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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 del M110 . Tenga en cuenta que, además del intensificador de imagen, el NVD capta mucha más luz gracias a su apertura mucho mayor.
Una 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 nocturno (NOD) o gafas de visión nocturna (NVG), es un dispositivo optoelectrónico que permite la visualización de imágenes con bajos niveles de luz, mejorando la visión nocturna del usuario. .

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

Un dispositivo de visión nocturna suele constar de un tubo intensificador de imagen , una carcasa protectora y un sistema de montaje opcional. Muchos NVD también incluyen una lente protectora de sacrificio, montada sobre la lente frontal/ objetiva para evitar daños por peligros ambientales, [1] mientras que algunos incorporan lentes telescópicas . Una imagen NVD suele ser 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 (infrarrojos).

Los dispositivos de visión nocturna pueden ser portátiles o acoplarse a cascos . Cuando se usa con armas de fuego, a menudo se monta una mira láser IR en el arma. La mira láser produce un rayo infrarrojo que es visible sólo a través de un NVD y ayuda a apuntar. [3] Algunos dispositivos de visión nocturna están diseñados para montarse en armas de fuego. Estos pueden usarse junto con miras de armas o de forma independiente; Algunas miras para armas térmicas han sido diseñadas para proporcionar capacidades similares. [4]

Estos dispositivos se utilizaron por primera vez para el combate nocturno en la Segunda Guerra Mundial y su uso se generalizó durante la Guerra de Vietnam . [5] La tecnología ha evolucionado desde entonces, involucrando "generaciones" [6] de equipos de visión nocturna con aumentos de rendimiento y reducciones de precios. En consecuencia, aunque los organismos militares y policiales los utilizan habitualmente , los dispositivos de visión nocturna están disponibles para los usuarios civiles para aplicaciones que incluyen aviación, conducción y desminado . [7]

Historia

En 1929, el físico húngaro Kálmán Tihanyi inventó una cámara de televisión electrónica sensible a infrarrojos para la defensa antiaérea en el Reino Unido. [8] La tecnología de visión nocturna antes del final de la Segunda Guerra Mundial se describió más tarde 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 arreglos. 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 pruebas exitosas de equipos FG 1250 montados en Panther Ausf. Tanques G (y otras variantes). Durante la guerra, aproximadamente 50 (o 63) Panthers estaban 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 infrarroja M1 y M3, también conocidos como "sniperscope" o "snooperscope", tuvieron un servicio limitado con el ejército estadounidense en la Segunda Guerra Mundial [10] y en la Guerra de Corea , para ayudar a los francotiradores . [5] Estos eran dispositivos activos que utilizaban una fuente de luz infrarroja para iluminar objetivos. Sus tubos intensificadores de imágenes 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 probó en el campo un dispositivo soviético experimental llamado PAU-2.

En 1938, el Almirantazgo británico asumió la responsabilidad de la investigación militar británica en infrarrojos. Trabajaron primero con Philips hasta la caída de los Países Bajos , luego con la filial de Philips en el Reino Unido, Radio Transmission Equipment Ltd., y finalmente con EMI , que a principios de 1941 proporcionó tubos convertidores de imágenes compactos y livianos. 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 7.000 voltios, pero tuvo un uso limitado con 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 montando los dispositivos en las metralletas Sten Mark III y Mark II(S). Sin embargo, en enero de 1945 los británicos sólo habían fabricado siete 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 de Malasia los británicos estaban utilizando 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, la luz infrarroja se llamaba comúnmente luz negra , término que luego se restringió a la luz ultravioleta . El invento de Zworykin no fue un éxito debido a su gran tamaño y elevado coste. [dieciséis]

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 estadounidense en la década de 1960 se introdujeron durante la Guerra de Vietnam . Eran una adaptación de tecnología activa anterior y dependían de la luz ambiental en lugar de utilizar una fuente de luz infrarroja adicional. Usando un fotocátodo S-20 , sus intensificadores de imagen amplificaron la luz alrededor1.000 veces, [17] pero eran bastante voluminosos y requerían la luz de la luna para funcionar correctamente.

Ejemplos:

Generación 2

Un AN/PVS-5 abierto y depositado, que muestra los componentes de un dispositivo de visión nocturna. Este dispositivo fue fabricado en 2da generación (5A a 5C) y 3ra 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 produjo 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 estaba alrededor20.000 . [17] Se mejoraron la resolución y confiabilidad de la imagen .

Ejemplos:

Los avances posteriores trajeron dispositivos GEN II+ (equipados con mejores ópticas, tubos SUPERGEN, resolución mejorada y mejores relaciones señal-ruido ), aunque la etiqueta no es reconocida formalmente 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 finales de la década de 1980, mantuvieron el MCP de Gen II, pero utilizaron un fotocátodo de arseniuro de galio , con resolución mejorada. Los fotocátodos GA son fabricados principalmente por L3Harris Technologies y Elbit Systems of America y generan imágenes de luz de 500 a 900  nm . [25] Además, el MCP se recubrió con una película de barrera iónica para aumentar la vida útil del tubo. Sin embargo, la barrera iónica permitió el paso de menos electrones . La barrera iónica aumentó el efecto "halo" alrededor de puntos brillantes o fuentes de luz. La amplificación de la luz (y el consumo de energía) con estos dispositivos mejoraron aproximadamente30.000 –50.000 . [17]

Ejemplos:

Puerta automática

La activación automática (ATG) enciende y apaga rápidamente el voltaje de la fuente de alimentación al fotocátodo. Estos interruptores son lo suficientemente rápidos como para que no sean detectables por el ojo humano y se mantenga el voltaje máximo suministrado al dispositivo de visión nocturna. [29] Esto reduce el " ciclo de trabajo " (es decir, la cantidad de tiempo que el tubo pasa por energía), lo que aumenta la vida útil del dispositivo. [30] La activación automática 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 brillo (ABC) modula la cantidad de voltaje suministrado a la placa de microcanal (en lugar del fotocátodo) en respuesta a la luz ambiental. Juntos, BSP y ABC (junto con la activación automática) sirven para prevenir 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 fogonazo o iluminación artificial. [30] Estos sistemas de modulación también ayudan a mantener un nivel de iluminación constante en la vista del usuario que mejora la capacidad de mantener "los ojos 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 microcanal para la amplificación. Los fotones de una fuente con poca luz entran en la lente del objetivo (a la izquierda) y golpean el fotocátodo (placa gris). El fotocátodo (que tiene polarización negativa) libera electrones, que se aceleran hasta la placa de microcanal de mayor voltaje (roja). Cada electrón hace que se liberen múltiples electrones de la placa del microcanal. Los electrones son atraídos hacia la pantalla de fósforo de mayor voltaje (verde). Los electrones que chocan contra 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 estadounidense compró dispositivos de visión nocturna GEN III. Esto comenzó con OMNI I, que adquirió los dispositivos AN/PVS-7A y AN/PVS-7B, 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 particular depende generalmente 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 de 2000 pueden diferir de dispositivos anteriores en aspectos importantes:

El mercado de consumo a veces clasifica estos sistemas como Generación 4, el ejército de los Estados Unidos describe estos sistemas como tubos automáticos de Generación 3 (GEN III OMNI V-IX). Además, como se pueden agregar fuentes de alimentación de activación automática a cualquier generación anterior de dispositivos de visión nocturna, la capacidad de activación automática no coloca automáticamente a los dispositivos en una clasificación OMNI particular. Cualquier postnominal que aparezca después de un tipo de generación (es decir, Gen II+, Gen III+) indica mejoras 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 efectividad y claridad de una NVD. Se calcula utilizando el número de pares de líneas por milímetro que un usuario puede detectar multiplicado 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 SNR, y los nuevos tubos superaron el rendimiento de Gen 3.

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

El gobierno de Estados Unidos ha reconocido el hecho de que la tecnología en sí misma hace poca diferencia, siempre que un operador pueda ver claramente por la noche. En consecuencia, los Estados Unidos basan las reglamentaciones de exportación directamente en la figura del mérito.

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

Visión nocturna de fusión

Una comparación de I² solo visión nocturna (arriba) e I² más fusión térmica (abajo)

La visión nocturna Fusion 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] Se encuentran disponibles dispositivos de fusión dedicados y lectores de imágenes con clip que agregan una superposición térmica a los dispositivos de visión nocturna I² estándar. [43] Fusion combina una navegación excelente y detalles finos (I²), con una fácil detección de firmas de calor (imágenes).

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

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

Ejemplos

Fuera de banda

Fuera de banda (OOB) se refiere a tecnologías de visión nocturna que operan fuera del rango de frecuencia NIR (infrarrojo cercano) de 500-900 nm. Esto es posible con tubos intensificadores de imagen específicos o con dispositivos con clip.

Ventajas

Ejemplos

Amplio campo de visión

Un aviador estadounidense prueba las gafas panorámicas de visión nocturna AN/AVS-10 en marzo de 2006.
GPNVG-18.

Los dispositivos de visión nocturna suelen tener un campo de visión (FoV) limitado; el AN/PVS-14 comúnmente utilizado tiene un FoV de 40, [66] menos que el FoV horizontal monocular de 95° y el FoV 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 realizar CQB , lo que implica 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 FoV más amplia. [69]

Gafas panorámicas de visión nocturna.

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

Ejemplos:

Visión nocturna foveada

La visión nocturna foveada (F-NVG) utiliza 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 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 incide sobre la retina foveal, como es el caso de los NVG binoculares tradicionales. El aumento del FoV tiene como precio 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 FoV al inclinar los tubos ligeramente hacia afuera. Esto aumenta el FoV periférico pero provoca distorsión y reducción de la calidad de la imagen. Con DIT, los usuarios ya no miran a través del centro de los tubos (lo que proporciona las imágenes más claras) y la luz que pasa por el centro de los tubos ya no incide en la fóvea.

Ejemplos:

Digital

Algunos dispositivos de visión nocturna, incluidos varios de los modelos ENVG ( AN/PSQ-20 ), son "digitales". Introducidos a finales de la década de 2000, 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 NVG que combinan una cámara y una pantalla en lugar de un intensificador de imagen . Estos dispositivos pueden ofrecer una calidad equivalente a Gen-1 a un costo menor. [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 una batería separada. Ofrece una duración de batería más corta y una menor sensibilidad. [77] [78] Sin embargo, puede tolerar luz brillante y procesar una gama más amplia de longitudes de onda. [79]

Otras tecnologías

El motor reforzado óptico cerámico (CORE) [80] produce tubos Gen 1 de mayor rendimiento al reemplazar la placa de vidrio con una placa de cerámica. Esta placa se produce a partir de aleaciones metálicas y cerámicas especialmente formuladas. Se mejora la distorsión de los bordes, se aumenta la sensibilidad fotográfica y la resolución puede llegar hasta 60  lp /mm. CORE todavía es considerado [ ¿por quién? ] Gen 1, ya que no utiliza una placa de microcanal.

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 imágenes oscuras. Los prototipos absorben sólo el 2,3% de la luz, lo que no es suficiente para el uso práctico. [81]

La Dirección de Sensores y Dispositivos Electrónicos (SEDD) del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. desarrolló un detector infrarrojo 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 especialmente sensible a las ondas infrarrojas de longitud media. El QWIP corrugado (CQWIP) amplía la capacidad de detección mediante el uso de 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 supuesto bajo costo y uniformidad en 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 de InAsSb , un compuesto III-V, que es común en optoelectrónica en artículos como DVD y teléfonos. Una capa graduada con mayor espaciado atómico y una capa intermedia del sustrato de GaAs atrapan cualquier defecto potencial. [83]

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

Unión Soviética/Rusia

Visor de visión nocturna activa NSP-2 montado en un AKM L
Visor nocturno NSPU (1PN34) de 3,5 × montado en un AKS-74U
Visor de visión nocturna 1PN93-2 montado 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 denominan 1PNxx (en ruso: 1ПН xx), donde 1PN es el índice GRAU de los dispositivos de visión nocturna. El PN significa pritsel nochnoy (ruso: прицел ночной ), que significa "vista nocturna", y xx es el número de modelo. Los diferentes modelos introducidos aproximadamente al mismo tiempo utilizan el mismo tipo de baterías y mecanismo de montaje. Los modelos de armas múltiples tienen escalas de elevación reemplazables, con una escala para el arco balístico de cada uno. Las armas admitidas incluyen la familia AK , rifles de francotirador , ametralladoras ligeras y lanzagranadas de mano .

El ejército ruso desplegó una serie de las llamadas miras nocturnas de contrafrancotirador  [ru] ( ruso : Антиснайпер , romanizado :  Antisnayper ). La mira nocturna contra francotiradores 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 jurídicas

Ver también

Referencias

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enlaces externos

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