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Strumento per la visione notturna

La visione notturna è una funzionalità presente in alcune apparecchiature (come telecamere o speciali occhiali) atta a permettere la visione in ambienti bui e poco luminosi. Alcune di queste apparecchiature sono commerciabili e si possono acquistare in negozi specializzati.

Principi di funzionamento |

Oggi, le apparecchiature per la visione notturna sono realizzate sostanzialmente seguendo due tipi di principi:

• amplificando la luce;


• rilevando la radiazione infrarossa.

Sistemi ad amplificazione di luce |

I dispositivi che lavorano utilizzando il primo principio, integrano quello che viene chiamato intensificatore di luce (o amplificatore di luminosità). Quest'ultimo opera rilevando la scarsa luce proveniente dall'ambiente (grazie alla luminosità lunare o delle stelle) e la amplifica elettronicamente, presentando infine l'immagine (a luminosità amplificata) su uno schermo. La visione si presenta così simile a quella che si presenterebbe di giorno.
È importante sottolineare che questi dispositivi amplificano la luce preesistente nell'ambiente, per cui, se l'ambiente fosse assolutamente buio, non ci sarebbe nulla da amplificare e non si otterrebbe nessuna immagine.

Alcuni problemi pratici fanno sì che, anche in ambienti non eccessivamente bui, l'immagine possa essere irriconoscibile (mancanza di contrasto, immagine puntinata).

Un problema sentito, su questi dispositivi, è l'abbagliamento dovuto alle luci che entrano nell'immagine:

• il blooming, la sovraesposizione di una parte dell'immagine per la presenza di una luce relativamente intensa;


• l'halo, una "corona" sovraesposta attorno alle luci (anche puntiformi) presenti nel campo visivo;


• l'effetto cometa, scie luminose che si generano per la permanenza della saturazione dei pixel sovraesposti;


• l'abbagliamento temporaneo di tutto il dispositivo per la comparsa nell'immagine di forti e improvvise luci.

Man mano che la tecnologia si affina questi problemi diventano meno fastidiosi, ma non è possibile eliminarli del tutto.

Sistemi infrarossi passivi |

I dispositivi che lavorano utilizzando il secondo principio, integrano una termocamera (o telecamera ad infrarossi). Questa opera rilevando le radiazioni infrarosse che emettono tutti gli oggetti aventi una temperatura differente da quella ambientale. Da ciò è evidente che questi dispositivi non hanno nessun bisogno di luce da una fonte esterna: gli oggetti stessi sono fonte della radiazione che necessita.
Ovviamente l'immagine si presenterà molto diversa da quella a cui siamo normalmente abituati: la termocamera rileverà intensità proporzionali alle temperature superficiali degli oggetti, e gli oggetti più "luminosi" non saranno quelli che normalmente definiremmo "chiari" (quelli che meglio riflettono la luce visibile), ma quelli più caldi.
Anche questi dispositivi hanno problemi pratici che ne limitano l'utilizzo (es. mancanza di risoluzione, accecamento da fonti di calore, scarsa risoluzione di oggetti freddi).

Un problema di base, riguarda le limitazioni alla sensibilità, alla risoluzione a alla gamma di radiazione rilevabile, dovute al fatto che il dispositivo stesso è un oggetto "caldo", e la sua stessa temperatura maschera ciò che è destinato a rilevare. Per limitare questa mascheratura sarebbe necessario portare il dispositivo ad una temperatura più bassa possibile (senza danneggiarlo), raffreddandolo in qualche maniera.

In passato, per ottenere prestazioni accettabili, era necessario dotare le termocamere di un sistema di raffreddamento (a gas criogenico o a ciclo Stirling). Questo però significava aumento di peso, dimensioni e consumi. Poi, con il progredire della tecnologia, si è riusciti a produrre termocamere sufficientemente prestanti, da poter proficuamente essere utilizzate a temperatura ambiente. Per tutte le applicazioni più critiche, che richiedono capacità più prestanti, è ancora necessario usare termocamere raffreddate.

Gli strumenti di visione notturna che sfruttano la radiazione infrarossa presentano l'interessante proprietà di essere in grado di "vedere" oggetti altrimenti invisibili:

• i raggi infrarossi riescono ad attraversare meglio barriere che normalmente bloccano la luce visibile, ad esempio si può visualizzare oggetti immersi nella nebbia e nel fumo;


• in un'immagine infrarossa "spiccano" gli oggetti caldi, anche se essi sono mimetizzati o confusi nella vegetazione (come persone, veicoli, fuochi, costruzioni);


• in un'immagine infrarossa "spiccano" anche gli oggetti che per proprietà fisiche riflettono in modo particolare l'infrarosso, ad esempio si può distinguere coltivazioni in buona salute o in cattiva salute;


• infine un oggetto caldo scalda ciò che gli sta nelle vicinanze, lasciando impronta di sé, perfino dopo che è stato rimosso.

Sistemi infrarossi attivi |

Una tecnica alternativa all'infrarosso passivo, sfrutta la capacità delle superfici di riflettere gli infrarossi vicini (NIR-infrarossi con lunghezze d'onda prossime a quelle della luce rossa visibile). La tecnica prevede di illuminare l'ambiente con dei proiettori a raggi infrarossi (invisibili ad occhio nudo), le termocamere così non visualizzano l'ambiente per l'emissione propria degli oggetti, ma per quello che questi ultimi riflettono grazie all'illuminazione attiva dei proiettori. Ovviamente alle persone non provviste di visori ad infrarossi, l'ambiente continua ad apparire buio.

In passato, quando le termocamere erano poco sensibili, questa era una tecnica piuttosto comune, oggi è ancora utilizzata quando:

• non si dispone di termocamere abbastanza sensibili;


• si vuole migliorare la qualità dell'immagine (aumenta contrasto e risoluzione).

Sistemi misti |

Allo scopo di superare le rispettive limitazioni pratiche di questi dispositivi, recentemente sono stati realizzati sistemi "misti", che cercano di integrare i due principi di funzionamento.

Una via è quello di rendere gli intensificatori di luce sensibili almeno all'infrarosso vicino (NIR), che gli oggetti emettono in una certa quantità, anche in assenza di un proiettore apposito.

Un'altra via è quella di visualizzare su un monitor un'immagine "combinata" proveniente da due dispositivi (un intensificatore e una termocamera), rielaborando in tempo reale le rispettive immagini.

Tipo di visualizzazione |

Immagine ripresa con videocamera per la visione notturna

Esistono due modi di visualizzare le immagini:

• quello monocromatico;


• quello detto a "falsi colori".

Il primo modo è tipico degli intensificatori d'immagine, ma anche delle termocamere che sfruttano l'infrarosso vicino. Le aree più chiare sono quelle degli oggetti che riflettono maggiormente la radiazione (visibile e/o vicino-infrarosso) o, nel caso delle termocamere, gli oggetti caldi; le aree più scure sono quelle degli oggetti meno riflettenti e/o freddi. Le immagini appaiono spesso "verdi", questo perché gli schermi di questi dispositivi usano spesso dei fosfori verdi: oggi nessun dispositivo di questo tipo ha la capacità di visualizzare i veri colori di un oggetto per come apparirebbe con la luce naturale.

Il secondo modo è tipico delle termocamere che sfruttano l'infrarosso emesso direttamente dagli oggetti. L'immagine si presenta a colori, ma i colori non corrispondono a quelli della normale percezione ottica, ma rappresentano aree a temperatura superficiale simile. Gli oggetti sono colorati da una scala di colori che va' dal giallo, per i corpi più caldi, e a scalare (arancio, rosso, blu) fino al nero, per i corpi più freddi.

Note storiche |

I primi apparati di visione notturna compaiono alla fine della seconda guerra mondiale. Questi erano dei sistemi infrarossi attivi, chiamati anche "convertitori ad infrarossi". I dispositivi erano dei tubi a vuoto (es. tipo 6929, 6914) che rendevano visibile la luce infrarossa, ma non l'amplificavano. Pur efficaci, questi strumenti fornivano un campo focale e visivo molto limitato; le dimensioni, i pesi e il consumo energetico li rendevano scomodi e poco pratici. Infine, necessitando di una fonte luminosa ad infrarossi, si rendevano localizzabili dai nemici.
Questi apparati vengono detti di “generazione 0”.

Nel dopoguerra si perfezionano le termocamere, e si inizia ad utilizzare sistemi di visione ad infrarosso-passivo. Questi però richiedendo termocamere raffreddate, dunque sistemi grandi, pesanti ed energivori; per cui le applicazioni si limitavano ai veicoli appositamente attrezzati, mentre continuavano ad essere utilizzati (in forma più evoluta) i sistemi infrarossi attivi.

Negli anni '70 giunge a sviluppo la tecnica basata sull'amplificazione delle fonti di luce disponibili di notte: per esempio, l'intensificazione della luce generata dalle stelle e della luce riflessa dalla luna. Questi dispositivi si sono evoluti fino a raggiungere dimensioni, pesi e consumi molto contenuti, adatti ad essere usati come dispositivi portatili personali (tubi da 18 mm di diametro e consumi dell'ordine di 100-500 mW). Oggi sono in commercio cannocchiali, binocoli e occhiali (questi in realtà un po' ingombranti) utilizzabili per la visione notturna, alimentati con delle batterie tipo AA.

Nel frattempo, lo sviluppo delle tecnologie a semiconduttori, rendeva disponibile materiale prestante da usare come elemento sensore nelle termocamere. Queste progredirono in termini di dimensioni, consumi e sensibilità, fino al punto di poter essere utilizzate proficuamente anche a temperatura ambiente nei sistemi a infrarosso-passivo.

La tecnica dell'intensificazione di luce, unita a quelle delle termocamere all'infrarosso piccole ed efficaci, ha prodotto visualizzatori notturni potenti e pratici, il cui sviluppo prosegue tuttora.

Lo sviluppo futuro della materia è rappresentato dalla "Sensor Fusion", ovvero l'integrazione in un unico apparato di un tubo ad intensificazione di luce con una termocamera. Sarà poi l'operatore a stabilire l'impiego di uno rispetto all'altro, o combinare le due immagini.

Note tecniche sugli intensificatori di luce |

Oggi sono disponibili quattro generazioni di intensificatori di luce notturna:

1ª Generazione |

Dispositivi che utilizzano 1 o 3 tubi fotocatodici ad accelerazione di elettroni (es. tipo S-20).

L'immagine viene focalizzata otticamente sulla superficie del fotocatodo del tubo (di tipo alcalino), questo emette elettroni in proporzione ai fotoni di luce che riceve. Tramite delle piastre elettrostatiche, gli elettroni vengono accelerati e focalizzati sulla superficie di uno schermo posto all'altra estremità del tubo. Delle piastre a fibre ottiche possono accoppiare a cascata altri due tubi, ottenendo guadagni complessivi di luminosità fino a 10000 volte.

2ª Generazione |

Dispositivi che utilizzano tubi a piastre fotomoltiplicatrici (es. tipo S-25).

Anche in questo caso, l'immagine viene focalizzata otticamente sulla superficie del fotocatodo del tubo, e questo provvede ad emettere gli elettroni. Dopo il fotocatodo, è presente una piastra costituita da milioni di microcanali cavi di vetro, rivestiti da un sottilissimo strato di semiconduttori (ogni canale ha il diametro di circa 12,5 micron); questi di fatto costituiscono i pixel del dispositivo. Quando un elettrone, generato dal fotocatodo, entra in un canale, finisce per urtarne la superficie interna; il risultato è l'emissione di altri elettroni da parte del materiale semiconduttore, i quali sbattendo anch'essi sulle pareti del tubo, moltiplicano gli elettroni con un effetto a cascata (in pratica ogni tubo si comporta come un fotomoltiplicatore). All'altra estremità della piastra è presente uno schermo, che riproduce l'immagine "intensificata". La focalizzazione è generata dalla sottigliezza dei canali.

Questi tubi presentano vantaggi rispetto a quelli della generazione precedente:

• a parità di guadagno luminoso, questi tubi sono molto più corti e compatti;


• hanno una risoluzione superiore;


• hanno una gamma di sensibilità più ampia (sfruttano il rosso esteso);


• presentano una minor distorsione ai bordi.

3ª Generazione |

Dispositivi simili a quelli della 2ª generazione, ma che presentano alcune migliorie costruttive nei tubi:

1. utilizzano l'arseniuro di gallio per il fotocatodo, il quale permette di ampliare la sensibilità all'infrarosso-vicino;


2. utilizzano una piastra a microcanali ricoperta di una "pellicola barriera di ioni", in grado di prolungare la durata del tubo (da 4000 h della 2ª generazione a 10000 h di vita media).

L'arseniuro di gallio è anche più sensibile dei materiali precedenti, e permette di portare il guadagno di luminosità fino a 30000 volte.

Questi dispositivi sono riservati ai militari, e rappresentano il massimo della tecnologia oggi esportabile dagli USA verso i Paesi NATO.

4ª Generazione |

I dispositivi definiti di "4ª generazione" sono simili a quelli di 3°, ma sprovvisti della "pellicola barriera di ioni", a svantaggio della durata, ma a vantaggio della qualità dell'immagine. Inoltre è stato anche dimezzato il consumo elettrico.

Questi dispositivi dispongono tutti della funzione denominata "Auto-Gated", cioè la variazione automatica del guadagno di luminosità, che riduce la possibilità di abbagliamenti da parte di luci dirette/indirette improvvise. La funzione agisce sulla tensione di alimentazione della piastra a microcanali, in funzione dell'intensità luminosa complessiva dell'immagine.

La 4ª Generazione attualmente è ad uso esclusivo delle Forze Armate Statunitensi.

Produttori occidentali |

I più grandi produttori di tubi per l'intensificazione di immagine sono statunitensi.
Tra questi sono da citare ITT, L-3 Electronics, Photonis Night Vision e Qiopitq.

Esistono anche tubi prodotti dall'olandese DEP-Photonis:

• 
  SuperGen: si pone tra la 2ª Generazione Plus e la 3ª Generazione americana OMNI II.


• 
  XD-4: tubo di elevate qualità paragonabili ai tubi di 3ª in condizioni di luce notturna urbana, mentre risultano ancora inferiori alla 3ª Gen. USA in condizioni di buio estremo.

Differenze tra NightShot e visione notturna |

Da qualche anno si è diffusa (in particolare sulle videocamere mono CCD) la tecnologia “Nightshot” sistema per la ripresa notturna. Attenzione: la tecnologia "Nightshot" non ha nulla a che vedere con la visione notturna.

Il sistema “Nightshot” non fa che eliminare dal CCD la filtratura infrarossa “IR” rendendo così sensibile il CCD della telecamera alla luce infrarossa, se a questo aggiungiamo un'accensione automatica di uno o più LED infrarossi (gli stessi utilizzati ad esempio sui telecomandi video), otterremo un'immagine simile a quella della visione notturna.
Questa tecnologia è legata comunque ad un sistema di illuminazione LED che, a seconda della potenza, migliora le prestazioni. Ma se al buio spegnessimo il sistema di illuminazione infrarosso, la telecamera non vedrebbe assolutamente nulla.
La tecnologia della visione notturna lavora su un altro principio, cioè quello di intensificare la luce notturna residua circostante ricreando un'immagine amplificata; in questo modo è possibile penetrare nello spettro della luce oltre i 740 nanometri soglia oltre la quale l'occhio umano non vede che buio.

Applicazioni |

Questi dispositivi, nati per uso militare, trovano oramai applicazione in moltissimi altri campi.
Volendone citare alcuni:

• nella sicurezza civile, per l'individuazione di incendi;


• nel soccorso pubblico, per l'individuazione di dispersi;


• nel settore media e documentaristica, per riprese notturne o luoghi bui;


• in medicina come supporto diagnostico non invasivo;


• nelle applicazioni venatorie;


• in ingegneria, nel testing e nella diagnostica dei sistemi;


• nel volo strumentale;


• nella sorveglianza civile e di pubblica sicurezza;


• in mare, come supporto per la navigazione notturna;


• in auto, sui retrovisori TVCC;


• nel tempo libero.

Altri progetti |

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