visión nocturna por infrarrojos y telémetros telescópicos montados en tanques Panther . Se construyeron dos configuraciones. El Sperber FG 1250 ("Sparrow Hawk"), con un alcance de hasta 600 m, tenía un reflector infrarrojo de 30 cm y un convertidor de imágenes operado por el comandante del tanque.

Desde finales de 1944 hasta marzo de 1945, el ejército alemán llevó a cabo con éxito pruebas de los sistemas FG 1250 montados en los tanques Panther Ausf. G (y otras variantes). Durante la guerra, aproximadamente 50 (o 63) Panthers fueron equipados con el FG 1250 y entraron en combate tanto en el frente oriental como en el occidental . El sistema portátil "Vampir" para infantería se utilizó con fusiles de asalto StG 44. [9]

En Estados Unidos se produjo un desarrollo paralelo. Los dispositivos de visión nocturna por infrarrojos M1 y M3, también conocidos como "visores de francotirador" o "visores de espionaje", prestaron un servicio limitado en el ejército estadounidense durante la Segunda Guerra Mundial [10] y en la Guerra de Corea , para ayudar a los francotiradores . [5] Se trataba de dispositivos activos que utilizaban una fuente de luz infrarroja para iluminar los objetivos. Sus tubos intensificadores de imagen utilizaban un ánodo y un fotocátodo S-1 , hechos principalmente de plata , cesio y oxígeno , y la inversión electrostática con aceleración de electrones producía ganancia. [11]

En 1942 se realizó una prueba de campo de un dispositivo experimental soviético llamado PAU-2.

En 1938, el Almirantazgo británico asumió la responsabilidad de la investigación militar británica sobre infrarrojos. Primero trabajó con Philips hasta la caída de los Países Bajos , luego con la filial británica de Philips, Radio Transmission Equipment Ltd., y finalmente con EMI , que a principios de 1941 proporcionó tubos convertidores de imágenes compactos y ligeros. En julio de 1942, los británicos habían producido un aparato binocular llamado "Diseño E". Era voluminoso y necesitaba una fuente de alimentación externa que generara 7000 voltios, pero tuvo un uso limitado con los vehículos anfibios de la 79.ª División Blindada en el cruce del Rin en 1945. Entre mayo y junio de 1943, la 43.ª División de Infantería (Wessex) probó equipos de visión nocturna portátiles y, más tarde, los británicos experimentaron con el montaje de los dispositivos en las ametralladoras Sten Mark III y Mark II(S) . Sin embargo, en enero de 1945, los británicos solo habían fabricado siete equipos receptores de infrarrojos. Aunque algunos fueron enviados a India y Australia para pruebas antes de finales de 1945, durante la Guerra de Corea y la Emergencia Malaya los británicos estaban usando equipos de visión nocturna suministrados por los Estados Unidos. [12]

Los primeros ejemplos incluyen:

Después de la Segunda Guerra Mundial, Vladimir K. Zworykin desarrolló el primer dispositivo comercial práctico de visión nocturna en Radio Corporation of America , destinado a uso civil. La idea de Zworykin surgió de un antiguo misil guiado por radio. [15] En ese momento, el infrarrojo se denominaba comúnmente luz negra , un término que luego se limitó a ultravioleta . La invención de Zworykin no fue un éxito debido a su gran tamaño y alto costo. [16]

Estados Unidos

Generación 1

Un rifle M16A1 equipado con la mira AN/PVS-2 Starlight

Los dispositivos pasivos de primera generación desarrollados por el ejército de los EE. UU . en la década de 1960 se introdujeron durante la guerra de Vietnam . Eran una adaptación de la tecnología activa anterior y dependían de la luz ambiental en lugar de utilizar una fuente de luz infrarroja adicional. Utilizando un fotocátodo S-20 , sus intensificadores de imagen amplificaban la luz alrededor1.000 veces, [17] pero eran bastante voluminosos y necesitaban la luz de la luna para funcionar correctamente.

Ejemplos:

Generación 2

Un AN/PVS-5 abierto y desmantelado, en el que se muestran los componentes de un dispositivo de visión nocturna. Este dispositivo se fabricó en la segunda generación (5A a 5C) y la tercera generación (5D)

Los dispositivos de segunda generación de la década de 1970 presentaban un tubo intensificador de imagen mejorado que utilizaba una placa de microcanal (MCP) [21] con un fotocátodo S-25 . [11] Esto producía una imagen mucho más brillante, especialmente alrededor de los bordes de la lente. Esto condujo a una mayor claridad en entornos con poca luz ambiental, como las noches sin luna . La amplificación de la luz era de alrededor de20.000 . [17] Se mejoraron la resolución y la confiabilidad de la imagen .

Ejemplos:

Los avances posteriores trajeron consigo los dispositivos GEN II+ (equipados con mejores ópticas, tubos SUPERGEN, resolución mejorada y mejores relaciones señal-ruido ), aunque la etiqueta no está formalmente reconocida por el NVESD. [24]

Generación 3

Una versión de desarrollo inicial de las gafas AN/PVS-7

Los sistemas de visión nocturna de tercera generación, desarrollados a fines de la década de 1980, mantuvieron el MCP de Gen II, pero utilizaron un fotocátodo de arseniuro de galio , con una resolución mejorada. Los fotocátodos GA son fabricados principalmente por L3Harris Technologies y Elbit Systems of America y capturaron luz de 500 a 900  nm . [25] Además, el MCP estaba recubierto con una película de barrera iónica para aumentar la vida útil del tubo. Sin embargo, la barrera iónica permitió que pasaran menos electrones . La barrera iónica aumentó el efecto de "halo" alrededor de los puntos brillantes o fuentes de luz. La amplificación de la luz (y el consumo de energía) con estos dispositivos mejoraron a alrededor de 100 nm.30.000 –50.000 . [17]

Ejemplos:

Puerta automática

El control automático de luminosidad (ATG) activa y desactiva rápidamente el voltaje de la fuente de alimentación al fotocátodo. Estos cambios son lo suficientemente rápidos como para que no sean detectables para el ojo humano y se mantenga el voltaje pico suministrado al dispositivo de visión nocturna. [29] Esto reduce el " ciclo de trabajo " (es decir, la cantidad de tiempo que el tubo tiene energía circulando a través de él), lo que aumenta la vida útil del dispositivo. [30] El control automático de luminosidad también mejora la protección de fuente brillante (BSP), que reduce el voltaje suministrado al fotocátodo en respuesta a los niveles de luz ambiental. El control automático de luminosidad (ABC) modula la cantidad de voltaje suministrado a la placa de microcanales (en lugar del fotocátodo) en respuesta a la luz ambiental. Juntos, el BSP y el ABC (junto con el control automático de luminosidad) sirven para evitar la ceguera temporal del usuario y evitar daños al tubo cuando el dispositivo de visión nocturna se expone a fuentes de luz brillantes repentinas, [29] como un destello de boca de cañón o iluminación artificial. [30] Estos sistemas de modulación también ayudan a mantener un nivel de iluminación constante en la vista del usuario, lo que mejora la capacidad de mantener la vista en el objetivo a pesar de los destellos de luz temporales. Estas funciones son especialmente útiles para pilotos, soldados en entornos urbanos y fuerzas de operaciones especiales que pueden estar expuestos a niveles de luz que cambian rápidamente. [30] [31]

Generación 3+ (GEN III OMNI I–IX)

"Diagrama de un intensificador de imágenes."
Los dispositivos de generación II, III y IV utilizan una placa de microcanales para la amplificación. Los fotones de una fuente poco iluminada ingresan a la lente del objetivo (a la izquierda) y golpean el fotocátodo (placa gris). El fotocátodo (que tiene polarización negativa) libera electrones, que se aceleran hacia la placa de microcanales de mayor voltaje (roja). Cada electrón hace que se liberen múltiples electrones de la placa de microcanales. Los electrones son atraídos hacia la pantalla de fósforo de mayor voltaje (verde). Los electrones que golpean la pantalla de fósforo hacen que el fósforo produzca fotones de luz visibles a través de las lentes del ocular.

OMNI, u OMNIBUS, se refiere a una serie de contratos a través de los cuales el Ejército de los EE. UU. adquirió dispositivos de visión nocturna GEN III. Esto comenzó con OMNI I, que adquirió dispositivos AN/PVS-7A y AN/PVS-7B, y luego continuó con OMNI II (1990), OMNI III (1992), OMNI IV (1996), OMNI V (1998), OMNI VI (2002), OMNI VII (2005), [32] OMNI VIII y OMNI IX. [33]

Sin embargo, OMNI no es una especificación. El rendimiento de un dispositivo en particular generalmente depende del tubo que se utiliza. Por ejemplo, un tubo GEN III OMNI III MX-10160A/AVS-6 funciona de manera similar a un tubo GEN III OMNI VII MX-10160A/AVS-6, aunque el primero se fabricó en ~1992 y el segundo en ~2005. [33] [34]

Una tecnología en particular, PINNACLE, es una tecnología patentada de placas de microcanales de película delgada creada por ITT que se incluyó en el contrato OMNI VII. La película delgada mejora el rendimiento. [34]

Los dispositivos GEN III OMNI V–IX desarrollados a partir de la década del 2000 pueden diferir de los dispositivos anteriores en aspectos importantes:

El mercado de consumo a veces clasifica estos sistemas como Generación 4, mientras que el ejército de los Estados Unidos describe estos sistemas como tubos con compuerta automática Generación 3 (GEN III OMNI V-IX). Además, como las fuentes de alimentación con compuerta automática se pueden agregar a cualquier generación anterior de dispositivos de visión nocturna, la capacidad de compuerta automática no coloca automáticamente a los dispositivos en una clasificación OMNI particular. Cualquier posnominal que aparezca después de un tipo de generación (es decir, Gen II+, Gen III+) indica una mejora con respecto a los requisitos de la especificación original. [37]

Ejemplos:

Figura de mérito

La figura de mérito (FoM) es una medida cuantitativa de la eficacia y claridad de un NVD. Se calcula utilizando la cantidad de pares de líneas por milímetro que un usuario puede detectar multiplicada por la relación señal-ruido (SNR) del intensificador de imagen. [39] [40] [33] [41]

A finales de la década de 1990, las innovaciones en la tecnología de fotocátodos aumentaron significativamente la relación señal-ruido (SNR), y los nuevos tubos superaron el rendimiento de la Generación 3.

En 2001, el gobierno federal de los Estados Unidos concluyó que la generación de un tubo no era un factor determinante del rendimiento, dejando obsoleto el término como base de las regulaciones de exportación.

El gobierno estadounidense ha reconocido que la tecnología en sí no tiene demasiada importancia, siempre que el operador pueda ver con claridad de noche. Por ello, Estados Unidos basa directamente las normas de exportación en la cifra de méritos.

Las regulaciones ITAR especifican que los tubos fabricados en Estados Unidos con un FOM mayor a 1400 no son exportables; sin embargo, la Administración de Seguridad de Tecnología de Defensa (DTSA) puede eximir esa política caso por caso.

Visión nocturna de fusión

Una comparación de la visión nocturna con solo I² (arriba) y la fusión térmica con I² más (abajo)

La visión nocturna por fusión combina I² ( intensificación de imagen ) con imágenes térmicas , que funcionan en el  rango de longitud de onda media (MWIR 3-5 μm ) y/o larga (LWIR 8-14 μm). [42] Los modelos iniciales aparecieron en la década de 2000. [32] Hay disponibles dispositivos de fusión dedicados y generadores de imágenes con clip que agregan una superposición térmica a los dispositivos de visión nocturna I² estándar. [43] La fusión combina una excelente navegación y detalles finos (I²), con una fácil detección de firma de calor (imágenes).

Los modos de fusión incluyen visión nocturna con superposición térmica, solo visión nocturna, solo térmica y otros como contorno (que delinea los objetos que tienen firmas térmicas) o "descamuflaje", que resalta todos los objetos que tienen una temperatura cercana a la humana. Los dispositivos de fusión son más pesados ​​y consumen más energía que los dispositivos que solo tienen I². [44]

Una alternativa es utilizar un dispositivo I² sobre un ojo y un dispositivo térmico sobre el otro ojo, confiando en el sistema visual humano para proporcionar una visión combinada binocular . [43] [45]

Ejemplos

Fuera de banda

Fuera de banda (OOB) se refiere a tecnologías de visión nocturna que funcionan fuera del rango de frecuencias de infrarrojo cercano (NIR) de 500 a 900 nm. Esto es posible con tubos intensificadores de imagen dedicados o con dispositivos acoplables.

Ventajas

Ejemplos

Amplio campo de visión

Un aviador estadounidense prueba las gafas de visión nocturna panorámicas AN/AVS-10 en marzo de 2006.
Documento sin título.

Los dispositivos de visión nocturna suelen tener un campo de visión (FoV) limitado; el AN/PVS-14 de uso común tiene un campo de visión de 40, [66] menor que el campo de visión horizontal monocular de 95° y el campo de visión horizontal binocular de 190° de los humanos. [67] Esto obliga a los usuarios a girar la cabeza para compensar. Esto es particularmente evidente al volar, conducir o CQB , lo que implica tomar decisiones en fracciones de segundo. Estas limitaciones llevaron a muchos operadores de SF/SOF a preferir la luz blanca en lugar de la visión nocturna al realizar CQB. [68] Como resultado, se ha invertido mucho tiempo y esfuerzo en la investigación para desarrollar una solución de campo de visión más amplio. [69]

Gafas de visión nocturna panorámicas

Las gafas de visión nocturna panorámica (PNVG) aumentan el campo de visión al aumentar la cantidad de tubos sensores. Esta solución agrega tamaño, peso, requisitos de energía y complejidad. [69] Un ejemplo es GPNVG-18 (gafas de visión nocturna periférica terrestre). [70] Estas gafas, y las PNVG de aviación AN/AVS-10 de las que se derivaron, ofrecen un campo de visión de 97°. [68]

Ejemplos:

Visión nocturna foveada

La visión nocturna foveada (F-NVG) utiliza una óptica WFoV especializada para aumentar el campo de visión a través de un tubo intensificador. La fóvea se refiere a la parte de la retina que es responsable de la visión central. Estos dispositivos hacen que los usuarios miren "directamente a través" de los tubos, de modo que la luz que pasa por el centro del tubo cae sobre la retina foveal, como es el caso de las NVG binoculares tradicionales. El aumento del campo de visión se produce a costa de la calidad de la imagen y las distorsiones de los bordes . [69] [71] [72] [73] Ejemplos:

Diagrama del WFoV BNVD, basado en AN/PVS-31A

Tubo de imagen divergente

La visión nocturna con tubo de imagen divergente (DIT) aumenta el campo de visión al inclinar los tubos ligeramente hacia afuera. Esto aumenta el campo de visión periférico, pero causa distorsión y reduce la calidad de la imagen. Con DIT, los usuarios ya no miran a través del centro de los tubos (que proporciona las imágenes más claras) y la luz que pasa a través del centro de los tubos ya no cae sobre la fóvea.

Ejemplos:

Digital

Algunos dispositivos de visión nocturna, incluidos varios modelos ENVG ( AN/PSQ-20 ), son "digitales". Introducidos a finales de la década de 2000, estos permiten la transmisión de la imagen, a costa de un mayor tamaño, peso y consumo de energía. [32]

La tecnología de cámaras digitales de alta sensibilidad permite la creación de NVG que combinan una cámara y una pantalla en lugar de un intensificador de imágenes . Estos dispositivos pueden ofrecer una calidad equivalente a la de la primera generación a un menor costo. [76] En el extremo superior, SiOnyx ha producido NVG digitales en color. El "Opsin" de 2022 tiene un factor de forma y un peso de casco similares a un AN/PVS-14 , pero requiere un paquete de baterías independiente. Ofrece una vida útil de batería más corta y una sensibilidad menor. [77] [78] Sin embargo, puede tolerar la luz brillante y procesar una gama más amplia de longitudes de onda. [79]

Otras tecnologías

El motor óptico reforzado de cerámica (CORE) [80] produce tubos Gen 1 de mayor rendimiento al reemplazar la placa de vidrio por una placa de cerámica. Esta placa se produce a partir de aleaciones de cerámica y metal especialmente formuladas. Se mejora la distorsión de los bordes, se aumenta la sensibilidad a la luz y la resolución puede alcanzar los 60  lp /mm. CORE todavía se considera [¿ por quién? ] Gen 1, ya que no utiliza una placa de microcanales.

Un prototipo de lente de contacto para visión nocturna coloca una fina tira de grafeno entre capas de vidrio que reacciona a los fotones para iluminar las imágenes oscuras. Los prototipos absorben solo el 2,3% de la luz, lo que no es suficiente para su uso práctico. [81]

La Dirección de Dispositivos Electrónicos y Sensores (SEDD) del Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos desarrolló un detector de infrarrojos de pozo cuántico (QWID). Las capas epitaxiales de esta tecnología utilizan un sistema de arseniuro de galio (GaAs) o arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs). Es particularmente sensible a las ondas infrarrojas de longitud media. El QWIP corrugado (CQWIP) amplía la capacidad de detección al utilizar una superestructura de resonancia para orientar una mayor parte del campo eléctrico en paralelo, de modo que pueda ser absorbido. Aunque se requiere enfriamiento criogénico entre 77 K y 85 K, la tecnología QWID puede ser apropiada para la visualización de vigilancia continua debido a su bajo costo y la uniformidad de los materiales. [82]

Los materiales de los compuestos II-VI , como el HgCdTe , se utilizan para cámaras de detección de luz infrarroja de alto rendimiento. Una alternativa dentro de la familia de compuestos III-V es el InAsSb , un compuesto III-V, que es común en la optoelectrónica en artículos como DVD y teléfonos. Una capa graduada con mayor espaciamiento atómico y una capa intermedia del sustrato de GaAs atrapan cualquier defecto potencial. [83]

La tecnología de conversión ascendente basada en metasuperficie proporciona una película de visión nocturna que pesa menos de un gramo y se puede colocar sobre gafas comunes. Los fotones pasan a través de una metasuperficie resonante no local de niobato de litio con un haz de bombeo. La metasuperficie aumenta la energía de los fotones, empujándolos hacia el espectro visible sin convertirlos en electrones. No se requiere enfriamiento. La luz visible e infrarroja aparecen en una sola imagen. Tradicionalmente, los sistemas de visión nocturna capturan vistas en paralelo de cada espectro, por lo que no pueden producir imágenes idénticas. Su rango de frecuencia es de 1550 nm de infrarrojos a 550 nm de luz visible. [84]

Unión Soviética/Rusia

Visor de visión nocturna activa NSP-2 montado en un AKM L
Mira de visión nocturna NSPU (1PN34) 3,5× montada en un AKS-74U
Mira de visión nocturna 1PN93-2 montada en un RPG-7D3

La Unión Soviética y, después de 1991, la Federación Rusa , han desarrollado sus propios dispositivos de visión nocturna. Los modelos utilizados después de 1960 por el Ejército ruso/soviético se designan 1PNxx (en ruso: 1ПН xx), donde 1PN es el índice GRAU de los dispositivos de visión nocturna. El PN significa pritsel nochnoy (en ruso: прицел ночной ), que significa "mira nocturna", y el xx es el número de modelo. Diferentes modelos introducidos en la misma época utilizan el mismo tipo de baterías y mecanismo de montaje. Los modelos multiarma tienen escalas de elevación reemplazables, con una escala para el arco balístico de cada uno. Las armas compatibles incluyen la familia AK , rifles de francotirador , ametralladoras ligeras y lanzagranadas portátiles .

El ejército ruso utilizó una serie de las llamadas miras nocturnas antifrancotiradores  [ru] ( en ruso : Антиснайпер , romanizado :  Antisnayper ). La mira nocturna antifrancotirador es un sistema activo que utiliza pulsos láser de un diodo láser para detectar reflejos de los elementos focales de los sistemas ópticos enemigos y estimar su distancia: [90]

Restricciones legales

Véase también

Referencias

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