ES2211939T3 - Sistema de calibracion para generador de imagenes termicas. - Google Patents

Abstract

UN SISTEMA DE REFERENCIA FORMADOR DE IMAGENES TERMICAS COMPRENDE DOS CIGUEÑAS GIRATORIAS EN FORMA DE DISCOS (7,8) CADA UNA UNIDA SOBRE UN PIVOTE A UN MIEMBRO DE CONEXION (9). LOS DISCOS (7,8) SON GIRADOS A UNA VELOCIDAD CONSTANTE HACIENDO QUE DOS ESPEJOS (NO MOSTRADOS) LATERALMENTE DESPLAZADOS A LO LARGO DEL MIEMBRO DE CONEXION (9) INTERCEPTEN UNA TRAYECTORIA OPTICA X DE UN FORMADOR DE IMAGENES TERMICAS ASOCIADA CON EL SISTEMA DE REFERENCIA. CADA ROTACION DE 360 GRADOS DE LOS DISCOS (7,8) HACE QUE CADA ESPEJO PASE UNA VEZ A TRAVES DEL CAMINO OPTICO, LAS SUPERFICIES DE ESPEJO ESTAN RESPECTIVAMENTE DISPUESTAS PARA HACER QUE UNA REAL LINEAL DE ELEMENTOS DETECTORES (NO MOSTRADOS) DEL FORMADOR DE IMAGENES TERMICAS INSPECCIONE ALTERNATIVAMENTE LOS DISPOSITIVOS TERMOELECTRICOS (14;15); QUE ESTAN A DIFERENTES TEMPERATURAS, DURANTE EL TIEMPO DE RETORNO ASOCIADO CON EL FORMADOR DE IMAGENES TERMICAS. EL SISTEMA DE REFERENCIA PERMITE QUE LOS MEDIOS DE PROCESAMIENTO DEL FORMADOR DE IMAGENES TERMICAS NORMALICEN LA MATRIZ DE DETECTORES, QUE COMPENSAN PARA DESPLAZAMIENTO DC Y DIFERENCIA EN LA GANANCIA ENTRE DIFERENTES ELEMENTOS DE LA RED DETECTORA. EL SISTEMA DE REFERENCIA ES DE UN DISEÑO PARTICULARMENTE COMPACTO Y MINIMIZA EL EFECTO DE CUALQUIER VARIACION DE TEMPERATURA A TRAVES DE LAS SUPERFICIES DE PELTIER EN EL PROCESO DE NORMALIZACION.

Description

Sistema de calibración para generador de imágenes térmicas.

La presente invención está relacionada con un sistema de referencia para un conjunto de elementos detectores de un dispositivo térmico de imagen y en particular a un sistema de referencia para su uso con un dispositivo térmico de imagen que tiene un conjunto lineal de elementos detectores sobre los que se escanea una escena visionada.

En la mayoría de los sistemas de observación de imágenes térmicas, es necesario procesar la señal recibida de la salida de un conjunto de elementos detectores del dispositivo de imagen, a fin de establecer la compensación de CC en la salida entre los diferentes elementos del conjunto, y de compensar las diferencias en responsividad (ganancia) entre los elementos. Esto se denomina "normalizar" el conjunto detector.

La compensación de CC entre los elementos de un detector se puede realizar exponiendo todos los elementos a una fuente de referencia térmica de temperatura uniforme. Algunos tipos de conjuntos detectores tales como los conjuntos piroeléctricos requieren una exposición a un campo uniforme a fin de funcionar, puesto que se apoyan en el cambio de una carga que se produce entre estar expuesto a un campo cerrado, u obturado y estar expuesto a la escena a visionar. La exposición a un campo cerrado realiza en cada cuadro la compensación por CC. Con detectores de tipo piroeléctrico, la diferencia de ganancia entre los elementos se puede compensar periódicamente exponiendo los elementos del detector a un campo abierto intenso uniformemente, y esto se puede hacer sólo una vez en la vida del detector durante el proceso de fabricación.

Con los detectores del tipo fotovoltaico no existe necesidad de cerrar el conjunto de detectores, y por tanto no existe necesidad de compensación de CC inherente, pero normalmente es necesario realizar la compensación tanto de CC como de características de ganancia no uniforme. Esto se puede lograr exponiendo el conjunto de detectores a campos de luz y oscuridad uniformes durante un proceso inicial de calibración, aunque la compensación de CC entre elementos depende de la temperatura media de la escena visionada. Las características de ganancia de los elementos son también improbablemente lineales, y por tanto cualquier compensación de diferencias de ganancia variará en función de la temperatura media de la escena visionada. En ciertas aplicaciones es preferible que las diferencias en características de compensación y de ganancia de los elementos detectores de los detectores fotovoltaicos se compensen en la utilización.

Muchos sistemas de imágenes fotovoltaicos emplean un conjunto lineal de elementos detectores sobre los cuales se escanea la imagen. Con un sistema de este tipo habrá normalmente un periodo de "vuelo atrás" en el que el mecanismo de escaneado vuelve a su posición inicial. Incluso con un mecanismo de escaneado que emplea una superficie especular poligonal de facetas múltiples en el que el propio escáner no tiene un periodo de vuelo atrás, porque la imagen final generada es normalmente de un tipo de presentación de TV que tiene de por sí un periodo de vuelo atrás, existe un periodo en el cual no se lee información del detector, o en que la lectura de información no se utiliza en la presentación final. El periodo de "vuelo atrás" se puede utilizar convenientemente para normalizar los elementos del conjunto exponiéndolos a dos fuentes de referencia térmica a diferentes temperaturas.

La patente US 4 948 964 revela un método para normalizar un conjunto de detectores fotovoltaicos. Esto se logra exponiendo el conjunto de detectores a una fuente de referencia térmicas uniforme. El conjunto de detectores se expone a la fuente de referencia observando una superficie especular que se inserta en el camino óptico del conjunto de detectores durante el periodo de vuelo atrás. La superficie especular está dispuesta de tal manera que durante el periodo de vuelo atrás el conjunto de detectores visiona un enfriador termoeléctrico a una temperatura uniforme. La propia superficie especular forma un sector radial de un disco girado sobre un eje, y comprende dos porciones de reflectividades diferentes. Las dos porciones de reflectividades diferentes permiten escanear dos temperaturas de referencia, la porción altamente reflectante que expone al conjunto de detectores a una temperatura aproximadamente igual a la del enfriador termoeléctrico, mientras que la porción parcialmente reflectante expone al conjunto de detectores a una temperatura comprendida entre la temperatura del enfriador termoeléctrico y la temperatura de la propia superficie especular.

Los problemas con el método anteriormente descrito son que la superficie especular de escaneado tiene que ser suficientemente amplia a fin de asegurar que todo el conjunto de detectores es irradiado por el enfriador termoeléctrico y que es muy difícil controlar el rango de las fuentes de dos referencias, puesto que el rango de la superficie especular parcialmente reflectante dependerá de la temperatura del ambiente de trabajo.

Es un objeto de la presente invención proporcionar un sistema de referencia para un dispositivo de formación de imágenes térmicas.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se proporciona un sistema de referencia para un conjunto de elementos detectores de un dispositivo de formación de imágenes térmicas, incluyendo el sistema: dos superficies especulares; dos fuentes de referencia térmica a temperaturas respectivas diferentes; y una disposición mecánica para desplazar cíclicamente las superficies especulares sobre un camino óptico (X-X) del dispositivo de formación de imágenes térmicas, de tal manera que el conjunto de elementos detectores visiona a su vez cada fuente de referencia térmica por medio de una superficie especular respectiva, incluyendo la disposición mecánica dos manivelas, dispuestas para girar sobre ejes respectivos en la misma dirección y unidas por un miembro de conexión sobre el cual miembro de conexión se montan las superficies especulares.

La patente europea EP 0476243 describe un dispositivo de formación de imágenes térmicas que en la dirección de paso del haz consiste esencialmente en un elemento de observación telescópico de IR, un elemento de escaneado, un objetivo de detector con sistemas ópticos de imagen y una fuente de radiación de referencia de temperatura que, con fines de calibración, refleja en intervalos de tiempo del elemento de escaneado no utilizado para la radiación térmica de la escena al menos dos intensidades de radiación diferentes en la región del camino del haz situada entre los sistemas ópticos de imagen, y las transmite a los elementos individuales de un detector.

Empleando la presente invención, es posible proporcionar un sistema de referencia de dimensiones muy compactas, puesto que si se hace girar las manivelas a una velocidad constante, la velocidad lateral del miembro de conexión entre las manivelas es una sinusoide, y el sistema de referencia puede ser dispuesto de tal manera que el miembro de conexión y las superficies especulares unidas al mismo crucen el camino óptico al conjunto del detector en su punto de velocidad máxima. Esto permite la realización de la aplicación de referencia en el tiempo de vuelo atrás con una disposición mecánica más pequeña que la que se necesitaría si la superficie especular estuviera dispuesta de forma que fuera un sector radial de un disco giratorio, cuyo sector pasara a través del camino óptico. Además, la superficie especular no experimenta rotación alguna y por tanto las dimensiones del espejo se pueden reducir al mínimo, permitiendo reducir las superficies generales del sistema de referencia.

Preferiblemente las manivelas tienen la forma de dos discos coplanarios, cada uno de los cuales gira alrededor de un eje central perpendicular al plano de los discos, estando unido cada disco al miembro de conexión en un punto situado sobe un radio del disco y estando equilibrado de tal manera que se compense la masa del miembro de conexión y de la superficie especular. El empleo de este tipo de mecanismo permite convertir un desplazamiento angular en un desplazamiento lateral introduciendo en el sistema una vibración mínima.

Ventajosamente, la superficie especular se inserta en el camino óptico cuando el punto en el cual una manivela se une al miembro de conexión está más próximo al eje sobre el cual gira la otra manivela. En este punto la superficie especular se está desplazando a su velocidad lateral máxima.

Preferiblemente, el sistema comprende dos superficies especulares montadas sobre el miembro de conexión y dos fuentes de referencia térmica a temperaturas diferentes respectivas, estando dispuestas las superficies especulares y las fuentes de referencia de tal manera que la disposición mecánica sucesivamente desplaza las superficies especulares en el camino óptico de modo que el conjunto de detectores visiona fuentes de referencia alternativas por medio de las superficies especulares respectivas, y preferiblemente las dos superficies especulares están colocadas lado a lado sobre el miembro de conexión con una superficie especular intersectando el camino óptico cuando las manivelas están en una primera posición angular e intersectando la segunda superficie especular el camino óptico cuando las manivelas están en segunda posición angular, giradas 180 grados con respecto a la primera posición. Esto permite que cada superficie especular se inserte a su vez en el camino óptico de tal manera que el conjunto de detectores quede expuesta a dos fuentes de referencia de temperatura diferentes que se pueden establecer a cualquier temperatura deseada, siendo escaneada sólo una referencia de temperatura entre cuadros sucesivos. No es necesario que el conjunto de detectores visione ambas fuentes de referencia térmica entre cuadros adyacentes puesto que la aplicación de referencia requiere normalmente un número considerable de vistas de cada fuente de referencia a lo largo de varios cuadros, lográndose la aplicación de referencia por un proceso de actualización.

Preferiblemente la superficie especular o las superficies especulares son curvas de manera que hagan que los rayos principales del conjunto de detectores converjan en la fuente de referencia térmicas asociada. Esto permite que la fuente de referencia térmica sea muy compacta, y también evita los problemas que surgen de la falta de uniformidad de la temperatura en la superficie de la fuente de referencia térmica puesto que cada elemento detector es irradiado por una gran proporción de la fuente de referencia.

Puede ser ventajoso, si el miembro de conexión se acciona con la manivela de tal manera que la superficie o superficies especulares montadas en el miembro de conexión sean compensadas con respecto a las manivelas.

La fuente de referencia térmica es preferiblemente un dispositivo termoeléctrico (efecto Peltier), cuya temperatura se pueda controlar en forma precisa por el flujo de corriente eléctrica a través del mismo.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un dispositivo de formación de imágenes térmicas que comprende el sistema de referencia anteriormente descrito. Es particularmente ventajoso si en un sistema de imágenes de este tipo las manivelas se giran a una velocidad constante y el sistema se encuentra colocado de tal manera que la obturación causada por el espejo en el camino óptico del dispositivo de imágenes sea menor o igual que el tiempo de vuelo atrás.

Preferiblemente el conjunto de detectores comprende un conjunto lineal de elementos detectores en el que la superficie especular intersecta y cruza el camino óptico en una dirección nominalmente perpendicular a la orientación óptica del conjunto en el camino óptico en el punto de intersección. El movimiento casi perpendicular de la superficie especular con respecto a la orientación óptica del conjunto de detectores asegura que todos los elementos del conjunto de detectores visionan la misma área de la fuente de referencia.

A continuación se describirá una realización de la presente invención a título de ejemplo haciendo referencia sólo a las figuras anexas, a través de las cuales números análogos indican partes análogas, y de las cuales:

la Figura 1 es un alzado frontal de un sistema de referencia de un dispositivo de imágenes térmicas de acuerdo con la presente invención;

la Figura 2 es un alzado lateral del sistema de referencia de la Figura 1, incluyendo el conjunto de elementos detectores de un dispositivo de formación de imágenes térmicas en el cual se acopla el sistema de referencia;

la Figura 3 es un vista en planta del sistema de referencia de las Figuras 1 y 2; y

la Figura 4 representa esquemáticamente la configuración óptica de un dispositivo de formación de imágenes térmicas que emplea el sistema de referencia de las Figuras 1 a 3.

Haciendo referencia a las Figuras 1 a 3, un sistema de referencia térmica, indicado generalmente como 1, comprende un cuerpo o bastidor 2 que aloja un motor eléctrico de CC 3 sin escobillas de velocidad constante. El eje 4 del motor eléctrico 3 está conectado a una rueda dentada (no representada) que acciona la correa 5. La correa 5 a su vez acciona un eje 6, estando retenido también el eje 6 en el bastidor 2.

El eje 4 está unido a un disco 7 y en forma semejante el eje 6 está unido al disco 8. Los discos 7 y 8 están conectados con pivotamiento a un miembro de conexión 9 de modo que los discos 7 y 8 actúan como manivelas. Los pesos equilibrados 10 y 11 están unidos a los discos para compensar el peso del miembro de conexión 9. El miembro de conexión 9 a su vez es actuado por manivela de forma que las superficies especulares 12 y 13 están desviadas con respecto a los discos 7 y 8.

El motor 3 hace girar al disco 7 a una velocidad angular constante, y la correa 5 asegura que el disco 8 gire en la misma dirección. La rotación del disco 7 causa que la posición media del miembro de conexión 9 describa un círculo, mientras mantiene una posición horizontal.

En la posición indicada en las Figuras 1 a 3, el miembro de conexión 9 causa que la superficie especular 13 intercepte al camino óptico X de un conjunto lineal de elementos detectores 15 de un dispositivo de formación de imágenes térmicas, cuyos elementos restantes han sido omitidos en aras de la claridad. Estos elementos ópticos faltantes formarían típicamente una imagen aérea del conjunto en la vecindad del punto de cruce del espejo. La óptica del dispositivo de formación de imágenes térmicas en combinación con la superficie especular 13, que a su vez tiene una potencia óptica, hacen que el efecto termoeléctrico Peltier 14 tenga lugar en la pupila del sistema de imágenes, de tal manera que el conjunto de elementos detectores 15 visione el efecto Peltier 14. La superficie especular 13 cuando intersecta al camino óptico X se desplaza a su velocidad vertical máxima con un desplazamiento horizontal despreciable con respecto a la orientación del sistema de referencia, tal como se representa en las figuras.

Como se apreciará a partir de las figuras, cuando los discos 7 y 8 giran 180 grados, la superficie especular 12 intercepta el camino óptico del dispositivo de formación de imágenes térmicas, haciendo que el efecto termoeléctrico Peltier 16 ocurra en la pupila del dispositivo de imagen, de tal forma que el conjunto de detectores 15 visione el efecto Peltier 16. Nuevamente, la superficie especular 12 pasará a través del eje óptico X a su velocidad vertical máxima, pero pasa a través del eje óptico X en la dirección opuesta a la superficie especular 13.

En funcionamiento, el conjunto de detectores será leído constantemente mientras la óptica de escaneado (no representada) del dispositivo de imagen hace que una escena visionada sea escaneada a través del conjunto de elementos detectores 15. La posición del motor 3 está sincronizada con la posición de la óptica de escaneado del sistema de imagen térmica por medio de un sensor óptico 17 que detecta una marca de temporización 19 en la superficie del anillo de temporización 20. El motor está sincronizado de tal manera que cuando se ha escaneado un cuadro completo a través del conjunto de elementos detectores 15, una de las dos superficies especulares atraviesa entonces el camino óptico X durante el tiempo de vuelo atrás antes de que sea escaneado el cuadro siguiente a través del conjunto de detectores. Mientras el cuadro subsiguiente es escaneado a través del conjunto detector 15, los discos 7 y 8 giran típicamente 165 grados. A continuación, cuando ha sido escaneado el cuadro completo a través del conjunto, los discos 7 y 8 giran típicamente 15 grados adicionales, de forma que la superficie especular 13 cause que el conjunto de detectores visione el efecto Peltier 14 durante el vuelo atrás al final del cuadro.

Los efectos Peltier 14 y 16 están a dos temperaturas respectivas diferentes, cuyas temperaturas se conocen con precisión y están relacionadas con la temperatura media de escena. La temperatura del efecto Peltier se elige típicamente de forma que la radiación recibida por el detector corresponda con la radiación media creada por la escena. La circuitería de proceso (no representada) del dispositivo de formación de imágenes térmicas usa la temperatura media visionada por el conjunto de elementos detectores 15 para realizar la compensación de CC entre los elementos de una manera conocida. Subsiguientemente, cuando se visiona el segundo efecto Peltier, la circuitería de proceso es capaz de compensar las diferencias de ganancia de los diferentes elementos y de esta manera normalizar la salida de los elementos del conjunto de detectores. Nuevamente se puede lograr esto mediante cualquier técnica conocida.

Haciendo referencia a continuación a la Figura 4, se ilustra esquemáticamente un sistema óptico empleado por un dispositivo de formación de imágenes térmicas que utiliza el sistema de referencia descrito anteriormente. El sistema de imagen térmica emplea un número de elementos ópticos que son representados por la lente 21. Esta "lente" 21 hace que los rayos principales, indicados por líneas de trazo discontinuo 22, procedentes del conjunto de detectores 15, converjan en un punto focal que se sitúa próximo al plano en el cual las superficies especulares 12 y 13 intersectan al camino óptico X del dispositivo de imagen. Aunque sólo se han ilustrado una superficie especular y un efecto Peltier, la configuración óptica es típicamente simétrica en lo que se refiere a la otra superficie especular y al otro efecto Peltier.

La superficie especular 12/13 es esférica y origina que todos los rayos principales 22 converjan en un área muy pequeña del efecto Peltier 14/16. La combinación de la superficie esférica 12/13 y la disposición mecánica del sistema de referencia, tal como se ilustra en las Figuras 1 a 3, que hacen que la superficie especular 12/13 se mueva sólo esencialmente en una dirección "vertical", aseguran que cada elemento del conjunto del detector 15 visione la misma área del efecto Peltier. Aunque el movimiento vertical de la superficie especular 12/13 originará un pequeño desplazamiento vertical en la región visionada por el conjunto de detectores, la variación en la radiación de los detectores está dentro de límites aceptables.

La descripción anterior se refiere a las direcciones vertical y horizontal. Sin embargo se apreciará que estos términos son puramente relativos, puesto que el sistema anteriormente descrito puede tener cualquier orientación. Además, la orientación óptica del conjunto de elementos sensores 15 es preferiblemente perpendicular a la dirección del movimiento de la superficie especular 12/13, tal como se indica mediante la flecha 23 de la Figura 4. Sin embargo, la orientación óptica del conjunto de elementos detectores en los que la superficie especular intercepta el camino óptico X no tiene por que tener la misma orientación que el conjunto de detectores.

Lo anterior describe sólo una realización de la presente invención, pero para los expertos en la técnica serán obvias muchas variaciones dentro del objeto de las reivindicaciones anexas.

Claims (11)

1. Un sistema de referencia (1) para un conjunto de elementos detectores (15) de un dispositivo de formación de imágenes térmicas, incluyendo el sistema: dos superficies especulares (12, 13); dos fuentes de referencia térmica (14, 16) a temperaturas respectivas diferentes; y una disposición mecánica (7, 8, 9) para desplazar cíclicamente las superficies especulares (12, 13) sobre un camino óptico (X-X) del dispositivo de formación de imágenes térmicas, de tal manera que el conjunto de elementos detectores (15) visiona sucesivamente cada fuente de referencia térmica (14, 16) por medio de una superficie especular respectiva (12, 13), incluyendo la disposición mecánica dos manivelas (7, 8), dispuestas para girar sobre ejes respectivos (4, 6) en la misma dirección y unidas por un miembro de conexión (9) sobre el cual miembro de conexión (9) se montan las superficies especulares (12, 13).

2. Un sistema como el de la reivindicación 1, en el cual las manivelas tienen la forma de dos discos coplanarios (7, 8), cada uno de los cuales gira alrededor de un eje central (4, 6) perpendicular al plano de los discos, estando unido cada disco al miembro de conexión en un punto situado sobre un radio del disco y estando equilibrado (10, 11) de tal manera que se compense la masa del miembro de conexión y de la superficie especular.

3. Un sistema como el de la reivindicación 1 ó 2, en el cual cada superficie especular se inserta sucesivamente en el camino óptico cuando el punto en el cual una de las manivelas se une al miembro de conexión está más próximo al eje sobre el cual gira la otra manivela.

4. Un sistema como el de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual las dos superficies especulares (12, 13) se disponen una junto a otra sobre el miembro de conexión (9) con una superficie especular intersectando el camino óptico con las manivelas en una primera posición angular e intersectando el camino óptico la segunda superficie especular cuando las manivelas están en una segunda posición angular girada 180 grados respecto a la primera posición.

5. Un sistema como el de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual al menos una superficie especular (12, 13) está curvada de forma tal que origina que los rayos principales procedentes del conjunto de detectores converjan sobre la fuente de referencia térmica asociada (14, 16).

6. Un sistema como el de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el miembro de conexión (9) es accionado por manivela de tal manera que los espejos están montados desplazados respecto a una línea que pasa a través de los puntos en los cuales dicho miembro de conexión está conectado a las manivelas respectivas.

7. Un sistema como el de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual cada fuente de referencia térmica (14, 16) es un dispositivo termoeléctrico.

8. Un dispositivo de formación de imágenes térmicas que comprende un sistema de referencia como el de cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

9. Un dispositivo de formación de imágenes térmicas como el de la reivindicación 8, en el cual se hace girar a las manivelas a una velocidad constante y el sistema está dispuesto de tal manera que cada superficie especular se encuentra en el camino óptico durante un periodo menor o igual al tiempo de vuelo atrás del dispositivo de formación de imágenes térmicas.

10. Un dispositivo de formación de imágenes térmicas como el de la reivindicación 8 ó 9, que comprende un conjunto lineal de elementos detectores (15), en el cual cada superficie especular intersecta y cruza el camino óptico en una dirección casi perpendicular a la orientación óptica del conjunto en el camino óptico en el punto de intersección.

11. Un dispositivo de formación de imágenes térmicas como el de la reivindicación 8, 9 ó 10, que comprende una disposición óptica que forma una imagen aérea del conjunto sustancialmente en el punto en el cual las superficies especulares intersectan el camino óptico.