VISORS TÈRMICS

03 d'abril de 2024

Temàtiques:

Introducció a la tecnologia dels visors tèrmics

Els visors tèrmics es basen en la capacitat dels seus elements òptics i electrònics per crear una imatge a partir de les diferències de temperatura dels objectes respecte el seu entorn i en els propis objectes. Cada vegada més naturalistes opten per aquest tipus d’aparells, ja que revelen la presència d’animals i altres elements naturals d’una manera significativament diferent respecte als instruments òptics tradicionals.

La tecnologia dels visors tèrmics es basa en la capacitat de captar la irradiació infraroja de mitja i llarga ona (MWIR de 3 a 5 µm i LWIR de 8 a 14 µm) que els objectes emeten en relació al fons o l’entorn on es troben. Aquesta radiació és captada per una lent frontal que en comptes de ser de vidre és de Germani, un material que permet el pas d’aquesta radiació, i la projecta sobre un sensor anomenat microbolòmetre. Aquest sensor genera una imatge mitjançant un conjunt de píxels disposats de forma similar a un sensor fotogràfic. Finalment, aquest sensor mostra la imatge en una pantalla que es pot observar directament o a través de l’ocular del visor tèrmic.

El primer element, la lent frontal o objectiu, pot tenir diferents diàmetres i distàncies focals. Un diàmetre més gran permet captar més radiació infraroja, igual que passa amb les lents dels prismàtics i telescopis. D’altra banda, una distància focal més llarga augmentarà l’abast, encara que reduirà el camp de visió. La qualitat del material amb què es fabrica la lent i la perfecció de la seva construcció influeix notablement en la qualitat del visor, com en qualsevol altre aparell òptic. Cal tenir en compte que, a més del Germani, hi ha altres materials més comuns i econòmics que també transmeten radiació infraroja i que també es poden utilitzar per fabricar les lents.

El microbolòmetre converteix la radiació infraroja que rep de l’objectiu en senyals elèctrics mitjançant una membrana que s’escalfa en rebre la radiació tèrmica. Això provoca un canvi mesurable en la seva resistència elèctrica, que es transmet als píxels en el sensor. Per tant, el nombre de píxels i la seva mida són factors crucials per a la qualitat de la imatge generada pel sensor. Un major nombre de píxels permet obtenir una imatge amb més resolució, però la mida i la distància entre els píxels també són importants. Si aquests valors són més grans, la mida del sensor augmenta i permet obtenir una imatge de més qualitat, tot i que menys ampliada. Així doncs, la combinació de la distància focal de l’objectiu, el camp de visió, la quantitat de píxels i la mida dels píxels determina diferents tipus i qualitats d’imatges i, en conseqüència, diferents prestacions del visor tèrmic que poden ser més adequades per un tipus d’ús o per un altre.

La imatge generada pels píxels del microbolòmetre es processa a la “Unitat de processament electrònic”, on s’apliquen diferents algoritmes per optimitzar-la en termes de resolució, brillantor, contrast, soroll, nitidesa dels contorns, etcètera. Per tant, és evident que, depenent del nivell de desenvolupament tecnològic de cada fabricant, aquesta optimització també afectarà la qualitat d’imatge proporcionada pel visor tèrmic. A més, mitjançant l’ús de programari de processament d’imatges, es poden oferir diferents "paletes de colors" a la imatge final, que normalment poden ser seleccionades pels usuaris quan fan servir els visors.

L’últim pas és la projecció de la imatge en una pantalla que pot ser de diferents tecnologies (com els monitors de TV o d’ordinador) com ara de cristall líquid, OLED, AMOLED, etcètera, i de diferents resolucions, mesurades també en píxels. Mentre que alguns visors tèrmics mostren la imatge directament a partir d’aquesta pantalla, en la majoria de casos, especialment en els dissenyats per a l’observació de la fauna, la pantalla es visualitza a través d'un ocular. Aquest ocular no només amplifica la imatge (la qual cosa permet l'ús de pantalles més petites dins de la carcassa), sinó que també permet l'enfocament segons la vista (miopia o hipermetropia) de cada usuari.

Principals paràmetres que caracteritzen un visor tèrmic

Camp de visió

Es sol mesurar en metres d’amplada a una distància de 100 m. Normalment és inversament proporcional a la longitud focal de l’objectiu i, per tant, als augments òptics de l’objectiu (tal com passa amb els binocles i telescopis). Tenir un camp de visió més ampli pot ser beneficiós, però normalment implica tenir menys augments òptics.

També influeix la mida del sensor, ja que, amb una focal idèntica, un sensor de major grandària proporciona un camp de visió més ample sense modificar els augments.

Lluminositat de l'objectiu

Aquest paràmetre no sempre apareix a les dades tècniques d’un visor tèrmic, però el diàmetre de l’objectiu sol ser directament proporcional a la seva lluminositat, mentre que la focal és inversament proporcional. Per tant, si un visor ofereix molts augments, cosa que indica un objectiu amb major focal, és important que l’objectiu sigui de gran diàmetre. A vegades s’indica com a valor “f” o d’obertura, com el diafragma d’un objectiu fotogràfic. Quan menor sigui aquest valor, més gran és el diafragma teòric i per tant la lluminositat.

Augments òptics i digitals

L’augment òptic es determina a partir de la focal de l’objectiu que, en els visors tèrmics sol ser fix (encara no existeixen models amb objectiu zoom). Aquest valor és el mínim indicat a les especificacions. La majoria dels models incorporen un zoom digital que simplement amplia la imatge resultant, però la seva eficàcia dependrà en gran mesura de la resolució del sensor i de la pantalla digital. Si aquests valors no són alts, de poc ens servirà que el zoom digital sigui molt potent, ja que la pèrdua de definició amb els augments farà que la imatge sigui inutilitzable.

Resolució del sensor

Es mesura en píxels d’amplada per píxels d’alçada i actualment pot anar de 320x240 fins a 640x480 (proporcions 4:3). Com s’ha mencionat anteriorment, la mida del píxels, generalment de 12 µm o de 17 µm, també influeix en la qualitat. La resolució del sensor és el resultat de la quantitat i densitat de píxels del sensor, així com de la seva mida; per tant, un sensor amb més píxels i de mida més gran ofereix una millor qualitat.

Resolució i mida de la pantalla

La resolució es mesura novament en píxels d’amplada i d’alçada, arribant fins a Full HD (1024x768), i la mida es mesura en polzades de la diagonal.

Velocitat dels fotogrames

Es sol mesurar en Hz i indica el nombre de fotogrames per segon. Una velocitat més alta proporciona una millor sensació de continuïtat en la visió, especialment quan s'està canviant l'enquadrament. No confondre aquest paràmetre amb la freqüència de les típiques interrupcions en la visió que els visors tèrmics experimenten cada pocs segons, durant les quals la imatge es queda congelada durant una fracció de segon. Això es deu a la necessitat del sensor de calibrar-se de nou en funció de les condicions ambientals, com quan canviem d'una zona amb vegetació a una de més oberta. La falta de recalibració pot provocar una pèrdua de qualitat de la imatge.

Resolució tèrmica NETD — Diferència de temperatura equivalent al soroll

Es tracta de la sensibilitat a la temperatura del sensor que normalment es mesura en milikelvins (mK) i representa la diferència de temperatura més petita que és capaç de detectar el dispositiu. Aquest valor és crucial i és millor quan és més baix, sent actualment inferior als 50 mK en els models actuals.

Distància o rang de detecció

Cada fabricant proporciona aquesta dada per als seus models, però no és totalment objectiva, ja que moltes circumstàncies poden influir-hi, com la mida de l'objecte, la temperatura de l'objecte en relació amb l'entorn, la temperatura ambiental, la forma de l'objecte i, en la pràctica, les condicions ambientals en què es faci l'observació. La capacitat de detecció pot variar significativament, per exemple, entre la detecció d'animals voladors o terrestres, en espais oberts o tancats, amb o sense vegetació arbòria, aigua, després de la pluja, al capvespre o a la matinada, i moltes altres variables.

Aquests són els valors que defineixen les prestacions d'un visor tèrmic i que permeten una comparació directa entre diferents models. No obstant això, cal tenir en compte que la qualitat òptica i la optimització de la imatge en funció dels algoritmes i softwares poden fer que un model, tot i tenir aparentment valors inferiors, ofereixi una imatge de major qualitat.

Evidentment hi ha altres aspectes rellevants, com la mida, el pes, l'autonomia, l'ergonomia, la disposició i quantitat de botons, la facilitat d'ús i la quantitat de funcions controlables, entre altres.

Visors tèrmics ZEISS DTI

ZEISS, la prestigiosa marca d’òptica esportiva, ofereix un ampli ventall de models per satisfer gairebé totes les necessitats dels usuaris

Tots els models de ZEISS tenen en comú l’ús d’un processador d’imatge anomenat ZSIP, desenvolupat per la pròpia marca, que optimitza la qualitat d’imatge netejant el “soroll electrònic” i que divideix la imatge en porcions per optimitzar cada part de forma individual, aconseguint així un resultat final de gran qualitat. Una característica distintiva és que el zoom digital és continu i no genera el molest canvi sobtat per passar d’1x a 2x, 4x, 8x, etc, sinó que la imatge es va ampliant de forma gradual fins a la mida desitjada. A més, tots els models ofereixen funció de detecció, ajustaments personalitzats i una garantia total de què les parts òptiques del producte estan a l'altura de la reconeguda qualitat de la marca.

Tots ells ofereixen la possibilitat de transmetre imatges per wifi a mòbils, tablets i tota mena d’ordinadors portàtils que permetin la connexió amb BlueTooth. I també disposen de memòria interna per emmagatzemar les imatges capturades, ja sigui en forma de fotografies o vídeos.

Els models inicials, els DTI1, tenen lents amb diàmetres de 19 i 25 mm. Són compactes i lleugers, amb una ergonomia excel·lent i fàcils d’utilitzar. Els models DTI3, en canvi, compten amb lents de 25 i 35 mm de diàmetre i píxels més grans en el sensor, tot i mantenir la mateixa resolució i rang de detecció similar. A més, incorporen pantalles de major qualitat de tipus AMOLED, més memòria interna i són els que tenen més autonomia. A partir dels DTI4, la resolució del sensor s’incrementa, així com el rang de detecció, això si, amb un camp de visió més petit, fet que els fa especialment idonis per a la detecció d’animals de certa mida en ambients oberts. El model superior, el DTI6, es distingeix per la possibilitat d’intercanviar l’objectiu. Així, amb els dos objectius disponibles (de 20 mm i 40 mm), es disposa d’una gran varietat de prestacions, fent-lo tant útil per medis tancats on es requereixi camp de visió ampli com en medis oberts on es requereixi un gran rang de detecció (fins a 2.000 m).

L’ús dels visors tèrmics en l’observació de fauna

Els visors tèrmics estan oferint noves maneres de detectar, observar i entendre la fauna, obrint noves possibilitats per a la investigació i l’observació. Aquesta tecnologia avançada ens permet apropar-nos més a la vida animal nocturna sense pertorbar-la. La localització de mamífers és la utilitat més popular (també per aquells que hi tenen interès cinegètic!), però també per mussols i ratpenats. Cal dir, però, que tant eficients són de dia com de nit, que hi hagi llum o foscor no altera el seu funcionament. El que cal tenir en compte és que de dia, la radiació solar escalfa molts elements inerts del paisatge, sobretot pedres, troncs i fulles ben exposades, i això fa més difícil discernir la fauna, sobretot si està immòbil o està molt lluny i la resolució del visor no és suficient per veure bé la forma.

Els visors tèrmics, a més, també són una eina molt útil per a la detecció i seguiment dels ocells en migració nocturna, un fenomen que sovint passa inadvertit a causa de la foscor. També serveixen per trobar i identificar espècies que sovint resulten extremadament difícils de detectar pel seu camuflatge súper críptic en entorns com les selves i altres hàbitats densos. Altres possibles utilitzacions poden ser comprovar si una caixa niu o refugi de ratpenats està ocupada o no, ja que si ho està, les seves entrades solen mostrar certa escalfor provinent de l’interior, així com en escletxes a la roca, forats dels arbres, etcètera.

En viatges a països llunyans atrets per la seva diversitat i riquesa de fauna, incorporar al nostre equip un visor tèrmic ens ofereix noves oportunitats per detectar fauna que molt probablement ens passaria inadvertida. Recentment, en dos viatges diferents, hem tingut l’oportunitat d’usar un visor tèrmic ZEISS DTI3/35. Han esta moltes les circumstàncies en les quals el visor ens ha permès detectar espècies d’ocells o fauna que, d’una altra manera, hauria estat especialment difícil aconseguir-ho.

A l’entrada del Parc Nacional de Tangkoko, és un bon lloc per intentar detectar l’enganyapastors de Sulawesi (Caprimulgus celebensis). Els enganyapastors passen el dia immòbils sobre branques o a terra i, just al final del dia, surten a caçar i és possible detectar-los en vol entre els arbres. El visor tèrmic ens va permetre detectar entre quins arbres l’enganyapastors s’havia aixecat per començar la seva jornada de caça.

Així mateix, en aquest mateix parc, habiten uns éssers ben enigmàtics, els tarsius (Tarsius tarsier), els quals durant el dia reposen quasi immòbils en forats d’arbres. No és gens fàcil detectar la seva presència, i l’ajuda del visor tèrmic pot ser fonamental per aconseguir-ho.

Una de les situacions més habituals on l’ús del visor tèrmic pot ser de gran ajuda és en la detecció de mussols. Normalment, poc després de fer-se fosc, moltes espècies de mussols es tornen més actius i emeten el seu reclam. Una manera de veure’ls consisteix en intentanr atraure els mussols mitjançant la reproducció del seu reclam, que tenim enregistrat, amb l’ajuda d’un petit altaveu des de la vora del bosc. Això es deu al fet que, si ens endinsem en el bosc, sovint provoquem sorolls amb la vegetació, i els mussols marxen volant abans que puguem detectar-los. Ara bé, fins i tot si un mussol es sent atret pel nostre reclam, s'aproparà sigil·losament i no sempre serà fàcil identificar en quin arbre o branca s’ha posat, encara que sigui a prop i que puguem il·luminar la zona amb una llanterna. Per aquest motiu, és molt útil buscar-lo primer amb el visor tèrmic abans d’encendre la llanterna o el focus amb que vulguem il·luminar-lo. D'aquesta manera, quan il·luminem la zona, ja sabrem on es troba el mussol i podrem realitzar una observació més precisa i ràpida, evitant que s’amagui abans de ser localitzat. A les imatges següents es pot veure un xot de les Moluques (Otus magicus) en el moment que el vàrem detectar i la imatge completa de l'arbre on es trobava el mussol, il·luminat per una llanterna, i el lloc on es trobava l'observador amb el visor tèrmic, il·luminat per una altra llanterna.

En un segon viatge, en aquesta ocasió a Bolívia, vam tenir de nou l’oportunitat d’utilitzar el visor tèrmic ZEISS DTI3/35 en una sortida nocturna en barca al límit de l’Amazonia amb les sabanes inundades, dirigida essencialment a trobar cocodrils i caimans. Aquests es detecten molt fàcilment amb llanternes perquè els ulls els brillen molt i solen romandre immòbils a la superfície de l'aigua. No obstant això, com no podia ser d’una altra manera, també hi havia un gran interès en detectar altres animals, així que amb l'ajuda del visor tèrmic vam explorar les vores de la llacuna fins a trobar un magnífic nictibi gros (Nyctibius grandis), una capibara (Hydrochoerus hydrochaeris), diversos martinets cullerot (Cochlearius cochlearius) i molts ratpenats pescadors (possiblement Noctilio leporinus).