ES2213080T3 - Objetivo para sistemas de vision infrarroja. - Google Patents

Objetivo para sistemas de vision infrarroja.

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ES2213080T3 ES01117193T ES01117193T ES2213080T3 ES 2213080 T3 ES2213080 T3 ES 2213080T3 ES 01117193 T ES01117193 T ES 01117193T ES 01117193 T ES01117193 T ES 01117193T ES 2213080 T3 ES2213080 T3 ES 2213080T3
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Piermario Repetto
Piero Perlo
Claudia Bigliati
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Abstract

Objetivo para sistemas de visión basados en la radiación térmica infrarroja, que comprende: - un espejo de Fresnel primario (14) ajustado para recibir la radiación térmica infrarroja (IR) a lo largo de direcciones sustancialmente paralelas a un eje óptico (A) del objetivo (10); - un espejo de Fresnel secundario (16) ajustado para recibir la radiación infrarroja reflejada por el espejo de Fresnel primario (14); y - una lente (18) ajustada para recibir la radiación infrarroja reflejada por el espejo de Fresnel secundario (16) y para enfocar dicha radiación sobre un plano de imagen (20), caracterizado porque la disposición de los espejos primario y secundario es la de un telescopio de Cassegrain, proporcionando una imagen de alta resolución enfocada sobre un conjunto de detectores.

Description

Objetivo para sistemas de visión infrarroja.
La presente invención se refiere a un objetivo para sistemas de visión basados en radiación térmica infrarroja. En particular, la invención se refiere a un objetivo diseñado para ser utilizado en una cámara térmica infrarroja para enfocar la imagen infrarroja emitida por la escena (bandas: MWIR3-5 micras, LWIR8-14 micras) sobre un conjunto sensores del tipo de Conjunto de Planos Focales (FPA). El objetivo según la presente invención se ha desarrollado en particular para su uso con sensores del tipo no refrigerado (UFPA), por ejemplo bolómetros resistivos, ferroeléctricos y termoeléctricos, etc. Sin embargo, el objetivo según la invención puede utilizarse también con sensores del tipo refrigerado (sensores fotoconductores o fotovoltaicos).
Con un sensor FPA de 320 x 240 píxeles y con dimensiones del área activa de 16 x 12 mm y un tamaño de píxel de 50 x 50 micras, es necesario que el tamaño del punto de imagen producido por el objetivo sea menor de 50 micras. Normalmente, los objetivos para radiación térmica infrarroja comprenden un par de lentes hechas de material semiconductor, tal como germanio, silicio, arseniuro de zinc, etc. Estos materiales son extremadamente costosos y requieren mecanizado de precisión.
El documento US-A-5896237 describe un conjunto sensor que incluye un sensor de energía radiante y un par de paredes reflectoras mutuamente enfrentadas, presentando una de las paredes una abertura de transmisión para recibir energía radiante sobre un gran ángulo de incidencia, presentando la otra pared una abertura de transmisión para pasar energía desde detrás de la pared al sensor, teniendo las paredes unas características de reflexión tales que la energía radiante que entra en una abertura de entrada bajo cualquier ángulo se refleja hacia una abertura de salida. Las paredes reflectoras pueden ser en su geometría paraboloides o superficies de Fresnel.
El documento EP-A-0 737 878 describe un sistema de detectores agrupados para formar la imagen de una escena de objeto. El sistema incluye una óptica catadióptrica para proporcionar una imagen de formato completo la escena de objeto. La óptica catadiótrica incluye una óptica de objetivo reflectora para proporcionar una imagen intermedia de la escena objeto y una óptica de relé refractora para proporcionar la imagen de formato completo. El sistema incluye además un detector de enfoque fijo para recibir la imagen de formato completo.
El propósito de la presente invención es proporcionar un objetivo para sistemas de visión basados en la radiación térmica infrarroja, con alta resolución y un coste sensiblemente inferior al de las soluciones conocidas.
De acuerdo con la presente invención, este propósito se alcanza por medio de un objetivo que presentan las características que forman el objeto de la reivindicación 1.
La presente invención se describirá ahora con detalle, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, que se proporcionan únicamente a título de ejemplos no limitativos, y en los cuales:
- La figura 1 es una vista lateral esquemática de un objetivo según la presente invención;
- La figura 2 es una vista a mayor escala de la parte indicada por la flecha II de la figura 1;
- La figura 3 es un gráfico que ilustra la resolución del objetivo según la presente invención; y
- La figura 4 es una vista similar a la de la figura 1, que ilustra una variante del objetivo según la presente invención.
Con referencia a la figura 1, un objetivo según la presente invención para sistemas de visión basados en radiación térmica infrarroja se designa con la referencia 10. El objetivo 10 se basa en el principio operativo del telescopio Cassegrain y comprende una ventana protectora 12 realizada preferiblemente en silicio pero que podría estar realizada también en Ge, ZnS, ZnSe, calcogenuro de AMTIR, TI o algún otro material transparente a la radiación infrarroja. El objetivo 10 comprende además un espejo de Fresnel primario 14 y un espejo de Fresnel secundario 16. El espejo de Fresnel primario 14 recibe radiación infrarroja (designada por IR) procedente de la escena a lo largo de direcciones sustancialmente paralelas a un eje óptico A del objetivo y refleja la radiación infrarroja hacia el espejo de Fresnel secundario 16. El espejo de Fresnel secundario 16 refleja a su vez la radiación infrarroja hacia una lente 18 que enfoca dicha radiación sobre un plano de imagen que contiene un sensor 20, por ejemplo del tipo UFPA. Como se ilustra en la figura 2, entre la lente 18 y el sensor 20 puede ajustarse una ventana 21 realizada en germanio.
Los dos espejos de Fresnel 14, 16 están realizados preferiblemente en material plástico moldeado (por ejemplo, policarbonato) de pequeño grosor, preferiblemente en la región de 2-3 mm. Cada espejo de Fresnel 14, 16 presenta una superficie reflectante con una forma asférica, simétrica con respecto al eje óptico A, y está provista, en la superficie reflectante, de una serie de microsalientes que presentan también una simetría rotacional con respecto al eje óptico A. Dichos espejos están revestidos con una capa de aluminio, plata u otro metal de forma que los haga reflectores de la radiación infrarroja. Aunque una realización preferida de la invención prevé que los dos espejos de Fresnel 14, 16 estén realizados en material plástico moldeado, estos espejos podrían obtenerse también por mecanizado directo.
La lente 18 puede estar realizada en material semiconductor, tal como Ge, ZnSe, ZnS, vidrio calcogenida (por ejemplo, TI20, TI1173, AMTIR1, AMTIR3) o cualquier otro material semiconductor o material vítreo transparente a la radiación infrarroja. De acuerdo con otra realización, la lente 18 es una lente de Fresnel realizada en polietileno de alta densidad (HDPE). Esta lente es preferiblemente plana, lo cual permite obtener grosores de menos de 0,5 mm por moldeo en caliente. La lente de Fresnel 18 puede presentar también una forma esférica o asférica. En este último caso, es necesario utilizar una técnica de moldeo por inyección, que implica un grosor mínimo superior a 0,5 mm y, por tanto, una transmitancia inferior para la radiación infrarroja.
La forma de los casquetes asféricos de los espejos 14, 16 y de las superficies de la lente 18, la forma y distribución de los microsalientes Fresnel y la distancia mutua entre los diversos elementos ópticos del objetivo están optimizadas para minimizar cualquier aberración en el plano de imagen que contiene el sensor 20.
En una realización preferida del objetivo según la invención, el número F (es decir, la relación entre la distancia focal efectiva y el diámetro de la pupila de entrada) es 0,8-1; el diámetro de la pupila de entrada (espejo 14) es 80-90 mm; el diámetro del espejo 16 es 55-65 mm (la corona circular corresponde a una pupila equivalente con un diámetro de aproximadamente 60 mm); los espejos 14, 16 están separados uno de otro a una distancia de 50-60 mm; la lente 18 está a una distancia de 30-40 mm del espejo 16; y el plano de imagen 20 está a una distancia de 2-6 mm de la lente 18.
El gráfico de la figura 3 ilustra el porcentaje de energía encerrada en un píxel en función de la mitad de la anchura (en micras) del píxel con un objetivo del tipo descrito previamente y para diferentes ángulos representativos del campo completo de visión. La figura 3 muestra que, si se considera un píxel con un tamaño de 50 x 50 micras (mitad de la anchura del píxel 25 micras), el porcentaje de energía encerrada en cada píxel del sensor S es mayor del 90%. Optimizando los parámetros del sistema, resulta posible obtener dimensiones del punto de imagen de menos de 40 micras en un campo de visión de 12 x 9º.
El objetivo descrito permite un rendimiento superior al de un objetivo con dos lentes de menisco hechas de germanio, pero con una reducción de costes de varias órdenes de magnitud. Por ejemplo, utilizando un sensor FPA de 320 x 240 píxeles con dimensiones del área activa de 16 x 12 mm y dimensiones de píxel de 50 x 50 micras, es necesario que el tamaño del punto de imagen sea menor de 50 micras en el campo de visión completo. Para obtener esta resolución con un objetivo que utiliza lentes de germanio con un número F de 1,2, un diámetro de la pupila de entrada de 70 mm y una distancia focal de 84 mm, es necesario utilizar tres lentes esféricas o bien dos lentes con al menos una superficie de una de las dos lentes asférica, lo que implica un incremento en el coste de fabricación.
El objetivo 10 puede proveerse de un revestimiento antirreflexión en ambas superficies de la ventana protectora 12 para maximizar la transmitancia de la radiación infrarroja. El espejo de Fresnel secundario 16 puede encolarse sobre la ventana protectora 12 con una capa de adhesivo. La lente 18 puede insertarse en un bastidor (no ilustrado) rígidamente constreñido al espejo de Fresnel primario 4. Dicho bastidor puede hacerse directamente mediante moldeo por inyección del espejo 14.
La figura 4 ilustra una variante del objetivo de acuerdo con la presente invención, en la cual los elementos que corresponden a los previamente descritos se designan por los mismos números de referencia. En la variante de la figura 4, se ha introducido una lente 22 realizada en vidrio de calcogenuro (por ejemplo, AMTIR1/3) que consiste preferiblemente en una lente esférica convexa/plana. El rendimiento del sistema así modificado permanece sustancialmente inalterado.
El objetivo según la presente invención puede proveerse de dispositivos auxiliares, tales como:
-
un iris para modificar el número F del objetivo;
-
un dispositivo para el ajuste mecánico de la distancia entre los elementos ópticos 14, 16, 18 para permitir un enfoque preciso de la imagen;
-
un obturador temporizado para llevar a cabo una recalibración periódica de la telecámara de IR;
-
nervios o deflectores dispuestos sobre la superficie interna del alojamiento para minimizar la reflexión de la radiación procedente de ángulos fuera del campo de visión.

Claims (13)

1. Objetivo para sistemas de visión basados en la radiación térmica infrarroja, que comprende:
-
un espejo de Fresnel primario (14) ajustado para recibir la radiación térmica infrarroja (IR) a lo largo de direcciones sustancialmente paralelas a un eje óptico (A) del objetivo (10);
-
un espejo de Fresnel secundario (16) ajustado para recibir la radiación infrarroja reflejada por el espejo de Fresnel primario (14); y
-
una lente (18) ajustada para recibir la radiación infrarroja reflejada por el espejo de Fresnel secundario (16) y para enfocar dicha radiación sobre un plano de imagen (20),
caracterizado porque la disposición de los espejos primario y secundario es la de un telescopio de Cassegrain, proporcionando una imagen de alta resolución enfocada sobre un conjunto de detectores.
2. Objetivo según la reivindicación 1, en el que cada uno de dichos espejos (14, 16) consiste en un casquete asférico simétrico con respecto al eje óptico (A).
3. Objetivo según la reivindicación 2, en el que cada uno de dichos espejos (14, 16) está provisto de una serie de microsalientes que presentan simetría de rotación con respecto a dicho eje óptico (A).
4. Objetivo según la reivindicación 1, en el que dichos espejos de Fresnel están realizados en material plástico moldeado por inyección.
5. Objetivo según la reivindicación 4, en el que cada uno de dichos espejos está revestido de una capa metálica que refleja radiación infrarroja.
6. Objetivo según la reivindicación 1, en el que dicha lente (18) está realizada en un material que es transparente a la radiación infrarroja, seleccionado de entre el grupo: Ge, ZnSe, ZnS y vidrio de calcogenuro.
7. Objetivo según la reivindicación 6, en el que dicha lente (18) es una lente convexa/plana.
8. Objetivo según la reivindicación 1, en el que dicha lente (18) es una lente de Fresnel realizada en polietileno de alta densidad (HDPE).
9. Objetivo según la reivindicación 8, en el que dicha lente de Fresnel es una lente plana con un grosor inferior a 0,5 mm.
10. Objetivo según la reivindicación 8, en el que dicha lente de Fresnel (18) presenta superficies curvas de una forma esférica o asférica.
11. Objetivo según la reivindicación 1, en el que éste comprende una ventana protectora (12) realizada en un material que es transparente a la radiación infrarroja, estando fijado dicho espejo de Fresnel secundario (16) a una superficie interna de dicha ventaja protectora (12).
12. Objetivo según la reivindicación 11, en el que dicha ventana protectora (12) está realizada en un material seleccionado de entre el grupo que consta de silicio, sulfuro de zinc (ZnS), germanio (Ge), seleniuro de zinc (ZnSe) y vidrio de calcogenuro.
13. Objetivo según la reivindicación 11, en el que dicha ventana presenta un revestimiento antirreflexión en sus dos superficies.
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