La prima cosa a cui pensi quando senti le parole “visore notturno“ probabilmente è un film di spionaggio o un videogioco come Splinter Cell.
Nel panorama italiano del Softair, in special modo durante gli eventi MilSim, mi capita sempre con maggiore frequenza incontrare giocatori che durante la fase di gioco notturna o con poca luce utilizzano dispositivi per la visione notturna.
Personalmente mi è capitato di scontrarmi di notte con team dove ogni membro aveva con se un visore notturno o termico, e lascio a voi immaginare come sia finita. Piccolo spoiler… il mio team eliminato tutto in breve tempo.
Vi starete chiedendo “ma allora questi dispositivi funzionano davvero? si riesce davvero a vedere al buio e ti danno tutto questo vantaggio?“.
La risposta è decisamente sì. Con un dispositivo per la visione notturna adeguato, potresti riuscire a vedere una persona oltre 100 metri in una notte nuvolosa e senza luna!
Ma quello che ho notato quando ci si avvicina al mondo della visione notturna, riguarda la difficoltà nel reperire le giuste informazioni, e quelle che si trovano sono per la maggior parte in lingua inglese.
Ho quindi preferito interrompere la pubblicazione di articoli e dedicarmi allo studio riguardo i visori notturni in modo da creare una guida che possa permettere ai meno esperti di avere un quadro chiaro sul funzionamento di questi dispositivi e sulle differenze generazionali.
Come funziona la luce a infrarossi
Innanzitutto, è importante capire qualcosa sulla luce. Lo sapevi che non tutta la luce è visibile e la luce che possiamo vedere è chiamata “luce visibile“ ?
“La luce infrarossa generata dalle stelle VIENE RIFLESSA dalla Luna e forma l’illuminazione ambientale utilizzata dai dispositivi di visione notturna”.
Ma la luce visibile è solo una parte dello spettro elettromagnetico. Ci sono infatti altri tipi di luce che non possono essere visti ad occhio nudo. Ciò include la luce infrarossa e ultravioletta.
Proprio come la luce visibile, questa radiazione infrarossa è emessa dal Sole e dalle stelle, e illumina tutto, compresa la Terra e la Luna.
Noi esseri umani siamo fatti per vivere di giorno e dormire al buio e la retina dei nostri occhi (la parte sensibile alla luce) è composta da cellule chiamate coni (per vedere la luce colorata) e bastoncelli (per rilevare il movimento e la luce fioca).
Abbiamo 20 volte più bastoncelli che coni (120 milioni di bastoncelli e solo 6 milioni di coni), ma non siamo ancora così evoluti per vedere al buio e non abbiamo un tapetum come i gatti.
Allora cosa possiamo fare per vedere di notte? Semplice. Possiamo colmare questo gap con la tecnologia!
La luce a infrarossi può essere suddivisa in tre categorie:
Near-IR – la zona più vicina alla luce visibile, con lunghezze d’onda che vanno da 0,7 a 1,3 micron.
Intermediate IR – con lunghezze d’onda che vanno da 1,3 a 3 micron.
Thermal IR – occupando la maggior parte dello spettro infrarosso, l’IR termico ha lunghezze d’onda che vanno da 3 a oltre 30 micron.
Come funziona un visore notturno
I primi dispositivi per la visione notturna furono sviluppati per applicazioni militari durante la seconda guerra mondiale per aiutare i militari durante le missioni notturne in condizioni di scarsa illuminazione.
Un dispositivo per la visione notturna raccoglie le particelle di luce disponibili chiamate fotoni e, attraverso processi elettrici e chimici, le amplifica per produrre un’immagine utilizzabile quando siamo nell’oscurità quasi completa. L’immagine risultante può essere verde monocromatica o in bianco e nero.
Tutti i dispositivi per la visione notturna sono costituiti da quattro parti principali:
- Lente obiettivo
- Oculare
- Case esterno (Housing)
- Tubo intensificatore di immagine (IIT).
Il cuore di questi dispositivi sono i tubi intensificatori, che sono composti da un fotocatodo a un’estremità, un anodo interno al centro e uno schermo al fosforo all’altra estremità.
Il tubo intensificatore di immagine è la parte più importante e determinante delle prestazioni di un dispositivo di visione notturna. Dopo un uso diffuso durante la guerra del Vietnam, la tecnologia della visione notturna ha iniziato ad evolversi, portando a importanti scoperte che ne hanno permesso l’evoluzione in termini di qualità e prestazioni.
In questi 6 passaggi vedremo come funziona un dispositivo per la visione notturna:
- Un obiettivo, cattura la luce ambientale composta da fotoni (particelle di luce) e una parte della luce infrarossa più vicina alla luce visibile (con lunghezze d’onda che vanno da 0,7 a 1,3 micron).
- La luce raccolta viene inviata al tubo intensificatore, dove nella maggior parte degli NVD, il tubo viene alimentato da batterie che trasmettono ai componenti che si trovano al suo interno scariche elettriche ad alta tensione.
- All’interno del tubo intensificatore di immagine è presente un fotocatodo che ha il compito di convertire i fotoni in elettroni (le minuscole particelle subatomiche che trasportano l’elettricità in un circuito).
- Quando gli elettroni passano attraverso il tubo, altri elettroni simili vengono rilasciati dagli atomi nel tubo, moltiplicando per migliaia il numero originale di elettroni, attraverso l’uso di una piastra a microcanali (MCP) presente nel tubo.
Una MCP è un minuscolo disco di vetro che contiene milioni di fori microscopici (microcanali), realizzati utilizzando la tecnologia della fibra ottica. Un fatto interessante è che i microcanali presenti nella piastra sono creati con una leggera angolazione (da circa 5 gradi a 8 gradi di polarizzazione) per incoraggiare le collisioni degli elettroni.
Quando gli elettroni passano attraverso i microcanali, provocano il rilascio di migliaia di altri elettroni in ciascun canale utilizzando un processo chiamato “emissione secondaria a cascata”. In breve, gli elettroni originali entrano in collisione con un lato del canale, provocando il rilascio di altri elettroni.
Questi nuovi elettroni entrano in collisione anche con altri atomi, creando una reazione a catena che fa sì che migliaia di elettroni escano dal canale dove solo pochi sono entrati. - All’estremità del tubo intensificatore, gli elettroni colpiscono uno schermo ricoperto di fosforo.
Questi elettroni mantengono la loro posizione rispetto al canale attraverso il quale sono passati, il che fornisce un’immagine perfetta poiché gli elettroni rimangono nello stesso allineamento dei fotoni originali.
L’energia degli elettroni fa sì che i fosfori raggiungano uno stato eccitato e rilascino fotoni. Questi fosfori creano sullo schermo l’immagine verde o in bianco e nero che caratterizza la visione notturna. - L’immagine al fosforo verde viene visualizzata attraverso un’altra lente, chiamata lente oculare, che consente di ingrandire e mettere a fuoco l’immagine.
Questo processo è una descrizione di come funziona la tecnologia di terza generazione.
È importante capire che la tecnologia Gen 1 non ha la piastra a microcanali responsabile di una porzione molto ampia dell’amplificazione della luce.
Le unità Gen 2 hanno piastre a microcanali in modo da creare una grande amplificazione della luce, tuttavia non hanno le stesse pellicole protettive o barriere ioniche che troviamo sulle piastre a microcanali delle apparecchiature Gen 3.
L’assenza di questa barriera ionica riduce la durata dei tubi Gen 2. La seconda generazione utilizza anche un vecchio fotocatodo tri-alcali più economico anziché il più recente e più efficace fotocatodo di arseniuro di gallio utilizzato nella terza generazione, che migliora le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione e aumenta la distanza di rilevamento degli oggetti.
Fin dalla nascita di questi dispositivi, il loro principio di funzionamento di base è rimasto sostanzialmente lo stesso; tuttavia, la risoluzione, la nitidezza e la luminosità dell’immagine sono notevolmente migliorate nel corso degli anni.
Terminologia da conoscere
Prima di immergerci nella discussione tecnica e analizzare le varie generazioni, è opportuno familiarizzare con una terminologia comune che viene utilizzata quando si parla di visione notturna.
Active Device:
Dispositivi per la visione notturna che utilizzano illuminatori a infrarossi (IR) per proiettare luce aggiuntiva o supplementare sui bersagli.
Anode:
Un elettrodo a carica positiva che accelera gli elettroni verso lo schermo al fosforo.
Automatic Brightness Control (ABC):
Una funzione elettronica che riduce automaticamente le tensioni alla piastra a microcanali per mantenere la luminosità dell’intensificatore entro limiti ottimali per proteggere il tubo.
L’effetto di ciò può essere visto quando si passa rapidamente da condizioni di scarsa illuminazione a condizioni di luce intensa; l’immagine diventa più luminosa e poi, dopo un momentaneo ritardo, la luce si attenua improvvisamente a un livello costante.
Blooming:
Perdita momentanea dell’immagine della visione notturna causata dal sovraccarico del tubo intensificatore da parte di una fonte di luce intensa.
Quando una fonte di luce troppo luminosa entra nel campo visivo del dispositivo, l’intera scena della visione notturna diventa molto più luminosa, “sbiancando” gli oggetti all’interno del campo visivo.
Il blooming è comune nei dispositivi di generazione 0 e 1.
Bright-Source Protection (BSP):
Una funzione elettronica che riduce la tensione al fotocatodo quando il dispositivo di visione notturna è esposto a fonti di luce intensa come luci di stanze o luci di automobili.
Il BSP protegge il tubo dai danni e ne migliora la durata; tuttavia, ha anche l’effetto di abbassare la risoluzione durante il funzionamento.
Diopter (Diottrie):
L’unità di misura utilizzata per definire la correzione dell’occhio o il potere di rifrazione di una lente.
Di solito, le regolazioni di un oculare tengono conto delle differenze della vista.
La maggior parte dei sistemi ITT fornisce una gamma di diottrie da +2 a -6.
Distortion:
Ci sono due tipi di distorsione che si trovano nei sistemi di visione notturna. Un tipo è causato dal design dell’ottica ed è la classica distorsione ottica.
L’altro tipo è associato a difetti di fabbricazione nelle fibre ottiche utilizzate nel tubo.
Classical Optical Distortion:
La Classical Optical Distortion “distorsione ottica classica” si verifica quando il design dell’ottica o del tubo intensificatore fa sì che le linee rette ai margini del campo visivo si incurvino verso l’interno o verso l’esterno.
Questa curvatura farà sì che un motivo a griglia quadrata inizi a sembrare un barile. Questa distorsione è la stessa per tutti i sistemi con lo stesso numero di modello.
Un buon design normalmente rende questa distorsione delle linee invisibile all’utente.
Emission Point:
Un punto preciso o fluttuante di luce intensa presente nell’immagine che non scompare quando tutta la luce arriva nell’obiettivo.
Se un punto di emissione scompare o è solo debolmente visibile durante la visualizzazione in condizioni notturne più luminose, non indica un problema.
Se il punto di emissione rimane luminoso in tutte le condizioni di illuminazione, il sistema deve essere riparato.
Non confondere il punto di emissione con una sorgente di luce nell’immagine visualizzata.
Eye Relief:
La distanza degli occhi di una persona rispetto all’ultimo elemento di un oculare per ottenere l’area ottimale dell’immagine.
Fiber Optics Manufactoring Distortions:
Esistono due tipi di distorsioni della fibra ottica per i visori notturni. I più significativi sono: S-Distortion e Shear Distortion.
- S-Distortion proviene dalla produzione degli inverter in fibra ottica. Di solito la S-Distortion è molto piccola ed è difficile da rilevare ad occhio nudo.
- La Shear Distortion può verificarsi in qualsiasi tubo che utilizza fasci di fibre ottiche per lo schermo al fosforo. Appare come una dislocazione di una linea retta visualizzata nell’area dell’immagine, come se la linea fosse “tagliata”.
Fixed-Pattern Noise (FPN):
Un debole motivo esagonale (a nido d’ape) in tutta l’area dell’immagine che si verifica spesso in condizioni di luce intensa.
Questo schema è inerente alla struttura della piastra a microcanali e può essere visto praticamente in tutti i sistemi Gen 2 e Gen 3 se il livello di luce è sufficientemente alto.
Footlambert (fL):
È un’unità di misura della luminanza del sistema americano. Un’unità corrisponde a una candela per metro quadrato.
Gallium Arsenide (GaAs):
Il materiale semiconduttore utilizzato nella produzione del fotocatodo Gen 3. I fotocatodi GaAs hanno una fotosensibilità molto elevata nella regione spettrale di circa 450-950 nanometri.
I² (Image Intensification):
Raccoglie e intensifica la luce visibile e infrarossa disponibile nello spettro. Offre un’immagine chiara e distinguibile in condizioni di scarsa illuminazione.
IIT:
Image Intensifier Tube
IR (Infrared):
Area al di fuori dello spettro di luce visibile che non può essere vista dall’occhio umano.
IR Illuminator:
Dispositivo che fornisce una fonte di luce (invisibile all’occhio umano) per l’amplificazione del sistema di visione notturna. Funziona a circa 880 nanometri.
ITAR:
“International Traffic in Arms Regulations” è una norma che regola l’esportazione e la vendita di determinate tecnologie al di fuori degli Stati Uniti.
lp/mm (Line Pairs per Millimeter):
Unità utilizzata per misurare la risoluzione dell’intensificatore di immagine.
Lumen:
Un lumen è un’unità scientifica che misura la luce a lunghezze d’onda che l’occhio umano percepisce (dal viola al rosso).
mA/W (Milliamps per Watt):
La misura della corrente elettrica (mA) prodotta da un fotocatodo quando viene esposto a una specifica lunghezza d’onda della luce a una potenza radiante (watt).
MCP (Microchannel Plate):
Un disco di vetro rivestito di metallo che moltiplica gli elettroni prodotti dal fotocatodo. L’MCP si trova solo nei sistemi Gen 2 e Gen 3. Gli MCP eliminano la distorsione caratteristica dei sistemi Gen 0 e Gen 1.
Il numero di fori (canali) di un MCP è un fattore importante nel determinare la risoluzione.
Modulation Transfer Function (MTF):
Una misura della capacità di un sistema ottico di riprodurre (trasferire) vari livelli di dettaglio dall’oggetto all’immagine.
Near-Infrared:
Le lunghezze d’onde più corte dell’infrarosso, nominalmente da 750 a 2.500 nanometri.
Noise:
Il segnale di uscita sullo schermo al fosforo che non è correlato all’effettiva immagine a infrarossi. Il rumore “Noise” distorce e offusca le immagini.
Sensitivity:
Definisce la quantità minima di luce a infrarossi che può essere rilevata.
Phosphor screen:
Scermo al fosforo che assorbe gli elettroni generati dal fotocatodo e produce l’immagine in luce visibile che corrisponde all’immagine infrarossa originale.
Photocathode:
Uno schermo/elettrodo caricato negativamente e rivestito con materiale fotosensibile che assorbe la luce infrarossa per produrre elettroni.
Passive devices:
Dispositivi per la visione notturna che utilizzano l’illuminazione a infrarossi naturale per l’imaging.
Scintillation:
Un debole e casuale effetto scintillante in tutta l’area dell’immagine. La “scintillazione“, a volte chiamata video noise “rumore video”, è una caratteristica normale dei tubi con piastra a microcanali ed è più evidente in condizioni di scarsa illuminazione. Non confondere la scintillazione con l’emission points.
Spectrum:
La gamma di energia elettromagnetica dei raggi cosmici ad una frequenza bassissima.
Thermal Imaging:
Rileva la radiazione e la differenza della temperatura in un intervallo da 7,5 a 13,5 micron e crea un’immagine termica. Meglio per il rilevamento che per il riconoscimento.
μA/lm (Microamps per Lumen):
La misura della corrente elettrica (μA) prodotta da un fotocatodo quando è esposto a una quantità misurata di luce (lumen).
Parametri di comparazione
In questo capitolo vengono riportati ulteriori termini di uso comune nel mondo della visione notturna.
Questi termini rappresentano i parametri più importanti di un IIT che bisogna prendere in considerazione durante l’acquisto, in quanto ci aiutano a capire l’effettiva qualità del tubo.
Tuttavia, ciò che devi tenere a mente è che ogni tubo che viene prodotto ha caratteristiche differenti con intervalli minimi e massimi impostati per ogni attributo.
Non è quindi possibile confrontare i tubi in base alla loro generazione perchè ad esempio, due dispositivi Gen2 potrebbero essere mondi a parte, a seconda del produttore, del modello di IIT e così via.
La maggior parte delle aziende produttrici non rilascia le specifiche complete del tubo e non saprai mai la qualità effettiva del’ IIT che stai acquistando, a meno che tu non richieda le specifiche esatte di quel tubo prima di procedere all’acquisto.
Nella maggior parte dei casi però, è possibile trovare nelle specifiche generiche dell’IIT le informazioni sui parametri che influiscono in modo significativo sulle prestazioni, come il signal-to-noise ratio (SNR), la risoluzione ed il FOM.
Autogated:
L’autogating è una nuova importante funzionalità che controlla dinamicamente la quantità di corrente che viene immessa nel tubo.
L’autogating offre al tubo una migliore protezione e previene la perdita di risoluzione eliminando il potenziale danno dovuto da un esposizione di luce intensa.
Analizzeremo l’Autogated nel dettaglio all’interno del capitolo dedicato.
Black Spots:
Si tratta di macchie all’interno dell’intensificatore come per esempio sporco o detriti.
I punti neri “Black Spots” presenti nell’IIT non influiscono sulle prestazioni o sull’affidabilità di un dispositivo di visione notturna e sono inerenti ai processi di produzione.
Equivalent Background Illumination (EBI):
Uno dei parametri più importanti che determina la quantità di luce che vedi attraverso il visore quando l’IIT è acceso ma non c’è luce sul fotocatodo.
L’EBI è influenzato dalla temperatura del visore e può diventare una significativa fonte di rumore quando l’IIT lavora a temperatura elevata.
Più caldo è il dispositivo di visione notturna, più luminosa e rumorosa sarà l’illuminazione di fondo.
L’EBI si misura in lumen per centimetro quadrato (lm/cm2) e più basso è il valore, meglio è. Il livello di EBI determina il livello più basso di luce attraverso il quale è possibile rilevare un’immagine.
Figure Of Merit (FOM):
Definisce la quantità minima di luce a infrarossi che può essere rilevata.
Il FOM è un numero che viene calcolato moltiplicando il signal-to-noise ratio per la risoluzione di un intensificatore di immagini.
Il FOM consente di stimare rapidamente il livello di prestazioni generale del tubo.
Gain:
Chiamato anche brightness gain “guadagno di luminosità”, è il numero di volte in cui un dispositivo di visione notturna amplifica l’input luminoso.
Il guadagno del tubo viene misurato in emissione di luce (in fL) divisa per la luce in ingresso (in fc). Questa cifra è solitamente espressa in valori di decine di migliaia.
Se il guadagno del tubo viene spinto troppo in alto, l’immagine sarà “più rumorosa” e il rapporto “signal-to-noise” potrebbe diminuire.
In qualsiasi sistema di visione notturna, il guadagno del tubo dipende anche dalle lenti, dalla qualità dell’ottica o di eventuali filtri.
Pertanto, il Gain è una misura molto importante che l’utente deve considerare.
Photocathode Sensitivity:
La sensibilità del fotocatodo indica la misura della conversione della luce in un segnale elettronico in modo che possa essere amplificato.
L’unità di misura della sensibilità del fotocatodo è microampere/lumen (μA/lm).
Poiché gli IIT vedono la luce che l’occhio non vede, è importante conoscere lo spettro colore della luce utilizzata per testare la sensibilità del fotocatodo.
La sensibilità del fotocatodo viene misurata utilizzando una sorgente luminosa con uno spettro cromatico simile a un corpo nero operante a 2.856°K. Questa fonte di luce è stata scelta perché ha uno spettro cromatico simile al colore di un cielo notturno illuminato solo dalle stelle.
La sensibilità del fotocatodo misurata con una diversa sorgente luminosa dello spettro di colori produrrà letture diverse.
Resolution:
È la capacità di un intensificatore di immagine o di un sistema di visione notturna di distinguere oggetti vicini tra loro.
La risoluzione dell’IIT è misurata in coppie di linee per millimetro (lp/mm). In genere, maggiore è questo parametro, migliore sarà la risoluzione dell’immagine.
Per ogni particolare sistema di visione notturna, la risoluzione del tubo rimarrà costante, mentre la risoluzione del sistema può essere influenzata alterando l’ottica dell’obiettivo, aggiungendo filtri di ingrandimento o lenti.
La risoluzione non indica la generazione del tubo.
Signal-to-Noise Ratio (SNR):
Una misura del segnale luminoso che raggiunge l’occhio, diviso per il rumore percepito visto dall’occhio.
L’SNR di un tubo determina la risoluzione in condizioni di scarsa illuminazione, quindi maggiore è l’SNR, migliore è la capacità del tubo di mostrare oggetti con un buon contrasto in condizioni di scarsa illuminazione.
L’SNR è il miglior indicatore delle prestazioni di un tubo, perchè è direttamente correlato alla sensibilità del fotocatodo e tiene conto anche dell’efficienza del fosforo e della tensione operativa dell’MCP.
Parte In Aggiornamento
Nelle prossime settimane verranno pubblicate ulteriori capitoli dove andremo a mettere a confronto le varie generazioni e ad approfondire ulteriori aspetti.
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