HowStuffWorks - Como funciona a visão noturna
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A primeira coisa que você provavelmente pensa quando vê as palavras "visão noturna" é um filme de espiões ou de ação que você tenha visto, no qual alguém coloca um par de óculos de visão noturna para encontrar outra pessoa em um prédio escuro em uma noite sem luar. E você pode ter se perguntado "isso realmente funciona de verdade, é possível enxergar no escuro?" Foto cedida pela B.E. Meyers CompanyBinóculos diurnos/noturnos de giros estabilizados fabricados por B.E. Meyers Company
Foto cedida pelo Departamento de Defesa dos EUA
A resposta é sim, definitivamente. Com o equipamento de visão noturna apropriado, você pode ver uma pessoa a mais de 180 metros de distância em uma noite nublada e sem luar. A visão noturna pode funcionar de duas maneiras bem diferentes, dependendo da tecnologia utilizada. Otimização da imagem: funciona através da coleta das minúsculas porções de luz, incluindo a porção inferior do espectro luminoso infravermelho que está presente, mas é imperceptível para nossos olhos. Amplificando-a, podemos facilmente observar a imagem. Imagem térmica: esta tecnologia opera por meio da captura da porção superior do espectro luminoso infravermelho, emitido na forma de calor pelos objetos e não simplesmente refletido como luz. Objetos mais quentes, como corpos aquecidos, emitem essa luz com mais intensidade do que árvores ou edifícios, por exemplo. Neste artigo, você vai aprender sobre as duas principais tecnologias de visão noturna. Também discutiremos sobre os diversos tipos de equipamentos e as aplicações da visão noturna. Mas, primeiro, vamos falar sobre luz infravermelha. Os princípios básicosPara entender a visão noturna, é importante compreender um pouco sobre a luz. A quantidade de energia de uma onda luminosa está relacionada ao seu comprimento de onda (comprimentos de onda mais curtos possuem maior energia). Na luz visível, o violeta possui mais energia e o vermelho possui menos. Próximo do espectro da luz visível se encontra o espectro infravermelho. A luz infravermelha constitui uma pequena parte do espectro luminoso
A luz infravermelha pode ser dividida em três categorias: infravermelho próximo (IV próximo): mais próximo da luz visível, o IV próximo possui comprimentos de onda que alcançam de 0,7 a 1,3 mícrons ou de 700 a 1.300 bilionésimos de metro; infravermelho médio (IV médio): o IV médio possui comprimentos de onda que vão de 1,3 a 3 mícrons. Tanto o IV próximo quanto o IV médio são usados por uma variedade de dispositivos eletrônicos, incluindo os controles remotos; infravermelho térmico (IV térmico): ocupando a maior parte do espectro infravermelho, o IV térmico possui comprimentos de onda na faixa de 3 até mais de 30 mícrons. A diferença fundamental entre o IV térmico e os outros dois é que o IV térmico é emitido por um objeto em vez de ser refletido por ele. A luz infravermelha é emitida por um objeto devido ao que acontece no nível atômico.
Átomos Os átomos estão em constante movimento. Eles vibram, movimentam-se e giram de forma contínua. Até os átomos que formam as cadeiras em que estamos sentados estão se movimentando. Os sólidos, na verdade, estão em movimento! Os átomos podem estar em diferentes estados de excitação. Em outras palavras, eles têm energias diferentes. Se aplicarmos muita energia a um átomo, ele poderá deixar o que é chamado de nível de energia do estado fundamental e se mover para um nível excitado. O nível de excitação depende da quantidade de energia aplicada ao átomo por meio de calor, luz ou eletricidade. Um átomo consiste em um núcleo (que contém os prótons e os nêutrons) e uma nuvem de elétrons. Pense nessa nuvem de elétrons como se estivessem em volta do núcleo em órbitas diferentes. Apesar das visões mais modernas do átomo não ilustrarem as órbitas distintas dos elétrons, pode ser útil pensar nessas órbitas como os diferentes níveis de energia do átomo. Ou seja, se aplicarmos uma quantidade de calor a um átomo, podemos esperar que alguns dos elétrons nos orbitais de menor energia transportem-se para orbitais de maior energia mais distantes do núcleo. Um átomo possui um núcleo e uma nuvem de elétrons Assim que um elétron se move para um orbital de maior energia, pode ser que ele queira voltar para o estado fundamental. Quando isso acontece, ele libera essa energia como um fóton, que é uma partícula de luz. É possível ver átomos liberando energia em forma de fótons o tempo todo. Por exemplo, quando a resistência de uma torradeira fica vermelha. Essa cor é causada por átomos que, excitados pelo calor, liberam fótons vermelhos. Um elétron excitado possui mais energia do que um elétron não-excitado e, assim que o elétron absorve uma quantidade de energia para atingir o nível excitado, ele pode liberá-la para retornar ao estado fundamental. A energia emitida está na forma de fótons (energia luminosa). O fóton emitido tem um comprimento de onda (cor) muito específico, que depende do estado da energia do elétron quando o fóton é liberado. Qualquer ser vivo usa energia, da mesma forma que muitas coisas inanimadas, como motores e foguetes. O consumo de energia gera calor. O calor, por sua vez, faz com que os átomos de um objeto liberem fótons no espectro infravermelho térmico. Quanto mais quente o objeto, menor o comprimento de onda do fóton infravermelho que ele libera. Um objeto que esteja muito quente irá começar a emitir fótons no espectro visível, com um brilho vermelho que muda para o laranja, amarelo, azul e até mesmo branco. Não deixe de ler Como funcionam as lâmpadas, Como funciona o laser e Como funciona a luz para informações mais detalhadas sobre a emissão de luz e fótons. Na visão noturna, a geração de imagens térmicas aproveita essa emissão infravermelha. Na próxima seção, vamos ver como isso acontece. Geração de imagens térmicas Aqui está como funciona a geração de imagens térmicas: Uma lente especial focaliza a luz infravermelha emitida por todos os objetos no campo de visão. A luz focalizada é varrida por um conjunto de fase de elementos detectores de infravermelho. Os elementos detectores criam um padrão de temperatura bastante detalhado chamado termograma. Leva somente um trigésimo de segundo para o conjunto detector obter a informação de temperatura para fazer o termograma. Essa informação é obtida a partir de milhares de pontos diferentes no campo de visão do conjunto detector. O termograma criado pelos elementos detectores é traduzido em impulsos elétricos. Os impulsos são enviados para uma unidade de processamento do sinal, uma placa de circuitos com um chip que traduz a informação dos elementos em dados para o mostrador. A unidade de processamento do sinal envia a informação para o mostrador, onde aparece em diversas cores dependendo da intensidade da emissão do infravermelho. A combinação de todos os impulsos de todos os elementos cria a imagem. Imagem cedida pela Infrared, Inc.Os componentes básicos de um sistema de geração de imagens térmicas Dispositivos de geração de imagens térmicas A maioria dos dispositivos de geração de imagens térmicas faz uma varredura em uma proporção de 30 vezes por segundo. Eles podem reconhecer temperaturas na faixa de -20 a 2000ºC e podem detectar normalmente mudanças de temperatura de cerca de 0,2°C. Imagem cedida pela Infrared, Inc.É muito fácil enxergar tudo durante o dia... Imagem cedida pela Infrared, Inc....mas à noite, você consegue ver muito pouco Imagem cedida pela Infrared, Inc.A imagem térmica permite que você enxergue novamente Há dois tipos comuns de dispositivos de geração de imagens térmicas: não-resfriado: é o tipo mais comum de dispositivo de geração de imagens térmicas. Os elementos detectores de infravermelho localizam-se em uma unidade que opera à temperatura ambiente. Esse tipo de sistema é completamente silencioso, ativado de imediato e possui uma bateria embutida; resfriado criogenicamente: mais caro e mais suscetível a danos em condições extremas de uso, esse sistema possui os elementos vedados no interior de um recipiente refrigerado a menos de 0ºC. A vantagem desse sistema é a incrível resolução e sensibilidade que resultam do resfriamento dos elementos. Os sistemas resfriados criogenicamente podem "enxergar" uma diferença tão pequena quanto 0,1°C a mais de 300 metros de distância, o que é suficiente para informar se uma pessoa está segurando uma arma. Apesar da geração de imagens térmicas ser excelente para a detecção de pessoas ou para trabalhar quase que na mais completa escuridão, a maioria dos equipamentos de visão noturna usa a tecnologia de otimização da imagem. Otimização da imagem A tecnologia de otimização da imagem é a mais comum. Os sistemas de otimização da imagem são chamados,normalmente, de dispositivos de visão noturna (NVD, em inglês). Os NVDs baseiam-se em um tubo especial chamado de tubo intensificador de imagem para coletar e amplificar a luz infravermelha e visível. O tubo intensificador de imagem substitui fótons por elétrons e vice-versa Aqui está como funciona a otimização de imagens: Uma lente convencional, chamada de lente objetiva, captura a luz ambiente e um pouco de luz infravermelha. A luz recolhida é enviada para o tubo intensificador de imagem. Na maioria dos NVDs, a alimentação de energia do tubo intensificador de imagem é feita através de duas baterias N-Cell ou "AA". O tubo gera uma alta-voltagem de cerca de 5 mil volts para os componentes do tubo de imagem. O tubo intensificador de imagem possui um fotocátodo que é usado para converter os fótons da energia luminosa em elétrons. À medida que os elétrons passam pelo tubo, elétrons similares são liberados dos átomos no tubo, multiplicando o número original de elétrons por milhares de vezes através do uso de uma placa de microcanais (MCP, em inglês) no tubo. Uma MCP é um minúsculo disco de vidro que possui milhões de furos microscópicos (microcanais), feitos usando tecnologia de fibra óptica. A MCP localiza-se em um vácuo e possui eletrodos metálicos de cada lado do disco. Cada canal é cerca de 45 vezes mais longo do que sua largura e funciona como um multiplicador de elétrons. Quando os elétrons do fotocátodo atingem o primeiro eletrodo da MCP, são acelerados nos microcanais do vidro por pulsos de 5 mil V enviados entre o par de eletrodos. À medida que os elétrons passam pelos microcanais, fazem com que milhares de outros elétrons sejam liberados em cada canal usando um processo chamado emissão secundária em cascata. Basicamente, os elétrons originais colidem com a lateral do canal, excitando os átomos e provocando a liberação de outros elétrons. Esses novos elétrons também colidem com outros átomos, criando uma reação em cadeia que resulta em milhares de elétrons saindo do canal onde somente alguns poucos entraram. Um fato interessante é que os microcanais na MCP são criados em um pequeno ângulo (cerca de 5 a 8 graus de inclinação) para impulsionar as colisões dos elétrons e reduzir a retroalimentação de íons e luz direta do fósforo no lado da saída. Foto cedida pela B.E. Meyers CompanyAs imagens de visão noturna são conhecidas por seu verde lúgubre Na extremidade do tubo intensificador de imagem, os elétrons atingem uma tela revestida de fósforo. Esses elétrons mantêm suas posições em relação ao canal que atravessaram, o que fornece uma imagem perfeita desde que eles permaneçam no mesmo alinhamento dos fótons originais. A energia dos elétrons faz com que o fósforo atinja um estado excitado e libere fótons. O fósforo cria a imagem verde na tela, que caracteriza a visão noturna. A imagem de fósforo verde é visualizada através de outra lente, chamada lente ocular, permitindo ampliar e focalizar a imagem. O NVD pode ser conectado a um mostrador eletrônico, como um monitor, ou a imagem pode ser vista diretamente através da lente ocular. Gerações Os NVDs existem há mais de 40 anos. Eles são classificados por geração. Cada mudança substancial na tecnologia do NVD estabelece uma nova geração. Geração 0: sistema de visão noturna original criado pelo Exército dos Estados Unidos e usado na Segunda Guerra Mundial e na Guerra da Coréia. Esses NVDs usam infravermelho ativo. Isso significa que uma unidade de projeção, chamada Iluminador IV, é conectada ao NVD. A unidade projeta um feixe de luz infravermelha próxima, similar ao facho de uma lanterna normal. Invisível a olho nu, esse facho se reflete em objetos e volta para a lente do NVD. Esses sistemas usam um ânodo em conjunto com o cátodo para acelerar os elétrons. O problema dessa abordagem é que a aceleração dos elétrons distorce a imagem e diminui muito a vida do tubo. Outro grande problema com essa tecnologia em seu uso militar original é que ela foi copiada rapidamente por nações hostis, o que permitiu que os soldados inimigos usassem seus próprios NVDs para ver o feixe infravermelho projetado pelo dispositivo. Geração 1: a geração seguinte de NVDs deixou de lado o infravermelho ativo e passou a usar o infravermelho passivo. Chamado antigamente de Starlight (luz das estrelas) pelo Exército dos EUA, esses NVDs usam a luz natural fornecida pela lua e pelas estrelas para aumentar as quantidades normais de infravermelho refletidas pelo ambiente. Isso significa que eles não requerem uma fonte de luz infravermelha projetada. Também significa que eles não funcionam muito bem em noites nubladas ou sem luar. Os NVDs da Geração 1 usam a mesma tecnologia de tubo intensificador de imagem da Geração 0, com cátodo e ânodo, de modo que a distorção da imagem e a curta vida útil do tubo ainda eram um problema. Geração 2: grandes otimizações nos tubos intensificadores de imagem resultaram nos NVDs da Geração 2. Eles oferecem uma resolução e desempenho otimizados em relação aos dispositivos da Geração 1 e são consideravelmente mais confiáveis. O maior ganho da Geração 2 é a capacidade de enxergar em condições de iluminação extremamente baixas, como uma noite sem luar. Essa sensibilidade aumentada se deve ao acréscimo da placa de microcanais ao tubo intensificador de imagem. Como a MCP na verdade aumenta o número de elétrons em vez de apenas acelerar os originais, as imagens são significativamente menos distorcidas e mais brilhantes do que as dos NVDs da geração anterior. Geração 3: a Geração 3 é usada atualmente pelos militares dos EUA. Apesar de não apresentarem mudanças substanciais na tecnologia de base em relação à Geração 2, esses NVDs possuem resolução e sensibilidade ainda melhores. Isso ocorre porque o fotocátodo é feito usando arsenieto de gálio, muito eficaz na conversão de fótons em elétrons. Além disso, a MCP é revestida por uma barreira de íons que aumenta muito a vida útil do tubo. Geração 4: o que é conhecido como Geração 4 ou tecnologia "sem película e controlada" mostra uma otimização global significativa em ambientes de baixo e alto nível de iluminação. A remoção da barreira de íons da MCP que havia sido acrescentada na tecnologia da Geração 3 reduz o ruído de fundo e, portanto, melhora a proporção entre o sinal e o ruído. Na verdade, remover a película de íons permite que mais elétrons atinjam o estágio de amplificação, de modo que as imagens são significativamente menos distorcidas e mais brilhantes. O acréscimo de um sistema de alimentação de energia com controle automático permite que a voltagem do fotocátodo ligue e desligue rapidamente, possibilitando que o NVD responda instantaneamente a uma flutuação das condições de iluminação. Essa capacidade é um avanço crítico nos sistemas NVD, pois permite que seu usuário mude rapidamente de ambientes de alta iluminação para outros com pouca luz (ou vice-versa) sem qualquer oscilação. Por exemplo, considere a onipresente cena de cinema em que um agente usando óculos de visão noturna é "cegado" quando alguém acende uma luz nas proximidades. Com o novo recurso de alimentação controlada, a mudança na iluminação não teria o mesmo impacto: o NVD otimizado responderia imediatamente à mudança de iluminação. Muitas das chamadas lunetas de visão noturna "baratas" usam a tecnologia da Geração 0 ou Geração 1 e podem ser decepcionantes se você espera obter a mesma sensibilidade dos dispositivos usados por profissionais. Os NVDs das gerações 2, 3 e 4 geralmente são caros, mas duram muito se forem manuseados de modo apropriado. Além disso, qualquer NVD pode se beneficiar do uso de um Iluminador IV em áreas muito escuras onde quase não há luz ambiente para captar. Foto cedida pela B.E. Meyers CompanyOs NVDs são fabricados em uma variedade de estilos, incluindo aqueles que podem ser instalados em câmeras Algo legal a fazer é observar se todos os tubos intensificadores de imagem comercializados passam por testes rigorosos para ver se atendem às exigências estabelecidas pelos militares. Os tubos aprovados são classificados como MILSPEC (de especificação militar). Os tubos que falham em atender as exigências militares em qualquer categoria são classificados como COMSPEC (de especificação comercial). O equipamentoO equipamento de visão noturna pode ser dividido em três categorias gerais: lunetas: normalmente portáteis ou acopladas a uma arma, as lunetas são monoculares (para um olho). Como as lunetas são portáteis, não são usadas como óculos, sendo boas para quando você quiser dar uma olhada em um objeto específico e retornar em seguida às condições normais de visualização. Foto cedida pela B.E. Meyers CompanyLuneta de bolso DARK INVADER de propósito geral
óculos: embora os óculos possam ser portáteis, são geralmente usados na cabeça. Os óculos são binoculares e podem ter uma única lente ou lente estéreo, dependendo do modelo. São excelentes para visualização constante, como para se deslocar em um prédio escuro. Foto cedida pela B.E. Meyers CompanyÓculos de Visão Noturna DARK INVADER 4501
câmeras: as câmeras com tecnologia de visão noturna podem enviar a imagem para um monitor, para exibição, ou para um videocassete, para gravação. As câmeras são utilizadas quando a capacidade de visão noturna é desejada em um local permanente, como um edifício ou como parte do equipamento em um helicóptero. Muitas das filmadoras mais recentes possuem visão noturna embutida. Foto cedida pela B.E. Meyers CompanyCâmera de Vídeo de Visão Diurna/Noturna Stealth Série 301
Foto cedida pela B.E. Meyers CompanyEste soldado está usando óculos de visão noturna DARK INVADER
As aplicações mais comuns da visão noturna incluem: militar policiamento caça observação da vida selvagem vigilância segurança navegação detecção de objetos ocultos entretenimento A finalidade original da visão noturna era localizar alvos inimigos à noite. Ela ainda é bastante usada pelos militares para essa finalidade, assim como para a navegação, vigilância e localização de alvos. Com freqüência, a polícia e as forças de segurança usam a tecnologia de geração de imagens térmicas e otimização da imagem, principalmente para a vigilância. Caçadores e entusiastas da natureza usam NVDs para se deslocarem no meio da mata à noite. Detetives e investigadores particulares usam a visão noturna para observar pessoas que precisam ser rastreadas. Muitas empresas possuem câmeras instaladas permanentemente e equipadas com visão noturna para monitorar os arredores. Uma capacidade realmente surpreendente da geração de imagens térmicas é que ela revela se uma área foi revolvida: ela pode indicar se o solo foi escavado para enterrar alguma coisa, mesmo que não exista nenhum indício evidente a olho nu. A polícia tem usado esse recurso para descobrir itens que foram escondidos por criminosos, incluindo dinheiro, drogas e corpos. Além disso, a geração de imagens térmicas pode identificar mudanças recentes em áreas como paredes, fornecendo pistas importantes em muitos casos. Foto cedida pela B.E. Meyers CompanyAs filmadoras estão se tornando comuns na indústria de visão noturna
Muitas pessoas estão começando a descobrir o mundo fascinante que pode ser descoberto após o escurecer. Se você costuma ir acampar ou caçar, os dispositivos de visão noturna podem surpreendê-lo. Basta ter certeza do tipo adequado às suas necessidades. Para mais informações sobre visão noturna e assuntos relacionados, confira os links na próxima página. Mais informações
Como funciona a luz Como funcionam as lâmpadas Como funcionam os lasers Como funciona a televisão Como funcionam as lentes corretivas Como funcionam os monitores de computador Como funcionam os vídeo cassetes Como funcionam as filmadoras portáteis Como funcionam as câmeras digitais Como funcionam as câmeras Como funciona a camuflagem militar Como funcionarão os mastros fotônicos Como funciona a visão Como funcionará a visão artificial Por que meus olhos demoram para se acostumar com a escuridão? Mais links interessantes (em inglês)
Patente dos EUA nº 4.707.595: sistema de projetor de feixe de luz invisível e visão noturna Patente dos EUA nº 6.075.644: óculos panorâmico de visão noturna Patente dos EUA nº 248.860: luneta de bolso de visão noturna Patente dos EUA nº 4.991.183: iluminadores de alvos e sistemas que utilizam os mesmos Página inicial | Sobre a empresa | Anuncie | Boletim por e-mail | Trabalhe conosco | Fale conosco | Ajuda | Privacidade | Termos & condições de uso RSS