ES2296256T3 - Dispositivo de vision de dia y de noche. - Google Patents

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ES2296256T3 ES06100233T ES06100233T ES2296256T3 ES 2296256 T3 ES2296256 T3 ES 2296256T3 ES 06100233 T ES06100233 T ES 06100233T ES 06100233 T ES06100233 T ES 06100233T ES 2296256 T3 ES2296256 T3 ES 2296256T3
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Philippe Patry
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Sylvain Faure
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Abstract

Dispositivo optrónico de observación que comprende un detector (2), comprendiendo el detector un fotocátodo (11) y un captador (14) dispuestos para recibir un haz (24) luminoso incidente, comprendiendo el dispositivo además unos medios de conmutación (17) aptos para colocar un elemento (16, 22) óptico en la vertical de dicho detector sobre el trayecto del haz incidente o para escamotear dicho elemento, comprendiendo el dispositivo unos medios aptos para enfocar un rayo incidente sobre el fotocátodo (11) cuando el elemento está en posición escamoteada, siendo el elemento (16, 22) apto, cuando está colocado en la vertical del detector, para enfocar el haz sobre el captador (14) y para filtrar espectralmente el haz para bloquear la totalidad o parte de las longitudes de onda para las cuales la capacidad de respuesta del fotocátodo (11) es superior a un umbral que corresponde a un umbral de no degradación térmica del fotocátodo que define una zona espectral para la cual el fotocátodo no interactúa ya o muy poco con los fotones incidentes y para la cual la capacidad de respuesta del captador es suficiente para proporcionar una señal de vídeo de buena calidad.

Description

Dispositivo de visión de día y de noche.
Campo técnico general
La presente invención se refiere a los dispositivos de visión de día y de noche.
Más precisamente, la invención se refiere a un dispositivo optrónico de visión de día y de noche, en particular portátil.
Estado de la técnica
Unos dispositivos optrónicos de visión de día y de noche son utilizados en diferentes dispositivos portátiles de observación de un entorno. Los dispositivos de observación están por ejemplo instalados en unos gemelos, y/o unos visores de armas o unos cascos de soldados de infantería.
Se comprende que los dispositivo de observación portátiles son preferentemente de pequeñas dimensiones y ligeros.
Los dispositivos optrónicos de observación conocidos comprenden en general una vía de día y una vía de noche integradas.
Un ejemplo de un dispositivo de este tipo puede entonces comprender dos vías distintas. En el caso de un dispositivo vídeo, puede así comprender dos vías ópticas y dos captadores distintos.
Preferentemente, la vía de día comprende una matriz conocida de detección del tipo con acoplamiento de cargas CCD (Charge-Coupled Device) o una matriz conocida de detección del tipo semiconductor con óxido de metal complementario CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor).
Generalmente, la vía de noche comprende o bien un dispositivo de intensificación de luz acoplado a una matriz con el acoplamiento de cargas o ICCD (Intensified Charge-Coupled Device), o bien un dispositivo de intensificación de luz acoplado a una matriz semiconductor con óxido de metal complementario o ICMOS (Intensified Complementary Metal-Oxide Semiconductor), o bien preferentemente un captador conocido de bombardeo electrónico sobre una matriz CMOS o EBCMOS (Electron Bombarded Complementary Metal-Oxide Semiconductor), o bien un captador conocido de bombardeo electrónico sobre una matriz CCD o EBCCD (Electron Bombarded Charge-Coupled Device).
En unos dispositivos de visión de noche del tipo IL (con intensificación de luz), un fotocátodo efectúa en primer lugar una conversión de los fotones incidentes que provienen de la escena en electrones. Los electrones son a continuación multiplicados en un circuito amplificador constituido por microcanales antes de chocar con una placa de fósforo que efectúa a su vez una conversión de los electrones en fotones emitidos. Los fotones emitidos son enviados por medio de una matriz (o "taper" en inglés) de fibras ópticas sobre un captador CCD o CMOS que permite a continuación obtener una imagen de vídeo.
La figura 1 muestra que en unos dispositivos de visión de noche que utilizan la tecnología EBCMOS o EBCCD, un objetivo enfoca los fotones 10 incidentes que provienen de la escena sobre un fotocátodo 11 situado en una caja hermética 25. Al igual que para los dispositivos del tipo tubo IL, el fotocátodo 11 es por ejemplo de un material a base de AsGa (arseniuro de galio) o multiálcali. El fotocátodo convierte los fotones en electrones 13. Estos últimos son acelerados en una cámara 12 en la que reina el vacío y en la que está aplicada una diferencia de potencial de un valor absoluto V de varios millares de voltios. Los electrones acelerados 13 pasan a "bombardear" una matriz 14 CMOS o CCD que permite a continuación obtener una imagen de vídeo gracias a unos medios 15 de salida de la matriz 14. Unos medios 26 permiten enviar a la caja 25 unas señales de control y de polarización.
Las tecnologías EBCMOS o EBCCD tienen en particular la ventaja de permitir la concepción de dispositivos de visión nocturna menos onerosos, menos pesados, menos voluminosos y que consumen menos que los que utilizan la tecnología de los tubos IL, en particular debido a la ausencia de circuito amplificador con microcanales y de placa de fósforo. Además, la ausencia de este circuito de microcanales minimiza la desabsorción de los gases que facilitan el comportamiento del vacío de alta calidad necesario en el interior de la caja para garantizar un bajo ruido y una larga duración de vida del fotocátodo.
Un dispositivo de observación día/noche puede también comprender dos vías semidistintas.
La figura 2 muestra que, en este caso, el dispositivo comprende una vía óptica 1 común a dos captadores 2 y 3 a través de un separador 4 de haces. El captador 2 de día es por ejemplo una matriz CCD o una matriz CMOS. El captador de noche 3 es por ejemplo un dispositivo ICCD, un dispositivo ICMOS o preferentemente un captador EBCMOS o EBCCD.
Los dispositivos anteriores presentan sin embargo inconvenientes.
Dichos dispositivos de observación permiten una observación día/noche, pero requieren muchos elementos ópticos y dos captadores. El montaje de dichos elementos y captadores se realiza en detrimento de la compacidad y de la ligereza del dispositivo de observación. Son por tanto voluminosos y relativamente pesados, debido a la presencia de las dos vías distintas o semidistintas.
Para resolver estos problemas, es posible prever sólo una vía en el dispositivo de observación.
La figura 3 muestra que los dispositivos IL actuales pueden ser utilizados de día, mediante el posicionado de un elemento escamoteable 5 entre el entorno y la entrada del objetivo de la vía óptica 1. El elemento 5 es un diafragma y/o una densidad óptica dispuestos sobre el objetivo. Cuando tiene lugar una visión nocturna, el elemento 5 está escamoteado. Cuando tiene lugar una visión de día, el elemento está colocado sobre el objetivo para permitir utilizar el dispositivo y en particular el captador 2 sin riesgo de sobreiluminación del fotocátodo.
Operativamente, el uso de dicho dispositivo de observación presenta poco interés, en la medida en que la calidad de imagen está limitada por el tubo IL y sus rendimientos de conversiones. La utilización de un dispositivo IL en modo día no vale lo que una vía de día clásica (CMOS o CCD).
Los dispositivos de observación del estado de la técnica no permiten la utilización de la tecnología EBCMOS o EBCCD en una visión de día en un dispositivo de observación que comprende una sola vía óptica, en particular debido a la degradación del fotocátodo a las fuertes iluminaciones diurnas y una necesidad de reenfocado entre el haz de día y el haz de noche.
El documento US-A-5.070.407 divulga una cámara que comprende un mecanismo de cambio de filtros ópticos.
El documento EP-A-1 306 906 divulga una técnica de detección de imagen de baja intensidad, que utiliza el bombardeo electrónico de una matriz de detección.
El documento US-A-6.307.586 divulga una cámara que dispone de un modo de visión de día y de un modo de visión de noche, y que comprende un detector que comprende un fotocátodo, una matriz de detección y un elemento no escamoteable que permite pasar del modo de visión de día al modo de visión de noche por su desplazamiento.
Presentación de la invención
La invención propone evitar por lo menos uno de estos inconvenientes.
A este fin, la invención propone un dispositivo optrónico de observación que comprende un detector, comprendiendo el detector un fotocátodo y un captador dispuestos para recibir un haz luminoso incidente, comprendiendo el dispositivo además unos medios de conmutación aptos para colocar un elemento óptico en la vertical de dicho detector sobre el trayecto del haz incidente o para escamotear dicho elemento, comprendiendo el dispositivo unos medios aptos para enfocar un rayo incidente sobre el fotocátodo cuando el elemento está en posición escamoteada, caracterizado porque el elemento es apto, cuando está dispuesto en la vertical del detector, para enfocar el haz sobre el captador y para filtrar espectralmente el haz para bloquear la totalidad o parte de las longitudes de onda para las cuales la capacidad de respuesta del fotocátodo es superior a un umbral dado.
La invención es ventajosamente completada por las características siguientes, tomadas solas o en cualquiera de sus combinaciones técnicamente posibles:
-
el umbral de capacidad de respuesta para el cual el elemento es apto para filtrar las longitudes de onda corresponde a un umbral de no degradación térmica del fotocátodo. Define una zona espectral para la cual el fotocátodo no interactúa ya o muy poco con los fotones incidentes y para la cual la capacidad de respuesta del captador es suficiente para proporcionar una señal de vídeo de buena calidad;
-
el fotocátodo está colocado corriente arriba del captador sobre el trayecto del haz y comprende arseniuro de galio (AsGa) o silicio con un depósito multiálcali;
-
el captador es del tipo semiconductor con óxido de metal complementario o con acoplamiento de cargas;
-
los medios de conmutación son además aptos para colocar una lámina óptica de equilibrado en la vertical del detector sobre el trayecto del haz incidente cuando el elemento óptico está en posición escamoteada o para escamotear dicha lámina de equilibrado cuando el elemento está en la vertical del detector;
-
la lámina de equilibrado es apta para filtrar espectralmente el haz para bloquear ciertas longitudes de onda;
-
la lámina presenta por lo menos dos zonas de filtrado de longitud de ondas, siendo los medios de conmutación aptos para colocar cada zona en la vertical del detector en función de la utilización del dispositivo;
-
el elemento es apto para cerrar la abertura óptica de la pupila del detector;
-
el detector es del tipo EBCMOS o EBCCD, siendo la cara de detección del captador CMOS o CCD la cara posterior;
-
el dispositivo de visión de día y de noche está adaptado en particular para ser colocado sobre un casco de soldado de infantería o un arma.
El dispositivo de observación de la invención presenta numerosas ventajas.
En primer lugar, es compacto y ligero. Sólo comprende una vía óptica común para las visiones de día y de noche. Permite asegurar la visión de día y de noche con la ayuda de un solo y único captador.
Permite en particular la utilización de la tecnología EBCMOS o EBCCD en visión de noche, y permite una basculación de la tecnología EBCMOS o EBCCD de noche a una tecnología CMOS o CCD de día sin tener que enfocar de nuevo el rayo incidente.
Permite además proteger el fotocátodo en utilización de día sin la utilización de un diafragma o de una densidad óptica.
La invención cumple las mismas funciones que los dispositivos de la técnica anterior asociando a los mismos una buena calidad de imagen, en particular gracias a la buena resolución del CMOS por ejemplo y no es oneroso, debido a la ausencia del tubo IL.
La invención es muy simple de fabricación puesto que sólo comprende una óptica, un solo captador y un filtro móvil que protege también el fotocátodo. La invención es además muy simple de utilización.
Presentación de las figuras
Otras características, objetivos y ventajas de la invención resaltarán de la descripción que sigue, que es puramente ilustrativa y no limitativa, y que debe ser leída con respecto a los planos anexos, en los cuales:
- la figura 1, ya comentada, representa esquemáticamente un detector conocido del tipo EBCMOS o EBCCD;
- las figuras 2 y 3, ya comentadas, representan unos dispositivos de visión día/noche que comprenden unas vías distintas o semidistintas;
- la figura 4 representa las curvas de capacidad de respuesta normalizada del fotocátodo AsGa (líneas a trazos) y del captador (líneas seguidas) en función de la longitud de onda de un haz luminoso incidente;
- las figuras 5A y 5B representan un primer modo de realización posible de un dispositivo optrónico de observación según la invención, en posición de noche y en posición de día respectivamente; y
- las figuras 6A y 6B representan un segundo modo de realización posible de un dispositivo optrónico de observación según la invención, en posición de noche y en posición de día respectivamente.
En todas las figuras, los elementos similares llevan una referencia numérica idéntica.
Descripción detallada
La invención comprende principalmente un dispositivo óptico destinado a equipar por ejemplo un visor para un casco de soldado de infantería o un arma.
El dispositivo permite ventajosamente una visión de día y una visión de noche.
A este fin, la figura 5A muestra que un dispositivo optrónico de observación según la invención en posición de observación de noche comprende un detector 2 que comprende un fotocátodo 11 y un captador 14 óptico. El fotocátodo 11 está dispuesto corriente arriba del captador 14 sobre el trayecto de un haz 24 luminoso que proviene de la escena a observar. El haz luminoso incidente 24 es enfocado gracias a un objetivo 23 sobre el fotocátodo 11 del detector en posición de noche.
A este fin, el fotocátodo 11 efectúa una conversión de los fotones del haz 24 a fin de convertirlos en electrones aptos para ser detectados por el captador 14. Los electrones atraviesan una cámara 12 entre el fotocátodo 11 y el captador 14 y pasan a chocar contra el captador 14 para dar una imagen de noche gracias a un tratamiento por unos medios 15 a la salida del captador 14. Preferentemente, la cámara 12 es una cámara de vacío en la cual reina una diferencia de potencial del orden de 2.000 voltios, a fin de acelerar convenientemente los electrones producidos por el fotocátodo 11.
El detector 14 puede ser del tipo matriz con acoplamiento de cargas CCD o preferentemente una matriz del tipo semiconductor con óxido de metal complementario CMOS. Preferentemente, la cara de detección del captador 14 CMOS o CCD es la cara posterior. Una detección sobre la cara posterior permite mejorar el rendimiento de detección del captador y evita problemas de factor de llenado sobre la cara delantera del captador.
Se comprende que el detector 2 es del tipo EBCCD o preferentemente del tipo EBCMOS. El fotocátodo 11 puede ser de generación 2 y comprender silicio y un depósito multiálcali, o preferentemente de generación 3 y comprender arseniuro de galio (AsGa).
La figura 5B representa el dispositivo de la figura 5A, pero esta vez en posición de visión de día.
Se destaca en la figura 5B que el dispositivo comprende unos medios 17 de conmutación aptos para colocar un elemento óptico 16 en la vertical del detector 2 sobre el trayecto del haz 24 incidente. El elemento 16 es apto en esta posición para enfocar el haz incidente 24 sobre el captador 14 y no ya sobre el fotocátodo 11. El elemento 16 es además apto para filtrar espectralmente el haz 24 para bloquear las longitudes de onda para las cuales la capacidad de respuesta del fotocátodo es superior a un umbral dado.
La figura 4 representa en efecto un ejemplo de curva de capacidad de respuesta normalizada del fotocátodo 11 (en líneas a trazos) en el caso de un fotocátodo de AsGa y del captador 14 (en líneas seguidas) en función de la longitud de onda del haz incidente. Desde luego, la curva en líneas a trazos puede eventualmente cambiar para diferentes fotocátodos según el dopaje.
Se constata que para las longitudes de onda inferiores a 500 nanometros o superiores a 950 nanometros, el fotocátodo 11 es transparente al haz incidente puesto que su capacidad de respuesta es casi nula. Por el contrario, para las longitudes de ondas sensiblemente comprendidas entre 600 nanometros y 850 nanometros (o sea una parte del campo visible y el próximo al infrarrojo), la capacidad de respuesta del fotocátodo es óptima. Si se utiliza un fotocátodo en este campo de capacidad de respuesta óptima, con intensidades de iluminación que corresponden a las intensidades diurnas, el mismo corre el riesgo de ser destruido o seriamente dañado (destrucción térmica y desgaste prematuro).
Por consiguiente, si se dispone delante del fotocátodo 11 un elemento óptico 16 que filtra espectralmente el haz para bloquear las longitudes de onda para las cuales la capacidad de respuesta del fotocátodo es superior a un umbral dado, se protege el fotocátodo de los daños de una iluminación demasiado intensa.
El umbral preferido es inferior o igual a la mitad de la capacidad de respuesta máxima del fotocátodo. Este umbral corresponde típicamente a un valor de 100 mA/W para un fotocátodo AsGa estándar.
Para las longitudes de onda que no son filtradas, el fotocátodo 11 es transparente o semitransparente.
Si el elemento 16 que permite filtrar las longitudes de onda que pueden destruir el fotocátodo 11 permite además enfocar el haz transmitido sobre el captador 14, entonces es posible efectuar una observación del entorno de día.
Así, un dispositivo según la invención permite la utilización del captador 14 en visión de día sin reenfocado del objetivo 23 y sin riesgo de degradar el fotocátodo. Se recuerda que, preferentemente, el captador es del tipo CMOS y que el detector en su conjunto es del tipo EBCMOS.
Preferentemente, el elemento 16 constituye un filtro óptico apto para filtrar las longitudes de onda para las cuales la respuesta del fotocátodo es más bien nula y por lo menos inferior a un umbral de destrucción bajo iluminación diurna. En el caso de un fotocátodo AsGa, esto corresponde a un filtrado de las longitudes de onda inferiores a 900 nm y/o un filtrado de las longitudes de onda superiores a 530 nm.
El elemento 16 puede ser una lámina dicroica. Las longitudes de ondas transmitidas pueden estar o bien en la banda visible, o bien en la banda próxima a IR. Se observará que la visualización en próximos a IR de la vía de día ofrece ciertas ventajas entre las cuales el aumento del contraste del blanco sobre un fondo vegetal (albedo de la clorofila) y una mejor transmisión atmosférica.
Los medios de conmutación 17 comprenden por ejemplo un motor 17 que arrastra un árbol 20 unido al elemento 16.
El espesor 18 del elemento 16 es tal que el haz 24 es enfocado sobre el captador 14 después de su paso a través del objetivo 23 y el elemento 16.
Los medios 17 son desde luego aptos para escamotear el elemento 16 de manera que si se desea volver a una visión de noche a partir de una visión de día, se pasa de la posición de la figura 5B a la posición de la figura 5A.
Las figuras 6A y 6B representan esquemáticamente un segundo modo de realización posible de un dispositivo según la invención.
Según este modo de realización, para evitar un desequilibrado mecánico del dispositivo, los medios de conmutación son aptos para colocar una lámina 21 de equilibrado en la vertical del detector sobre el trayecto del haz incidente cuando el elemento óptico 16 está en posición escamoteada como es el caso en la figura 6A. Los elementos 21 y 16 están dispuestos simétricamente uno con respecto al otro con respecto al eje longitudinal del brazo 20 acoplado al motor de los medios de conmutación 17.
La figura 6B muestra que los medios de conmutación 17 son aptos para escamotear la lámina 21 cuando el elemento 16 está en la vertical del detector 2.
La lámina de equilibrado permite ventajosamente equilibrar mecánicamente un elemento que forma un bloque de soporte 22 del elemento 16 en el caso en que el elemento 16 es de espesor demasiado fino para una facilidad de manipulación y una rigidez mecánica suficientes. Desde luego, el elemento 16 y el soporte 22 pueden formar una sola pieza y ser monobloque. Forman entonces un solo elemento.
El bloque 22 es inútil si el elemento 16 es de espesor suficiente.
Preferentemente, la lámina de equilibrado es también apta para filtrar espectralmente el haz para bloquear ciertas longitudes de ondas. La lámina de equilibrado 21 permite desde luego siempre el enfocado del haz incidente sobre el fotocátodo 11 en asociación con el objetivo 23.
Ventajosamente, la lámina 21 presenta por lo menos dos zonas de filtrado de longitudes de ondas. Los medios de conmutación son aptos para colocar cada zona en la vertical del detector en función de la utilización deseada del dispositivo. La lámina 21 puede así ser un filtro paso alto y/o paso bajo.
Preferentemente, el bloque 22 y el elemento 16 pueden ser aptos para cerrar la abertura óptica de la pupila del detector. Constituyen por tanto un diafragma.
El bloque 22 y el elemento 16 pueden presentar por lo menos dos zonas de filtrado de longitud de ondas. Los medios de conmutación son aptos para colocar cada zona en la vertical del detector en función de la utilización deseada del dispositivo. Para colocar cada zona de filtrado frente al detector, es suficiente por ejemplo girar el árbol 20 en un ángulo diferente.
El cierre de la abertura y la colocación de los diferentes filtros en posición de día permiten obtener una buena profundidad de campo al dispositivo.
Por ejemplo también, en visión de día, el bloque 22 y el elemento 16 forman un filtro pasa banda, estando la banda por ejemplo centrada alrededor de 500 nm.
Se comprende que otros filtros ópticos que los descritos pueden ser colocados en la vertical del captador en función de las aplicaciones deseadas. En particular, unos filtros de espesor diferente permiten al dispositivo asegurar un enfoque de día (captador) o de noche (fotocátodo) para diferentes distancias objetos de puesta a punto.

Claims (11)

1. Dispositivo optrónico de observación que comprende un detector (2), comprendiendo el detector un fotocátodo (11) y un captador (14) dispuestos para recibir un haz (24) luminoso incidente, comprendiendo el dispositivo además unos medios de conmutación (17) aptos para colocar un elemento (16, 22) óptico en la vertical de dicho detector sobre el trayecto del haz incidente o para escamotear dicho elemento, comprendiendo el dispositivo unos medios aptos para enfocar un rayo incidente sobre el fotocátodo (11) cuando el elemento está en posición escamoteada, siendo el elemento (16, 22) apto, cuando está colocado en la vertical del detector, para enfocar el haz sobre el captador (14) y para filtrar espectralmente el haz para bloquear la totalidad o parte de las longitudes de onda para las cuales la capacidad de respuesta del fotocátodo (11) es superior a un umbral que corresponde a un umbral de no degradación térmica del fotocátodo que define una zona espectral para la cual el fotocátodo no interactúa ya o muy poco con los fotones incidentes y para la cual la capacidad de respuesta del captador es suficiente para proporcionar una señal de vídeo de buena calidad.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que el fotocátodo (11) está dispuesto corriente arriba del captador sobre el trayecto del haz y comprende arseniuro de galio (AsGa).
3. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que el fotocátodo (11) está dispuesto corriente arriba del captador sobre el trayecto del haz y comprende silicio y un depósito multiálcali.
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el captador (14) es del tipo semiconductor con óxido de metal complementario o con acoplamiento de cargas.
5. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios de conmutación son además aptos para colocar una lámina (21) de equilibrado en la vertical del detector sobre el trayecto del haz incidente cuando el elemento (16, 22) óptico está en posición escamoteada o para escamotear dicha lámina de equilibrado cuando el elemento está en la vertical del detector.
6. Dispositivo según la reivindicación 5, en el que la lámina (21) de equilibrado es apta para filtrar espectralmente el haz para bloquear ciertas longitudes de onda.
7. Dispositivo según la reivindicación 6, en el que el elemento (16, 22) es apto para cerrar la abertura óptica de la pupila del detector.
8. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento (16, 22) presenta por lo menos dos zonas de filtrado de longitud de ondas diferentes, siendo los medios de conmutación aptos para colocar cada zona en la vertical del detector en función de la utilización del dispositivo.
9. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende varias láminas de espesor diferente que permiten al dispositivo asegurar un enfoque de día sobre el captador o de noche sobre el fotocátodo para diferentes distancias objetos de puesta a punto.
10. Dispositivo según una de las reivindicaciones 4 a 9, en el que el detector es del tipo EBCMOS o EBCCD, siendo la cara de detección del captador CMOS o CCD la cara posterior.
11. Visor de visión de día y de noche adaptado en particular para ser colocado sobre un casco de soldado de infantería o un arma, caracterizado porque comprende un dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores.
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