Visión nocturna.

TEORÍA DE LA VISIÓN NOCTURNA

Cuando pensamos en la visión nocturna, generalmente imaginamos escenas de películas de acción donde un espía usa gafas especiales para detectar objetos en la oscuridad. Pero, ¿realmente funciona esta tecnología? ¿Es posible ver en la oscuridad total?

La tecnología de visión nocturna permite visualizar objetos en ausencia de luz artificial, incluso a varios cientos de metros de distancia. Edificios, vehículos y personas pueden verse con claridad en sistemas modernos de visión nocturna, mientras que a simple vista aparecerían como sombras imprecisas o serían completamente invisibles.

Los átomos están en constante movimiento. Vibran, se desplazan y giran, incluso en materiales sólidos como las sillas en las que nos sentamos. Aunque los sólidos parecen estáticos, sus átomos están en continuo movimiento a nivel microscópico.

Los átomos pueden encontrarse en diferentes estados de excitación, lo que significa que pueden poseer diferentes niveles de energía. Cuando un átomo recibe una cantidad suficiente de energía, ya sea a través del calor, la luz o la electricidad, sus electrones pueden absorber esa energía y saltar a un nivel de energía superior, dejando su estado fundamental para entrar en un estado excitado.

Un átomo está compuesto por:

• Un núcleo, que contiene protones (carga positiva) y neutrones (sin carga).
• Una nube de electrones, partículas con carga negativa que se distribuyen en distintos niveles de energía alrededor del núcleo.

Figura : Un átomo tiene un núcleo y una nube de electrones

Aunque los modelos atómicos modernos no describen las órbitas electrónicas como trayectorias definidas, sigue siendo útil pensar en ellas como niveles de energía donde los electrones pueden moverse. Cuando un electrón recibe suficiente energía, salta a un nivel de energía más alto, alejándose del núcleo.

Sin embargo, este estado excitado es inestable. Con el tiempo, el electrón regresa a su estado fundamental, liberando el exceso de energía en forma de un fotón (partícula de luz).

La liberación de energía en forma de fotones ocurre en muchos fenómenos cotidianos. Por ejemplo, en un tostador de pan, la resistencia eléctrica se calienta y emite un brillo rojo intenso, que es causado por la emisión de fotones de baja energía en el espectro visible.

La longitud de onda del fotón emitido (y por lo tanto su color) depende del nivel de energía del electrón cuando regresa a su estado fundamental. Cuanto mayor es la energía liberada, más corta es la longitud de onda del fotón. Esto se observa en objetos extremadamente calientes, como metales incandescentes, que pueden pasar del rojo al naranja, amarillo, azul y finalmente al blanco a medida que aumenta su temperatura.

Emisión Térmica y Su Relación con la Visión Nocturna

Figura : Imágen térmica de una cebra

Cualquier objeto que utilice energía también genera calor, lo que provoca la emisión de fotones en el espectro infrarrojo térmico. Esta emisión es clave en la tecnología de visión nocturna y termografía.

Las reglas generales de la emisión térmica son:

1. Cuanto más caliente está un objeto, más fotones infrarrojos emite.
2. A temperaturas muy altas, los fotones comienzan a emitirse en el espectro visible, permitiendo que los objetos brillen intensamente sin necesidad de iluminación externa.
3. Los dispositivos de visión nocturna y térmicos detectan esta radiación infrarroja, permitiendo ver objetos en completa oscuridad mediante la diferencia de temperatura.

Esta capacidad de detección infrarroja es utilizada en múltiples aplicaciones, desde seguridad y rescate hasta exploración astronómica y diagnóstico industrial.

Los átomos y su interacción con la energía son fundamentales para explicar fenómenos como la emisión de luz, el calor y la visión nocturna. Gracias a la emisión de fotones en el espectro infrarrojo, es posible desarrollar tecnologías avanzadas de imagen térmica, utilizadas en seguridad, astronomía, medicina y muchas otras disciplinas.

Para comprender cómo funciona un dispositivo de visión nocturna, es útil compararlo con una cámara de video altamente sensible a la luz. Los sistemas de visión nocturna mejoran electrónicamente la imagen que percibe el usuario. En realidad, no se observa la escena en sí, sino una imagen de video procesada mediante un tubo intensificador de imagen.

Los intensificadores de imagen se clasifican en generaciones, que indican su nivel de sofisticación:

• Generación 0: Usada en la Segunda Guerra Mundial, empleaba iluminación infrarroja activa, lo que la hacía visible para los enemigos con equipos similares.

• Generación 1: Usaba luz ambiente en lugar de infrarrojos activos, pero requería una fuente mínima de iluminación, como la luz de la luna.

• Generación 2: Introdujo la placa de microcanales, mejorando la sensibilidad en condiciones de poca luz.

• Generación 3: Utiliza arseniuro de galio para aumentar la conversión de fotones en electrones, mejorando la resolución y el rendimiento.

• Generación 4: Eliminó la barrera de iones, lo que redujo el ruido de fondo y mejoró la relación señal-ruido, ofreciendo imágenes más claras y detalladas.

Luz y Espectro Infrarrojo

Figura: Espectro visible ( luz ).

Para entender la visión nocturna, es fundamental conocer cómo funciona la luz. La cantidad de energía de una onda de luz está relacionada con su longitud de onda:

• Luz visible: Desde el violeta (mayor energía) hasta el rojo (menor energía).

• Infrarrojo cercano (0,7 - 1,3 micras): Similar a la luz visible, usado en controles remotos y sensores.

• Infrarrojo medio (1,3 - 3 micras): Utilizado en diversas aplicaciones electrónicas.

• Infrarrojo térmico (3 - 30 micras): Emitido por objetos en función de su temperatura, clave para la termografía.

Principio de Emisión Térmica

Los átomos de cualquier objeto están en constante movimiento. Cuando un material se calienta, sus electrones absorben energía y luego la liberan en forma de fotones. Estos fotones pueden estar en el espectro infrarrojo térmico, dependiendo de la temperatura del objeto. A mayor temperatura, menor longitud de onda y mayor energía de los fotones emitidos. Termografía y Visión Nocturna

Los dispositivos de visión nocturna basados en imágenes térmicas capturan la radiación infrarroja emitida por los objetos y la convierten en imágenes visibles. Esto es especialmente útil en aplicaciones militares, rescate y detección de incendios.

1. Control de brillo automático (ABC - Automatic Brightness Control): Ajusta la intensidad de la imagen para evitar deslumbramiento.

2. Protección contra fuentes brillantes (BSP - Bright Source Protection): Reduce el voltaje del fotocátodo para evitar daños en el tubo intensificador.

3. Resolución mínima (PRM - Pairs per millimeter, lp/mm): Indica la capacidad del dispositivo para distinguir detalles.

4. Ángulo de campo de visión: Determina el ancho de la imagen capturada.

5. Iluminador infrarrojo: Fuente de luz infrarroja para mejorar la visibilidad en total oscuridad.

6. Alcance máximo: Distancia máxima a la que se pueden detectar objetos con claridad.

• Militar y Seguridad: Vigilancia, reconocimiento y operaciones tácticas.

• Rescate y Emergencias: Localización de personas en condiciones adversas.

• Industria y Automoción: Detección de fallos en infraestructuras y sistemas avanzados de conducción.

• Astronomía: Observación del cielo en espectro infrarrojo.

• Vida Silvestre: Monitoreo de animales en la oscuridad.

La visión nocturna ha evolucionado considerablemente desde sus primeras aplicaciones militares hasta convertirse en una tecnología esencial en múltiples industrias. Con cada nueva generación, los dispositivos mejoran en resolución, sensibilidad y rendimiento, permitiendo una visión más clara y precisa en condiciones de baja iluminación o completa oscuridad. Con el avance de la tecnología, es probable que estos sistemas sean aún más compactos, accesibles y eficientes en el futuro.

Términos destacados :

• Visión nocturna (Night vision)
• Tubo intensificador de imagen (Image intensifier tube)
• Espectro infrarrojo (Infrared spectrum)
• Generación de visión nocturna (Night vision generation)
• Infrarrojo térmico (Thermal infrared)
• Átomo (Atom)
• Fotón (Photon)
• Emisión térmica (Thermal emission)
• Longitud de onda (Wavelength)
• Intensidad luminosa (Light intensity)
• Iluminador infrarrojo (Infrared illuminator)
• Alcance máximo (Maximum range)
• Protección contra fuentes brillantes (Bright source protection - BSP)
• Control de brillo automático (Automatic brightness control - ABC)
• Resolución mínima (Minimum resolution)
• Ángulo de campo de visión (Field of view - FOV)
• Termografía (Thermography)
• Aplicaciones militares (Military applications)
• Industria y automoción (Industry and automotive)
• Astronomía infrarroja (Infrared astronomy)

Conducir de noche puede ser un desafío para muchas personas. La profundidad de campo se reduce drásticamente en la oscuridad, agravada por las luces deslumbrantes provenientes de otros vehículos. Además, las sombras oscuras y las inclemencias del tiempo pueden dificultar aún más la visibilidad.

La oscuridad no solo reduce la luz disponible en la escena, sino que también disminuye el contraste, lo que deja al conductor expuesto a luces intensas de faros, farolas, carteles luminosos o la luna llena, sin una adecuada diferenciación de sombras.

Sin embargo, existen gafas para conducir de noche diseñadas para reducir el resplandor de los faros y mejorar el contraste en la carretera, facilitando la visibilidad en condiciones de baja iluminación.

Algunas gafas de conducción y ciertos tipos de gafas de seguridad se conocen como gafas de visión nocturna. Generalmente, estas tienen un tinte amarillo, naranja o durazno. También existen lentes de conducción claras que reducen el deslumbramiento mediante la polarización.

Las gafas de conducción amarillas son eficaces en condiciones de días nublados, lluviosos o con poca luz. Sin embargo, no deben usarse en oscuridad total, ya que cualquier tonalidad en el cristal bloquea parte de la luz y puede dificultar la visión de detalles en condiciones de muy baja iluminación.

Aunque se las conoce como gafas de visión nocturna, las versiones tintadas más populares no deben utilizarse para la conducción nocturna en completa oscuridad. Si bien aumentan el contraste, esto hace que los faros enfrentados en la carretera parezcan aún más brillantes, lo que puede resultar en distracción o fatiga visual.

El uso de gafas de contraste no se limita únicamente a la conducción. Las de color amarillo son populares entre los cazadores, mientras que las de tinte durazno y ámbar son utilizadas por golfistas. En cuanto a los lentes claros antirreflectantes, son los únicos recomendados para condiciones de oscuridad total.

Las gafas polarizadas de conducción son una excelente opción, especialmente para actividades como la pesca, ya que la polarización reduce los reflejos en la superficie del agua, mejorando la visibilidad.

Muchos profesionales de la visión consideran que las lentes polarizadas ayudan a reducir la fatiga visual al conducir de día, ya que filtran parte de la luz reflejada en superficies planas. Sin embargo, no están diseñadas para ser usadas de noche. Su principio de funcionamiento se basa en la filtración de ondas de luz en diferentes direcciones, dejando pasar únicamente las ondas verticales. Esto permite eliminar reflejos en el agua o en carreteras mojadas, lo que es especialmente útil para pescadores y conductores.

A pesar de sus ventajas, algunas personas reportan dolores de cabeza al usar gafas polarizadas, aunque no es un efecto común. Además, algunas gafas de sol más económicas incluyen filtros polarizados de baja calidad que pueden desprenderse con el tiempo.

Otro inconveniente de las lentes polarizadas es que afectan la visibilidad de pantallas LCD, ya que estas suelen estar polarizadas horizontalmente. Esto significa que, al usar gafas polarizadas, el usuario puede tener dificultades para ver la pantalla de algunos vehículos. Por esta razón, pilotos de aerolíneas y otros profesionales que dependen de monitores LCD no deben usar gafas polarizadas.

Además, las gafas polarizadas pueden dificultar la identificación de hielo en la carretera, ya que eliminan los reflejos en la superficie congelada, lo que puede representar un riesgo en condiciones invernales o para esquiadores.

Según la Asociación Americana de Optometría (AOA), la retina humana contiene células receptoras llamadas bastones y conos, que responden a la luz y envían señales al cerebro para generar la visión.

• Los bastones permiten la visión en condiciones de poca luz (visión escotópica).
• Los conos funcionan en niveles elevados de iluminación (visión fotópica).

La AOA señala que la adaptación del ojo a la oscuridad es automática, pero tiene efectos significativos en la visión nocturna:

• La agudeza visual puede reducirse hasta 20/200 o menos.
• La visión del color se altera; los tonos azules y verdes parecen más brillantes, mientras que los rojos se difuminan.
• Se puede experimentar miopía nocturna y una reducción en la percepción de profundidad.
• El deslumbramiento de luces intensas se vuelve un problema importante.
• Puede aparecer un punto ciego central debido a la falta de contraste.

Datos del Departamento de Transporte y la Administración Nacional de Seguridad Vial de Estados Unidos revelan que:

• A una velocidad de 60 mph (96.56 km/h), los faros de cruce iluminan aproximadamente 160 metros por delante, pero la distancia de frenado media es de 270 metros.
• Conductores mayores de 60 a 75 años tienen casi el doble del tiempo de reacción que los conductores jóvenes (18 a 30 años), lo que incrementa la tasa de accidentes nocturnos en este grupo.
• El 49% de los accidentes de tránsito ocurren durante la noche.
• Hay un 20% más de accidentes por exceso de velocidad en horario nocturno.
• El número de accidentes fatales es mayor en la noche.
• La somnolencia y quedarse dormido al volante son dos de las principales causas de accidentes nocturnos.
• Los accidentes relacionados con el alcohol ocurren con mayor frecuencia en horario nocturno.

Para mejorar la seguridad al conducir de noche, es importante aumentar la agudeza visual. Nuestros ojos necesitan tiempo para adaptarse a la oscuridad, lo que limita nuestra capacidad para ver sin ayuda externa. Aquí es donde las gafas de conducción nocturna pueden marcar la diferencia.

El fabricante de relojes deportivos Tag Heuer ha desarrollado un modelo de gafas de visión nocturna para ayudar a los conductores a ver mejor en condiciones de baja iluminación. Inicialmente diseñadas para las 24 Horas de Le Mans, estas gafas optimizan el contraste, compensando la deficiencia natural del ojo humano, que solo retiene un 10% de su capacidad visual por la noche. Sus lentes de color amarillo pálido proporcionan una visión clara y nítida, con una alta transmisión de luz que mejora la percepción sin alterar los colores naturales. Además, poseen un tratamiento antirreflectante que reduce el brillo y mejora la nitidez.

Otros diseños incluyen gafas infrarrojas para mejorar la visión en entornos con nieve o playas, donde los rayos ultravioleta e infrarrojos reflejan hasta un 80% en los ojos.

Términos destacados :

• Gafas de visión nocturna ( Night vision glasses )
• Conducción nocturna ( Night driving )
• Gafas de contraste ( Contrast glasses )
• Deslumbramiento de faros ( Headlight glare )
• Fatiga visual ( Eye strain )
• Gafas polarizadas ( Polarized glasses )
• Visión con poca luz ( Low light vision )
• Gafas de conducción amarillas ( Yellow driving glasses )
• Conducción segura de noche ( Safe night driving )
• Antirreflejo para conducir ( Anti-glare driving )
• Adaptación ocular a la oscuridad ( Dark adaptation )
• Percepción de profundidad ( Depth perception )
• Accidentes nocturnos ( Nighttime accidents )
• Tiempo de reacción en conducción ( Driving reaction time )
• Miopía nocturna ( Night myopia )
• Gafas antirreflejantes ( Anti-reflective glasses )
• Filtro de luz azul ( Blue light filter )
• Visión escotópica ( Scotopic vision )
• Reducción de reflejos ( Glare reduction )
• Somnolencia al volante ( Drowsy driving )

• Las gafas con lentes de color amarillo o ámbar aumentan el contraste en condiciones de poca luz.
• Un mayor contraste facilita la detección de detalles en la carretera con iluminación tenue.
• Mejora la percepción de profundidad y la medición de distancias entre objetos y vehículos.
• No proporcionan una amplificación de imagen como los anteojos infrarrojos verdaderos.
• Las gafas de color no deben usarse para la conducción nocturna.
• Pueden hacer que las luces incidentes parezcan más brillantes, lo que podría ser una distracción.

En términos generales, las gafas comúnmente llamadas de visión nocturna o de conducción, no deben usarse en condiciones de luz intensa o de oscuridad total, pero pueden ser una opción segura y eficaz en situaciones de nubosidad, anochecer y amanecer.