Visión nocturna

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 como 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 detrás de la retina que refleja la luz a través de la retina, lo que aumenta la luz disponible para los fotorreceptores.

Las técnicas de rango espectral útiles para la noche pueden detectar la 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 observador aprovechar las 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]

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

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

Se logra un rango de intensidad mejorado 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 la visión del color , rodopsina en las células de la visión nocturna y retinal (una pequeña molécula fotorreceptora). La retina sufre un cambio irreversible de forma cuando absorbe luz; este cambio provoca una alteración en la forma de la proteína que la rodea y esa alteración induce entonces el proceso fisiológico que da lugar a 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 unos 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 se produce en los primeros cinco minutos en la oscuridad. ^[4] La adaptación da como resultado una sensibilidad máxima a la luz. En condiciones de oscuridad, solo los bastoncillos tienen suficiente sensibilidad para responder y activar la visión.

La rodopsina presente en los bastones humanos es insensible a las longitudes de onda rojas más largas , por lo que tradicionalmente muchas personas utilizan la luz roja para ayudar a preservar la visión nocturna. La luz roja sólo agota lentamente las reservas de rodopsina en los bastones y, en cambio, es vista por los conos , que son sensibles al rojo . ^{[ cita requerida ]}

Otra teoría postula que, como las estrellas suelen emitir luz con longitudes de onda más cortas, la luz de las estrellas estará en el espectro de color azul-verde. Por lo tanto, el uso de 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 , lo que aumenta la cantidad de luz disponible para captar, pero reduce la nitidez del enfoque de la imagen. Esto se encuentra en muchos animales nocturnos y algunos animales de aguas profundas , y es la causa del brillo de los 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 volverse invertido. 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, están apilados 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, por 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 una cantidad relativamente pequeña a la visión nocturna. En los seres humanos, el iris puede ajustar el tamaño de la pupila desde 2 mm en condiciones de 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 a más de 9 mm de diámetro en la oscuridad, lo que les proporciona una mejor capacidad de visión nocturna. ^{[ cita requerida ]}

Las tecnologías de visión nocturna se pueden dividir en tres categorías principales: intensificación de imagen , iluminación activa e imágenes térmicas .

Esto aumenta la cantidad de fotones recibidos de diversas fuentes naturales, como la luz de las estrellas o la de la luna. Ejemplos de estas tecnologías son los anteojos de visión nocturna y las cámaras para condiciones de poca luz. En el contexto militar, los intensificadores de imagen se denominan a menudo "televisión para condiciones de poca luz", ya que la señal de video se transmite a menudo a una pantalla dentro de un centro de control. Estos suelen estar integrados en un sensor que contiene detectores tanto visibles como infrarrojos y las transmisiones se utilizan de forma independiente o en modo fusionado, según los requisitos de la misión en cuestión. ^[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 poco iluminada se puede ver en tiempo real a simple vista a través de una salida visual, o almacenarse como datos para un análisis posterior. Si bien muchos creen que la luz se "amplifica", no es así. Cuando la luz incide en una placa de fotocátodo cargada , se emiten electrones a través de un tubo de vacío que inciden en la placa de microcanales. 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 es el que 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 aerotransportadas. ^[12]

La iluminación activa combina la tecnología de intensificación de imágenes con una fuente de iluminación activa en la banda de infrarrojo cercano (NIR) o infrarrojo de onda corta (SWIR). Ejemplos de estas tecnologías incluyen cámaras con poca luz.

La visión nocturna por infrarrojos activa combina la iluminación infrarroja de 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. ^[13] 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. ^{[14] [15]} La visión nocturna por infrarrojos activa se encuentra ahora 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 con gafas de visión nocturna, puede existir el riesgo de revelar la posición en operaciones militares tácticas.

La imagen con compuerta de alcance láser es otra forma de visión nocturna activa que utiliza una fuente de luz pulsada de alta potencia para la iluminación y la obtención de imágenes. La compuerta de alcance es una técnica que controla los pulsos láser junto con la velocidad de obturación de los detectores de la cámara. ^[16] La tecnología de imágenes con compuerta se puede dividir en toma única , donde el detector captura la imagen a partir de un solo pulso de luz, y toma 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 la imagen térmica.

La termografía detecta la diferencia de temperatura entre los objetos del fondo y del primer plano. Algunos organismos son capaces de captar una imagen térmica rudimentaria mediante órganos especiales que funcionan como bolómetros . Esto permite la detección térmica por infrarrojos en las serpientes , que funciona detectando la 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 se las conoce comúnmente 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 que se muestran en los medios, las cámaras termográficas no pueden "ver" a través de objetos sólidos (paredes, por ejemplo), ni pueden ver 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.

Antes de la introducción de los intensificadores de imagen, los anteojos de visión nocturna eran el único método de visión nocturna y, por lo tanto, se utilizaban ampliamente, especialmente en el mar. Los anteojos de visión nocturna 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. Las principales desventajas de los anteojos de visión nocturna son su gran tamaño y peso.

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Un dispositivo de visión nocturna (NVD) es un dispositivo que comprende 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 ampliamente disponible para uso civil. Por ejemplo, los sistemas de visión mejorada (EVS) se han vuelto 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 la adquisición de 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 dispositivos 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 independiente para cada ojo. Las gafas de visión nocturna combinadas con lentes de aumento constituyen los binoculares de visión nocturna. Otros tipos incluyen dispositivos de visión nocturna monoculares 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 a EVS como equipo recomendado para las características de seguridad.

Las gafas de visión nocturna son binoculares o sencillas 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 visión nocturna también tienen una pupila de salida bastante grande de 7 mm o más para dejar que toda la luz captada 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 veces se les suministraba a los soldados gotas oftálmicas de atropina para dilatar las pupilas. ^{[ ¿Cuándo? ]}

En la actualidad, el monocular PVS-14 es el dispositivo de visión nocturna más utilizado y preferido por las fuerzas de la OTAN. Lo utiliza el ejército de los Estados Unidos y es conocido por su bajo coste y su amplia gama de usos y capacidad de modificación. Algunos dispositivos de gama alta, como el binocular PVS-31 y el telescopio de visión nocturna de cuatro tubos GPNVG-18, son utilizados por grupos de fuerzas especiales, pero son costosos. Los monoculares son generalmente los preferidos por las fuerzas desarrolladas.

Los sistemas de visión nocturna también se pueden instalar en los vehículos. Un sistema de visión nocturna para automóviles se utiliza para mejorar la percepción del conductor del vehículo y ver la distancia en la oscuridad o en condiciones meteorológicas adversas. Estos sistemas suelen utilizar cámaras infrarrojas, a veces combinadas con técnicas de iluminación activa, para recopilar información que luego se muestra al conductor. Estos sistemas se ofrecen actualmente como equipo opcional en ciertos vehículos de alta gama.

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