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