La 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 mala visión nocturna en comparación con muchos animales como gatos , perros , zorros y conejos , en parte porque el ojo humano carece de tapetum lucidum , [1] tejido detrás de la retina que refleja la luz a través de la retina, aumentando así la luz disponible para los fotorreceptores.
Las técnicas de rango espectral útiles durante la noche pueden detectar radiación que es invisible para un observador humano. La visión humana se limita a una pequeña porción del espectro electromagnético llamada luz visible . El rango espectral mejorado permite al espectador aprovechar fuentes no visibles de radiación electromagnética (como la radiación infrarroja cercana o ultravioleta ). Algunos animales, como el camarón mantis y la trucha, pueden ver utilizando mucho más espectro infrarrojo y/o ultravioleta que los humanos. [2]
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. 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 , un CCD de multiplicación de ganancia u otros conjuntos de fotodetectores de muy bajo ruido y alta sensibilidad .
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 visión del color , rodopsina en las células de visión nocturna y retina (una pequeña molécula fotorreceptora). La retina sufre un cambio irreversible de forma cuando absorbe la luz; este cambio provoca una alteración en la forma de la proteína que rodea la retina, y esa alteración luego induce el proceso fisiológico que resulta en la visión.
La retina debe difundirse desde las células de la 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 de la retina no se encuentra en los fotorreceptores, sino fuera del ojo. Se necesitan unos 45 minutos de oscuridad para que todas las proteínas fotorreceptoras se recarguen con retina activa, pero la mayor parte de la adaptación a la visión nocturna ocurre dentro de los primeros cinco minutos en la oscuridad. [4] La adaptación da como resultado la máxima sensibilidad a la luz. En condiciones de oscuridad, sólo 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 de los conos sensibles al rojo [ cita requerida ] .
Otra teoría postula que, dado que las estrellas suelen emitir luz con longitudes de onda más cortas, la luz de las estrellas estará en el espectro de colores azul-verde. Por lo tanto, utilizar luz roja para navegar no desensibilizaría los receptores utilizados para detectar la luz de las estrellas. [6] [7]
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 del enfoque de la imagen. Esto se encuentra en muchos animales nocturnos y en algunos animales de aguas profundas , y es la causa del brillo de ojos. Los humanos y los monos carecen de tapetum lucidum . [8] [9]
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 de la retina (la capa nuclear externa ) de 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, están físicamente apilados de modo que la luz pase 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 del apilamiento de núcleos y hacia el apilamiento 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 una cantidad relativamente menor a la visión nocturna. En los seres humanos, el iris puede ajustar el tamaño de la pupila desde 2 mm con luz brillante hasta 8 mm en condiciones de oscuridad, pero esto varía según el individuo y la edad, y la edad hace que el diámetro máximo de la pupila disminuya. Sin embargo, algunos humanos son capaces de dilatar sus pupilas hasta más de 9 mm de diámetro en la oscuridad, lo que les otorga mejores capacidades 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 .
Esto magnifica la cantidad de fotones recibidos de diversas fuentes naturales, como la luz de las estrellas o la luna. Ejemplos de tales tecnologías incluyen gafas nocturnas y cámaras con poca luz. En el contexto militar, los intensificadores de imágenes suelen denominarse "televisores con poca luz", ya que la señal de vídeo suele transmitirse a una pantalla dentro de un centro de control. Por lo general, están integrados 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. [11]
El intensificador de imágenes 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 pueda verse en tiempo real. a simple vista a través de una salida visual, o almacenados como datos para su posterior análisis. Si bien muchos creen que la luz está "amplificada", no es así. Cuando la luz incide sobre una placa de fotocátodo cargada , los electrones se emiten a través de un tubo de vacío e inciden en la placa de microcanal. Esto hace que la pantalla de imagen se ilumine con una imagen con 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, 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 su uso en la cabina de las plataformas aéreas. [12]
La iluminación activa combina la tecnología de intensificación de imágenes con una fuente activa de iluminación en la banda de infrarrojo cercano (NIR) o de onda corta (SWIR). Ejemplos de tales tecnologías incluyen cámaras con poca luz.
La visión nocturna infrarroja activa combina iluminación infrarroja de un rango espectral de 700 a 1000 nm (un poco por encima del espectro visible del ojo humano) con cámaras CCD sensibles a esta luz. La escena resultante, aparentemente oscura para un observador humano, aparece como una imagen monocromática en un dispositivo de visualización normal. [13] Debido a que los sistemas activos de visión nocturna por infrarrojos 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. [14] [15] La visión nocturna infrarroja activa ahora se encuentra comúnmente en aplicaciones de seguridad comerciales, residenciales y gubernamentales, donde permite obtener imágenes nocturnas efectivas en condiciones de poca luz. Sin embargo, dado que la luz infrarroja activa puede detectarse mediante gafas de visión nocturna, puede existir el riesgo de revelar la posición en operaciones militares tácticas.
Las imágenes controladas por rango láser son otra forma de visión nocturna activa que utiliza una fuente de luz pulsada de alta potencia para iluminación e imágenes. La activación de rango es una técnica que controla los pulsos del láser junto con la velocidad de obturación de los detectores de la cámara. [16] La tecnología de imágenes cerradas se puede dividir en disparo único , donde el detector captura la imagen a partir de un único pulso de luz, y disparo múltiple , donde el detector integra los pulsos de luz de múltiples 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 una mera detección, como es el caso de las imágenes térmicas.
La imagen térmica detecta la diferencia de temperatura entre los objetos del fondo y del primer plano. Algunos organismos son capaces de detectar una imagen térmica cruda mediante órganos especiales que funcionan como bolómetros . Esto permite la detección térmica infrarroja en serpientes , que funciona detectando la radiación térmica.
Las cámaras termográficas son excelentes herramientas para la visión nocturna. Detectan radiación térmica y no necesitan fuente de iluminación. Producen una imagen en la noche más oscura y pueden ver a través de una ligera niebla, 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 visión nocturna en aviones, donde comúnmente se les conoce como "FLIR" (por "infrarrojos orientados hacia adelante"). 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 difundidos en los medios de comunicación, 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. .
Antes de la introducción de los intensificadores de imagen, las gafas nocturnas eran el único método de visión nocturna y, por 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.
Un dispositivo de visión nocturna (NVD) es un dispositivo que comprende un tubo intensificador de imagen en una carcasa rígida, comúnmente utilizado por las fuerzas militares . Últimamente, la tecnología de visión nocturna está cada vez más disponible para uso civil. Por ejemplo, los sistemas de visión mejorados (EVS) están disponibles para aviones, para aumentar la conciencia situacional de los pilotos y 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 el casco, producida por Elbit Systems.
Un tipo específico de NVD, las gafas de visión nocturna (NVG) son 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 unos binoculares de visión nocturna. Otros tipos incluyen dispositivos monoculares de visión nocturna con un solo ocular que pueden montarse en armas de fuego como miras nocturnas. Las tecnologías NVG y EVS se están volviendo más populares en las operaciones de helicópteros para mejorar la seguridad. La NTSB está considerando el EVS como equipo recomendado para funciones de seguridad.
Las gafas de noche son monoculares o binoculares con un objetivo de gran diámetro. Las lentes grandes pueden captar 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 recogida 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 administraba gotas oftálmicas de atropina para dilatar las pupilas. [ ¿cuando? ]
Actualmente, el monocular PVS-14 es el dispositivo de visión nocturna más utilizado y preferido entre 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 los binoculares PVS-31 y la visión nocturna de cuatro tubos GPNVG-18, son utilizados por grupos de fuerzas especiales, pero son costosos. Las fuerzas desarrolladas suelen preferir 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 del conductor de un vehículo y ver la distancia 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 equipo opcional en determinados vehículos premium.
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