RADIAZIONE INFRAROSSA E VISIONE NOTTURNA

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RADIAZIONE INFRAROSSA E VISIONE NOTTURNA

05-12-2011 - scritto da siravoduilio

Radiazione infrarossa visione notturna

In fisica la radiazione infrarossa (IR) è la radiazione elettromagnetica con una frequenza inferiore a quella della luce visibile, ma maggiore di quella delle onde radio.

Lo spettro cromatico

La sensibilità dell'occhio umano


Immagine di un cane nel medio infrarosso (detto anche "termico"), in falsi colori.


La radiazione infrarossa viene usata in apparecchi di visione notturna, quando non c'è abbastanza luce visibile. I sensori infrarossi convertono la radiazione in arrivo in un'immagine: questa può essere monocromatica (ad esempio, gli oggetti più caldi risulteranno più chiari), oppure può essere usato un sistema di falsi colori per rappresentare le diverse temperature. Questi apparecchi si sono diffusi inizialmente negli eserciti di numerosi Paesi, per poter vedere i loro obiettivi anche al buio.
Tra le applicazioni della radiazione infrarossa è la cosiddetta termografia, evoluzione in campo civile della tecnologia di visione notturna nata per scopi militari.
Il fumo è più trasparente alle radiazioni nel campo dell'infrarosso rispetto a quelle appartenenti alla luce visibile, perciò i pompieri possono usare apparecchi infrarossi per orientarsi in ambienti pieni di fumo.
L'infrarosso è utilizzato anche come mezzo di trasmissione dati: nei telecomandi dei televisori (per evitare interferenze con le onde radio del segnale televisivo), tra computer portatili e fissi, palmar, telefoni cellulari e altri apparecchi elettronici.
Lo standard di trasmissione dati affermato è l'IrDA (Infrared Data Association). Telecomandi e apparecchi IrDA usano diodi emettitori di radiazione infrarossa (comunemente detti LED infrarossi). La radiazione infrarossa da loro emessa viene messa a fuoco da lenti di plastica e modulata, cioè accesa e spenta molto rapidamente, per trasportare dati. Il ricevitore usa un fotodiodo al silicio per convertire la radiazione infrarossa incidente in corrente elettrica. Risponde solo al segnale rapidamente pulsante del trasmettitore, ed è capace di filtrare via segnali infrarossi che cambiano più lentamente come luce in arrivo dal Sole, da altri oggetti caldi, e così via.
Anche la luce usata nelle fibre ottiche è spesso infrarossa.
Inoltre la radiazione infrarossa è utilizzata nella spettroscopia infrarossa, usata nella caratterizzazione dei materiali.
L'evoluzione della tecnologia per visione all'infrarosso ha portato in campo militare e successivamente in campo civile, al concepimento di particolari visori notturni. I primi modelli erano molto complessi, presentavano un certo ingombro e avevano un peso elevato; col passare degli anni la tecnologia si è migliorata al punto di creare visori notturni di dimensioni molto ridotte, capaci di essere usati anche con una sola mano o addirittura indossati come un paio di occhiali per operazioni d'incursione speciali. Vediamo con ordine l'evoluzione di questi speciali visori e il loro funzionamento.
I visori notturni vengono chiamati "tubi intensificatori di luce" perchè richiedono un minimo di luce per il loro funzionamento. Al buio totale, non è possibile vedere utilizzando solo il visore, quindi si possono utilizzare degli illuminatori a raggi infrarossi che non sono visibili all'occhio umano, ma ideali per i visori perchè fungono da fonti d'illuminazione (infrarosso attivo) con una lente che proietta la luce infrarossa a circa 100 mt di distanza nel buio totale. I tubi intensificatori raccolgono tutta la luce infrarossa disponibile che viene riflessa dall'ambiente circostante e la riconvertono in energia elettrica attraverso un fotocatodo; successivamente l'immagine viene ricreata in un piccolo monitor al fosforo posto all'interno del visore, ma con un'intensità maggiore e tramite l'oculare l'operatore potrà variarne la messa a fuoco. L'immagine che si osserva nell'oculare è di colore verde perchè ha una luminosità più intensa rispetto al rosso e viene percepita in modo migliore dall'occhio umano, mentre le piante e gli esseri viventi presenteranno delle tonalità più intense, tendenti al bianco. Tutti i tubi ad intensificazione, con il tempo tendono ad esaurire la loro capacità in base all'utilizzo che ne viene fatto (viene calcolato in ore di lavoro dell'apparato). I visori si suddividono in GENERAZIONI, termine usato per distinguere il tipo di tecnologia usata per la loro costruzione.
GENERAZIONE 0: presentano all'interno un fotocatodo con massima risposta nella zona blu/verde ed usano un'inversione elettrostatica con accelerazione ad elettroni per ottenere un certo guadagno visivo. Sono caratterizzati da forti distorsioni dell'immagine e necessitano di un'illuminazione infrared supplementare esterna.
GENERAZIONE 1: sono strutturati su un intensificatore costituito da un tubo suddiviso in più livelli in cui gli elettroni della luce raccolta vengono accelerati, amplificandola migliaia di volte fornendo così un ottimo guadagno sull'immagine. Anche questa generazione presenta alcuni problemi come la distorsione geometrica delle immagini (l'immagine è lievemente indistinta lungo gli orli), l'effetto "strisciata" quando il visore viene mosso e lo schermo visivo rimane acceso per alcuni minuti dopo che il visore è stato spento.
GENERAZIONE 2: sfruttano un fotocatodo piatto a microcanali (PMC) costituito da micro tubi e situato direttamente dietro il tubo fotocatodico per un miglior guadagno; presentano sia l'inversione elettrostatica che quella a fibra ottica. Presentano minime distorsioni. Un tempo utilizzata principalmente dalle Forze dell'Ordine o per applicazioni professionali ora è commercializzata anche nel settore civile. Superiore alla Generazione 1 sia in amplificazione che in definizione d'immagini.
GENERAZIONE 3: presentano un fotocatodo in arsenuro di gallio, con un disco a microcanali per raccogliere più luce ed aumentarne la risoluzione. Offrono pochissima distorsione e una resa eccellente in fatto di definizione che di durata nel tempo.
GENERAZIONE 4: concepiti nell'ultimo decennio, sfruttano una nuova tecnologia basata su tubi a "filmless" controllato. Presentano un miglioramento nella risposta del tubo fotocatodico del 100%, migliore rapporto segnale rumore, incremento di tre volte della luminosità e della risoluzione. Tuttora questi tubi intensificatori sono ancora in fase di studio e miglioramento.
I visori notturni di GENERAZIONE 3 e 4 sono solo ad uso militare o per Forze dell'Ordine.
I visori notturni presentano una certa portata che può essere influenzata da vari fattori:
- il "raggio di riconoscimento" in cui il visore notturno permette di individuare un obiettivo riuscendo a capire di cosa si tratta
- il "raggio di rilevazione" nel quale chi osserva con il visore è in grado di individuare solo qualche cosa che si muove, senza avere una immagine nitida
- le condizioni di luce presenti: ci si può trovare ad operare in una notte di luna piena, con il cielo stellato o nuvoloso, con foschia o fitta nebbia. La tabella che segue mostra la portata generica dei vari visori notturni in base alla generazione del visore, alle condizioni di luce e all'obiettivo che vogliamo vedere.

 

 

 

 

TIPO DI VISOREluna piena
cielo stellato
nuvoloso
foschia/nebbia

GENERAZIONE 0

Fino a 297mt
Fino a 137mt
Fino a 64mt
Fino a 40mt

GENERAZIONE 1Fino a 685mt

 

Fino a 275mt
Fino a 140mt
Fino a 75mt

GENERAZIONE 2

Fino a 920mt
Fino a 500mt
Fino a 275mt
Fino a 150mt

GENERAZIONE 3

Fino a 1150mt
Fino a 740mt
Fino a 500mt
Fino a 295mt

GENERAZIONE 4

Fino a 1300mt
Fino a 870mt
Fino a 595mt
Fino a 400mt

I visori notturni possono essere collegati ad una fotocamera reflex tramite un anello T2 con ghiera al corpo macchina, realizzando così fotografie all'infrarosso su pellicola a colori (l'immagine risulterà come la si vede tramite l'oculare); si possono ottenere fotografie particolari se si utilizza il visore con reflex caricata con pellicola infrared: in questo caso i tempi di esposizione si possono gestire a piacere perchè la quantità di luce che fornisce il visore alla pellicola è tale che basta meno di 1sec.per impressionarla, mentre si possono usare tempi più lunghi d'esposizione per esempio in fotoastronomia o ricerche particolari.
Esempio di foto scattata con visore notturno su pellicola a colori e alcuni modelli di visori:

La stessa tecnologia viene usata per la costruzioni di particolari telecamere all'infrarosso, usate sia in campo militare che in quello civile per ottenere particolari filmati con definizione maggiore. Qui di seguito un esempio, alcuni frames del filmato girato con telecamere infrared dall'Aeronautica Militare Messicana di alcuni oggetti volanti non identificati:


(clicca sulle foto per ingrandire)

La tecnologia infrared viene oggi ampiamente usata nella trasmissione dati fra apparati elettronici (computers, televisori, lettori dvd...) e soprattutto nelle fotocamere digitali, costituite da un sensore CCD che è un chip su cui l’immagine è catturata in analogico e convertita in digitale ed è diviso in piccole aree dette pixel, ognuna delle quali registra l’informazione di colore arrivando a grandi risoluzioni come 8Mpixel (il massimo è 14Mpixel). Il numero totale di pixel si ottiene dal prodotto della risoluzione verticale per la risoluzione orizzontale. Caratteristica importante per i CCD è la grandezza dei singoli pixel che influisce sulla capacità di catturare luce: i pixel più grandi hanno una resa maggiore dei sensori piccoli. I pixel sono monocromatici, nel senso che sono costruiti e verniciati singolarmente per catturare la luce solo per il colore interessato.

Immagine ripresa con videocamera per la visione notturna


I primi apparati di visione notturna compaiono alla fine della seconda guerra mondiale. Pesanti e ingombranti, sfruttavano una fonte luminosa ad infrarossi. Pur efficaci, questi strumenti fornivano un campo focale e visivo molto limitato e le dimensioni li rendevano scomodi e poco pratici. Questi intensificatori di luce notturna ad infrarossi vengono detti di “generazione 0”.
La fase successiva giunge con lo sviluppo della tecnica basata sull'amplificazione delle fonti di luce disponibili di notte: per esempio, l'intensificazione della luce stellare e della luce riflessa dalla luna. Questa tecnica, unita ad illuminatori all'infrarosso più piccoli ed efficaci, ha prodotto intensificatori di luce notturna potenti e pratici il cui sviluppo prosegue tuttora, ricorrendo sempre più alla tecnologia elettronica.
Note tecniche

Oggi sono disponibili quattro generazioni di intensificatori di luce notturna:

 

  • 1ª Generazione: utilizza un fotocatodo S-20, inversione elettrostatica ed accelerazione ad elettroni.
  • 2ª Generazione: sfrutta un fotocatodo S-25 (rosso esteso) con piatto a microcanali per ottenere l'intensificazione luminosa. Questi strumenti forniscono un'amplificazione luminosa più elevata con minor distorsione ai bordi.
  • 3ª Generazione: (riservata ai militari) utilizza arseniuro di gallio per il fotocatodo ed un disco a microcanali, ricoperto di una pellicola con barriera di ioni in grado di prolungare la durata del tubo illuminatore. La 3ª Generazione rappresenta il massimo della tecnologia ad oggi esportabile dagli USA verso i Paesi NATO.
  • 4ª Generazione: (riservata ai militari) utilizza sempre l’arseniuro di gallio per fotocatodo abbinato al disco a microcanali, ma non è ricoperto dalla pellicola di protezione, a svantaggio della durata ma a vantaggio della qualità dell’immagine. Inoltre dispone di una funzione denominata Auto Gated che riduce la possibilità di abbagliamenti da parte di luce diretta/indiretta improvvisa. La 4ª Generazione attualmente è ad uso esclusivo delle Forze Armate Statunitensi.

Esistono infine due generazioni europee di tubi prodotte 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

È da segnalare inoltre che 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 un Sensore IR : sarà poi l'operatore a stabilire l'impiego di uno rispetto all'altro.
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

Esistono altre forme di applicazione oltre a quelle citate precedentemente:

 

 

  • Nel settore "media e broadcast"
  • In medicina
  • Nelle applicazioni venatorie
  • Nel volo
  • Sorveglianza
  • In mare, come supporto per la navigazione
  • In auto
  • Nel tempo libero

 



Un caro saluto
Prof.Duilio Siravo
siravo@supereva.it
http://drsiravoduilio.beepworld.it
Cell.:3385710585
PROF.DOTT. DUILIO SIRAVO
http://drsiravoduilio.beepworld.it



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