BRPI1007853B1

BRPI1007853B1 - sistema de criação de imagem ótica de campo de visão duplo com lente bifocal

Info

Publication number: BRPI1007853B1
Application number: BRPI1007853-3A
Authority: BR
Inventors: Caron Hubert
Original assignee: Thales Canada Inc
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2019-11-12
Also published as: EP2399157A1; IL214734A0; EP2399157B1; PL2399157T3; SI2399157T1; US20100214468A1; AU2010215048B2; US8294808B2; CA2750354A1; AU2010215048A1; CA2750354C; NZ594238A; JP2012518804A; ES2423604T3; WO2010094133A1; DK2399157T3; BRPI1007853A2; IL214734A; EP2399157A4; HRP20130712T1

Abstract

sistema de criação de imagem ótica de campo de visão duplo com lente bifocal a presente invenção refere-se a um sistema de criação de imagem ótica de campo de visão duplo que é fornecido para obtenção de duas imagens de uma cena, cada imagem possuindo um campo de visão diferente. o sistema de criação de imagem ótica de campo de visão duplo inclui uma lente bifocal dianteira, a lente bifocal possuindo uma zona central de comprimento de foco f1 produzindo uma imagem de campo de visão largo em um primeiro plano focal e uma zona periférica de comprimento focal f2 maior do que f1 produzindo uma imagem de campo de visão estreito em um segundo plano focal; e um detector para detectar e adquirir a imagem de campo de visão largo e a imagem de campo de visão estreito, o detector sendo móvel ao longo de um percurso ótico para o posicionamento seletivo no primeiro plano focal ou no segundo plano focal.ta

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para SISTEMA DE CRIAÇÃO DE IMAGEM ÓTICA DE CAMPO DE VISÃO DUPLO COM LENTE BIFOCAL.

Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se ao campo de sistemas óticos. Mais particularmente, a presente invenção refere-se a um sistema de criação de imagem ótica fornecendo campo de visão duplo utilizando uma lente bifocal e um detector de movimento.

Antecedentes da Invenção [002] Uma aplicação principal para os sistemas de criação de imagem ótica é a detecção, reconhecimento e identificação de objetos (DRI).

[003] Dessa forma, uma exigência frequentemente encontrada desses sistemas óticos é que os mesmos sejam capazes de fornecer uma imagem de uma cena possuindo um campo de visão largo (WFOV) e baixa amplificação e outra imagem da cena possuindo um campo de visão estreito (NFOV) e uma amplificação relativamente maior.

[004] Os sistemas de criação de imagem ótica que respeitam essa exigência frequentemente utilizam múltiplos sistemas de componentes complexos. Geralmente, uma lente ou sistema de lentes é utilizada para fornecer a imagem WFOV da cena enquanto outra lente ou sistemas de lentes é utilizada para fornecer a imagem NFOV. Existem sistemas óticos onde um conjunto básico de lentes comuns a ambas a aquisição de imagem WFOV e NFOV é utilizado em conjunto com as lentes de campo de visão específico adicional para aquisição da imagem de campo de visão específico. Em tais sistemas óticos, as lentes adicionais são seletivamente inseridas no percurso ótico para selecionar o campo de visão desejado (FOV). O mecanismo de seleção de tais sistemas pode se aumentar o volume do tamanho geral do siste

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2/11 ma de criação de imagem ótica. À medida que o número de componentes óticos de um sistema ótico aumenta, o ajuste dos componentes se torna mais complicado e o peso e tamanho total do sistema tende a aumentar.

[005] A fim de se visualizar separadamente duas imagens de campos de visão diferentes que são formadas, sistemas de criação de imagem ótica incluem um detector no qual a imagem é focada.

[006] Em alguns sistemas da técnica anterior, cada uma das duas imagens de campos de visão diferentes é designada uma localização separada no detector utilizando componentes óticos adicionais tal como prismas ou filtros para redirecionar ou mudar uma ou ambas as imagens no detector. No entanto, com essa abordagem da detecção de imagem, a qualidade e a resolução de cada uma das imagens é menos que ideal visto que apenas uma parte dos pixels totais do detector é na verdade utilizada para cada uma das imagens.

[007] Em outros sistemas da técnica anterior, os elementos do sistema de lente são movidos ao longo do percurso ótico para uma posição onde uma imagem da cena é focada em toda a superfície do detector fixo e são então movidos ao longo do percurso ótico para outra posição onde a outra imagem é agora focada em toda a superfície do detector fixo. É conhecido também o uso de dois detectores diferentes para representar uma cena com dois campos de visão diferentes. Obviamente, esse último método pode servir para um sistema mais oneroso e mais volumoso.

[008] Existe portanto, uma necessidade de se criar um sistema de imagem ótica, que reduza o número de componentes óticos e forneça duas imagens de uma cena, cada uma possuindo um campo de visão diferente, pela utilização de toda a superfície ativa de um detector.

Sumário da Invenção

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3/11 [009] De acordo com um aspecto da presente invenção, é portando, fornecido um sistema de criação de imagem ótica de campo de visão duplo, para obtenção de duas imagens de uma cena, cada imagem possuindo um campo de visão diferente. O sistema de criação de imagem ótica de campo de visão duplo inclui:

[0010] uma lente bifocal dianteira, a lente bifocal possuindo uma zona central de comprimento focal f1 produzindo uma imagem de campo de visão largo em um primeiro plano focal e uma zona periférica de comprimento focal f2 maior do que f produzindo uma imagem de campo de visão estreita em um segundo plano focal; e [0011] um detector para detectar e adquirir a imagem de campo de visão largo e a imagem de campo de visão estreito, o detector sendo móvel ao longo de um percurso ótico para o posicionamento seletivo no primeiro plano focal ou segundo plano focal.

[0012] A lente bifocal dianteira é preferivelmente fixada em posição e tem construção unitária, isto é, uma lente de peça única.

[0013] O sistema de criação de imagem ótica de campo de visão duplo pode incluir adicionalmente um corretor de campo para corrigir as aberrações de campo de visão, o corretor de campo sendo posicionado ao longo do percurso ótico entre a lente bifocal dianteira e o detector. O corretor de campo inclui preferivelmente uma lente única para corrigir as aberrações para ambos os campos de visão largo e estreito, o corretor de campo de lente única movendo em conjunto com o detector. De acordo com outra modalidade, o corretor de campo pode incluir mais de uma lente, cada lente personalizada para corrigir as aberrações de campo de visão específicas e sendo posicionadas de acordo.

[0014] Telas, por exemplo, proteções ou placas defletoras móveis, podem ser utilizadas para bloquear a luz parasítica.

[0015] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é for

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4/11 necido um método de aquisição de duas imagens de uma cena, cada imagem possuindo um campo de visão diferente. O método inclui o fornecimento de um sistema ótico de criação de imagem de campo de visão duplo como descrito acima, movendo o detector para o primeiro plano focal 18 e adquirindo a imagem WFOV, e movendo o detector para o segundo plano focal 20 e adquirindo a imagem NFOV. O método pode incluir adicionalmente o fornecimento de telas e o bloqueio de luz parasítica utilizando essas telas. O método também pode incluir a realização de uma correção de desvio para ruído espacial.

[0016] Outras características e vantagens da presente invenção serão mais bem compreendidas mediante a leitura da descrição abaixo com referência aos desenhos em anexo.

Breve Descrição dos Desenhos [0017] A figura 1 é um diagrama esquemático de uma lente bifocal dianteira de acordo com uma modalidade da presente invenção, ilustrando uma zona central de comprimento focal f1 e uma zona periférica de comprimento focal f2;

[0018] afigura 2 é um diagrama de resíduo de raio esquemático de um sistema de criação de imagem ótica de campo de visão duplo de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0019] afigura 3 é um diagrama de resíduo de raio esquemático de um sistema de criação de imagem ótica de campo de visão duplo de acordo com outra modalidade da presente invenção;

[0020] afigura 4 é um diagrama de resíduo de raio esquemático de um sistema de criação de imagem ótica de campo de visão duplo de acordo com outra modalidade da presente invenção, ilustrando o uso de uma placa defletora e proteção para bloquear a luz parasítica;

[0021] afigura 5 é um diagrama de resíduo de raio esquemático de um sistema de criação de imagem ótica de campo de visão duplo de acordo com outra modalidade da presente invenção.

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Descrição da Invenção [0022] Os aspectos da presente invenção serão descritos mais completamente aqui com referência aos desenhos em anexo, figuras de 1 a 5.

[0023] A presente invenção tem por objetivo fornecer um sistema de criação de imagem ótica de campo de visão duplo 10 que pode ser utilizado para obtenção de duas imagens de uma cena sendo observada: uma imagem de um campo de visão largo (WFOV) da cena e outra imagem de um campo de visão estreito (NFOV) da cena com uma amplificação relativamente maior.

[0024] Para se produzir essas duas imagens, o sistema de criação de imagem ótica de campo de visão duplo 10 inclui uma lente bifocal dianteira e um detector, como ilustrado na figura 2.

[0025] Uma modalidade da lente bifocal dianteira 12 é ilustrada na figura 1. Com referência às figuras de 2 a 5, a luz que chega da cena sendo observada entra na frente do sistema de criação de imagem ótica 10 e impinge na lente bifocal 12. A lente bifocal 12 é uma lente convergente positiva que possui uma zona central 14 de comprimento focal f que produz uma imagem de campo de visão larga da cena em um primeiro plano focal 18 e uma zona periférica 16 de comprimento focal f2 maior do que f1 que produz uma imagem de campo de visão estreito da cena em um segundo plano focal 20 atrás do primeiro plano focal 18.

[0026] Diferentemente dos sistemas da técnica anterior que utilizam um elemento ótico para obtenção de uma imagem de campo de visão e outro elemento ótico para obtenção de outra imagem de campo de visão, a lente bifocal 12 do presente sistema de criação de imagem ótica 10 é vantajosamente de construção unitária. Preferivelmente, a lente bifocal 12 é uma lente de peça única, por exemplo, fabricada pela moldagem ou pela utilização de um torno mecânico controlado

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6/11 por computador, o primeiro sendo mais barato enquanto o último apresentando um melhor desempenho. Alternativamente, a lente bifocal 12 pode ser feita de duas partes de lente adequadas que são combinadas juntas, preferivelmente em uma configuração impermeável a vazamento, para formar a lente bifocal 12. Por exemplo, uma primeira parte de lente utilizada para formar a zona central 14 pode ser inserida e fundida com o centro recortado de uma segunda parte de lente utilizada para formar a zona periférica 16. De acordo com outra modalidade, uma primeira parte de lente pode ser colocada sobre e fundida com o centro de uma segunda parte de lente; a energia da lente combinada no centro fornecendo a zona central WFOV 14 da lente bifocal 12 e a região externa fornecendo a zona periférica NFOV 16 da lente bifocal

12.

[0027] Obviamente, a lente bifocal 12 não está limitada às modalidades descritas acima e pode ser fabricada utilizando-se quaisquer meios adequados.

[0028] A superfície externa 22A da lente bifocal 12 pode exibir um raio duplo de curvatura ou pode ser asférica consistente com a natureza de foco duplo da lente ou pode ser suave exibindo um único raio de curvatura desmentindo a natureza de foco da lente - a primeira possuindo a vantagem de facilitar o desenho e a fabricação. No caso onde a superfície externa 22A exibe um único raio de curvatura, a superfície interna 22B pode ter um perfil personalizado para fornecer característica de foco duplo da lente bifocal 12. Vantajosamente, a superfície interna 22B pode ter um perfil personalizado para corrigir as aberrações óticas, por exemplo, aberração esférica ou cromática. A superfície externa 22A e/ou a superfície interna 22B pode, adicionalmente, incluir um revestimento antirreflexo. A transição entre a zona central 14 e a zona periférica 16 pode ocorrer de forma súbita, por exemplo, em uma interface 34 como observado na figura 5, ou gradualmente através de

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7/11 uma zona de transição 32, por exemplo, como mais bem observado na figura 4. Deve-se notar que o limite entre a zona central e a zona periférica pode não ser distinguido a olho nu e que a delineação ilustrada na figura 1 é incluída para fins de indicação das duas zonas.

[0029] Ademais, a lente bifocal 12 pode ser feita de qualquer material adequado transparente à luz que chega da cena sendo observada. Obviamente, a escolha do material depende do comprimento de onda de luz a ser criado. Pode ser feita de um material cristalino ou amorfo. Por exemplo, pode ser feita de germânio (Ge), silício (Si), seleneto de zinco (ZnSe), safira, vidro de sílica, etc. Para a criação da luz nas regiões visível a infravermelha de onda curta (SWIR) do espectro eletromagnético (diga-sede 0,5qm a 3 qm), a lente bifocal pode ser feita de vidro de sílica, ao passo que para a criação da luz nas regiões de onda média para onda longa (MWIR e LWIR) do espectro eletromagnético (diga-se de 3 qm a 14 qm), a lente bifocal pode ser feita de germânio.

[0030] Como mencionado, um detector 24 para detecção e aquisição de duas imagens de campo de visão é incluído no sistema de criação de imagem ótica de campo de visão duplo 10. A escolha do detector 24 pode variar dependendo da aplicação, faixa de espectro eletromagnético sendo observada e custo. Por exemplo, um detector com base em detecção de fóton - tal como um CCD (dispositivo acoplado a carga), fotocondutor ou detector fotovoltaico - ou detecção térmica tal como um bolômetro que mede as mudanças de resistência elétrica com temperatura - podem ser utilizados. Imagens produzidas por detectores de fóton versus as produzidas por detectores térmicos tendem a ter maior qualidade. Para imagens de qualidade ainda maior, a sensibilidade dos detectores de fóton pode ser aumentada pelo resfriamento criogênico dos detectores. No entanto, os detectores resfriados são geralmente mais volumosos e mais onerosos, tanto para se comPetição 870190070902, de 25/07/2019, pág. 10/21

8/11 prar quanto para se operar.

[0031] Com referência às figuras 2 a 5, o detector 24 é alinhado com a lente bifocal 12 ao longo de um eixo geométrico ótico comum. No entanto, diferentemente da lente bifocal dianteira 12, o detector 24 é seletivamente móvel ao longo do eixo geométrico ótico do sistema de criação de imagem ótica 10. O detector 24 é movido para uma posição em ou perto do primeiro plano focal 18 para aquisição de imagem WFOV e movido para ou perto do segundo plano focal 20 para aquisição da imagem NFOV. (Deve-se notar que as figuras de 2 a 5 ilustram, cada uma, as duas possíveis posições do detector e não implicam no uso de dois detectores). Vantajosamente, o mecanismo utilizado para mover o detector 22 é o mesmo mecanismo utilizado para fornecer o ajuste de foco fino das imagens. De acordo com uma modalidade, o mecanismo compreende um único mecanismo de parafuso rosqueado simples utilizado para mover o detector axialmente.

[0032] Para se corrigir qualquer aberração de campo de visão (por exemplo, aberrações asféricas ou cromáticas) da lente bifocal 12 e dessa forma, limitar a distorção de imagem, um corretor de campo 26 pode ser posicionado ao longo do eixo geométrico ótico do sistema entre a lente bifocal dianteira 12 e o detector 24.

[0033] O corretor de campo 26 inclui preferivelmente uma única lente que pode ser utilizada para corrigir as aberrações para ambos os campos largo e estreito de visão, como observado na modalidade do sistema ilustrado na figura 5. Como tal, o corretor de campo de lente única 26 pode ser feito para mover em conjunto com o detector 24. De acordo com outra modalidade do sistema ilustrado na figura 3 e 4, o corretor de campo 26 pode incluir mais de uma lente, onde cada lente 26A e 26B é personalizada para corrigir aberrações de campo de visão específicas e é de acordo, posicionada para mover em conjunto com o detector 24. Nessa última modalidade, as lentes de correção de campo

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9/11 são projetadas de modo que no modo WFOV, o detector 24 olhe através da lente de coletor de campo. Enquanto a lente bifocal dianteira 12 é feita de germânio, a lente de corretor de campo e/ou lentes são geralmente menores e podem ser feitas de materiais amorfos relativamente econômicos.

[0034] A luz parasítica pode ser um problema quando da aquisição de duas imagens: imagens WFOV e NFOV. A luz parasítica proveniente da zona da lente bifocal não envolvida na produção da imagem em questão pode formar imagens fantasma estranhas indesejadas. Por exemplo, a luz parasítica proveniente da zona central 14 da lente bifocal 12 quando tenta adquirir uma imagem NFOV utilizando a zona periférica 16 da lente bifocal 12 pode resultar em imagens fantasma estranhas gradientes que podem afetar a qualidade da imagem. Telas, por exemplo, proteções ou placas defletoras móveis, podem ser estrategicamente utilizadas para bloquear a luz parasítica e impedir a formação de imagens fantasma estranhas.

[0035] Como pode ser observado na modalidade do sistema de criação de imagem ótica ilustrado na figura 4, uma opção é se adicionar placas defletoras 28 e proteções 30 na lente bifocal dianteira 12. As placas defletoras podem ser localizadas para cobrir/peneirar a zona de transição 32 para impedir que a luz parasítica que entra a partir da zona de transição seja reproduzida. Obviamente, qualquer tela adequada ou combinação de telas pode ser utilizada para minimizar os efeitos da luz parasítica.

[0036] O sistema de criação de imagem ótica da presente invenção pode ser utilizado em qualquer aplicação exigindo campo de visão duplo e possui a vantagem de minimizar o número de elementos óticos necessários e simplificando a aquisição de imagens de dois campos de visão.

[0037] Através do desenho adequado da lente bifocal e da escolha

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10/11 necessária de detector, o sistema de criação de imagem ótica da presente invenção pode ser utilizado, por exemplo, para criação de imagem térmica ou infravermelha (IR). A criação de imagem IR é utilizada para detectar a radiação infravermelha, essa parte do espectro eletromagnético situada na faixa de 700 nm (0,7gm) a 14000 nm (14 gm). Visto que a radiação IR é emitida por todos os objetos de acordo com o princípio de radiação de corpo negro (“blackbody”), a criação de imagem IR é utilizada para detectar objetos através da radiação IR que emitem. De acordo com uma modalidade ilustrativa e não limitadora do sistema de criação de imagem ótica utilizado para a criação de imagem IR, preferivelmente na região de IR de onda longa entre 8gm e 14gm, a lente bifocal pode ter uma zona central WFOV 14 com comprimento focal de 49 mm, uma zona periférica NFOV 16 de comprimento focal igual a 148 nm, e um diâmetro (isto é, abertura total) de 112 mm. É possível se obter uma imagem NFOV e WFOV de boa qualidade de um objeto tão perto quanto 10 m (isto é, um foco próximo de 10 m é possível para ambos NFOV e WFOV).

[0038] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é fornecido um método de aquisição de duas imagens de uma cena, cada imagem possuindo um campo de visão diferente: um NFOV e um WFOV. O método inclui: o fornecimento de um sistema ótico de criação de imagem de campo de visão duplo que inclui uma lente bifocal dianteira 12 possuindo uma zona central de comprimento focal f1 para produção de uma imagem de campo de visão largo em um primeiro plano focal e uma zona periférica de comprimento focal f2 maior do que f1 para produção de uma imagem de campo de visão estreito em um segundo plano focal, um detector 24 e um corretor de campo como descrito acima; a movimentação do detector para o primeiro plano focal 18 e aquisição da imagem WFOV; e a movimentação do detector para o segundo plano focal 20 e aquisição da imagem NFOV. O detec

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11/11 tor pode ser movido de um plano focal para o outro utilizando um mecanismo de acionamento de parafuso. A posição do detector é sintonizada de forma fina para focar a imagem. Vantajosamente, o ajuste fino da posição do detector pode ser realizado utilizando-se o mesmo mecanismo de acionamento de parafuso. Para se aperfeiçoar a qualidade das imagens e limitar as imagens fantasma estranhas, o método também pode incluir o fornecimento de telas e bloqueio de luz parasítica utilizando-se essas telas. O método pode incluir adicionalmente a realização de uma correção de desvio para corrigir o ruído espacial nas imagens. O ruído espacial é decorrente do fato de cada pixel do detector geralmente não responder de forma idêntica. O ruído espacial pode fornecer um aspecto granulado à imagem. Vantajosamente, o método pode incluir a correção da resposta diferente de cada pixel zerandose cada pixel. Isso pode ser feito pela iluminação do detector de maneira uniforme desfocando severamente o sistema ótico, obtendo a imagem de referência e subtraindo a imagem de referência da imagem básica.

[0039] O sistema de criação de imagem ótica da presente invenção, portanto, oferece a simplificação ótica em termos de número de elementos óticos (isto é, lentes) enquanto fornece baixa distorção em ambos os campos de visão.

[0040] Inúmeras modificações podem ser feitas a qualquer uma das modalidades descritas acima sem se distanciar do escopo da presente invenção.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de criação de imagem ótica de campo de visão duplo (10), caracterizado pelo fato de que compreende:

uma lente bifocal, a dita lente possuindo uma zona central (14) de comprimento focal f1 e uma zona periférica (16) de comprimento focal f2, em que f2 é maior do que f1, em que a dita zona central (14) é adaptada para produzir uma imagem de campo de visão largo e a dita zona periférica (16) é adaptada para produzir uma imagem de campo de visão estreito, a dita lente sendo montada em um suporte;

um detector (24) montado de forma móvel no dito suporte, para detectar e adquirir duas imagens de campo de visão, o dito detector (24) sendo alinhado com a dita lente ao longo de um eixo geométrico ótico comum, o dito detector (24) sendo axialmente móvel entre uma primeira posição correspondente ao dito comprimento focal f1 e uma segunda posição correspondente ao dito comprimento focal f2; e um controlador para capturar imagens de campo de visão largo e estreito produzidas pela dita lente.
2. Sistema de criação de imagem (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita lente é uma lente de peça única.
3. Sistema de criação de imagem (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita lente é feita de duas partes de lente que são combinadas juntas.
4. Sistema de criação de imagem (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita lente possui uma superfície externa (22A) que possui um raio de curvatura duplo.
5. Sistema de criação de imagem (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita lente possui uma superfície externa (22A) que é asférica.

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6. Sistema de criação de imagem (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita lente possui uma superfície interna (22B) que é personalizada para corrigir aberrações óticas.
7. Sistema de criação de imagem (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita lente possui uma superfície externa (22A) e uma superfície interna (22B), e em que a dita superfície interna (22B), ou a dita superfície externa (22A) ou ambas são proporcionadas com um revestimento antirreflexo.
8. Sistema de criação de imagem (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita lente é feita de um material que é transparente para uma faixa de comprimentos de onda de luz de uma cena sendo observada.
9. Sistema de criação de imagem (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito detector (24) é um detector com base em fóton ou um detector com base em temperatura.
10. Sistema de criação de imagem (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um corretor de campo localizado entre a dita lente e o dito detector (24).
11. Sistema de criação de imagem (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito sistema de criação de imagem (10) ainda inclui uma tela para bloquear a luz parasítica.
12. Método de aquisição de duas imagens de uma cena, uma primeira imagem possuindo um campo de visão largo e uma segunda imagem possuindo um campo de visão estreito, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de:

(a) proporcionar uma lente de campo de visão duplo pos

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3/3 suindo uma zona central (14) de comprimento focal fl para produzir uma imagem de campo de visão largo em um primeiro plano focal (18) e uma zona periférica (16) de comprimento focal f2 para produzir uma imagem de campo de visão estreito em um segundo plano focal (20);

(b) proporcionar um detector (24) móvel, o dito detector (24) sendo alinhado com um eixo geométrico ótico comum com a dita lente de campo de visão duplo, o dito detector (24) sendo móvel entre os ditos comprimentos focais f1 e f2; e (c) um controlador para detectar e adquirir as ditas duas imagens obtidas nos ditos comprimentos focais f1 e f2.