ES2915052T3 - Procedimiento de realización de un sistema de captación de imágenes con bajo nivel de luz y sistema de captación de imágenes con bajo nivel de luz asociado - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento de realización de un sistema de captación de imágenes con bajo nivel de luz, dicho sistema de captación de imágenes comprende, al menos: un intensificador de luz (2) que comprende medios de ajuste de la ganancia de amplificación que tienen una ganancia de amplificación mínima (GMIN) y una pantalla fosforescente (20) y; un objetivo (1) dispuesto delante del intensificador de luz y; un sensor fotosensible (4) de dimensiones determinadas que comprende una matriz de píxeles elementales; dicha óptica de acoplamiento (3) está dispuesta entre dicha pantalla fosforescente y dicho sensor fotosensible, de modo que la imagen de la pantalla dada por dicha óptica de acoplamiento se forma en dicho sensor fotosensible, caracterizado porque el procedimiento de realización de dicha óptica de acoplamiento comprende al menos las siguientes etapa etapas: Etapa 1: Calculo de la magnificación de la óptica de acoplamiento, de manera que la magnificación de la óptica de acoplamiento sea igual a la longitud del sensor fotosensible dividida por el diámetro de la pantalla fosforescente; Etapa 2: Cálculo del número de apertura de la óptica de acoplamiento para que el diámetro del punto de difracción, imagen de un objeto puntual dada por la óptica de acoplamiento sobre dicha pantalla fosforescente sea del orden de las dimensiones de los píxeles elementales, dependiendo dicho número de apertura de la magnificación calculada en la etapa 1; Etapa 3: Cálculo de la ganancia de amplificación mínima (GMIN) del intensificador para que, para un mínimo dado de la luminancia (LS) de la imagen captada por el sistema de captación de imagen, el flujo luminoso recibido por cada píxel elemental sea igual al flujo mínimo dado por la sensibilidad de dicho sensor fotosensible, siendo esta ganancia igual a GMIN = (S/BN).1/(K.sen2a") S corresponde al número de electrones emitidos por cada píxel del sensor fotosensible, tenemos la relación **(Ver fórmula)** Siendo K un valor constante **(Ver fórmula)** BN corresponde al ruido registrado en a nivel del sensor fotosensible (4), a" corresponde al semiángulo de apertura en el espacio de la imagen de la óptica de acoplamiento (3), TOBJ corresponde a la transmisión óptica del objetivo (1) dispuesto antes del intensificador de luz (2); TOPC corresponde a la transmisión óptica de la óptica de acoplamiento (3), N corresponde al número de abertura del objetivo (1), G corresponde a la ganancia del tubo intensificador (2), es decir, la relación entre la luminancia del fósforo y la iluminancia del fotocátodo, ηN correspondiente al rendimiento cuántico del fotocátodo del tubo intensificador, s correspondientes a la superficie del píxel.
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento de realización de un sistema de captación de imágenes con bajo nivel de luz y sistema de captación de imágenes con bajo nivel de luz asociado
El campo de la invención es el de los sistemas de captación de imágenes digitales con bajo nivel de luz. Las imágenes resultantes tienen muchas aplicaciones relacionadas con la necesidad de ver de noche en varios campos técnicos o industriales relacionados con la seguridad y la protección.
Existen diferentes formas de capturar una imagen de baja o muy baja luminancia. Muchos equipos utilizan tubos intensificadores de luz. El principio de funcionamiento de un tubo intensificador es formar una imagen de bajo nivel de luz en la superficie de un fotocátodo. Este último emite electrones en proporción a los fotones recibidos. Estos electrones se amplifican mediante una oblea de microcanal y una alta tensión. A la salida de la amplificación, los electrones son recibidos por una pantalla fosforescente que da una imagen amplificada de la imagen inicial. Los tubos intensificadores actuales son muy eficaces. A modo de ejemplo, las resoluciones de las imágenes amplificadas en una superficie de salida de 18 mm de diámetro suelen alcanzar entre 64 y 72 pl/mm, en la que pl/mm significa pares de líneas por milímetro, lo que equivale a entre 2300 y 2500 puntos por línea. Su sensibilidad permite la captación de imágenes en tiempo real en una noche denominada de nivel 5, es decir, con una iluminación típica de la escena de entre 0,1 mlux y 0,7 mlux, que corresponde a una noche sin luna. Además, estos sistemas cuentan con un control automático de la ganancia, integrando una función de “autocalibración” que permite adaptar la amplificación del tubo intensificador cuando cambian las condiciones de iluminación, especialmente cuando hay fuentes intensas en el campo. Esto significa que es posible trabajar con niveles de iluminación de hasta 1000 lux. La principal desventaja de los tubos intensificadores es que la imagen amplificada sigue siendo analógica y, por tanto, no puede ser utilizada directamente por los sistemas de procesamiento, almacenamiento y transmisión de imágenes digitales.
Este sistema es conocido en la técnica anterior, documento US 2012/206823 A1.
Para resolver este problema, se han propuesto varias soluciones técnicas. La primera consiste en sustituir el tubo intensificador por un sensor fotosensible capaz de emitir una señal de vídeo. Hay dos tipos:
• Un estado sólido del tipo « SCMOS », acrónimo que significa « Scalable Complementary Metal-Oxide Semiconductor », « CMOS » acrónimo que significa « Complementary Metal-Oxide Semiconductor », « CCD », acrónimo que significa « Charge Coupled Device » o « EMCCD » acrónimo que significa « Electron Multiplying Complementary Metal-Oxide Semiconductor », o
• Amplificadores del tipo « EBCMOS » acrónimo que significa « Electron Bombarded Complementary Metal-Oxide Semiconductor », « EBCCD », acrónimo que significa « Electron Bombarded Charge Coupled Device » o además « MCPCMOS », acrónimo que significa « Micro Channel Plate Complementary Metal-Oxide Semiconductor ».
Ninguno de estos sensores tiene el rendimiento completo de un intensificador, es decir, sensibilidad a iluminaciones bajas por debajo de 0,3 mlux, alta resolución mayor o igual a 72 pl/mm, bajo consumo de energía que no exceda de 100 mW, altas dinámicas y uso en tiempo real.
La segunda solución técnica consiste en acoplar la pantalla fosforescente del tubo intensificador con un sensor digital clásico, que puede ser un sensor de tipo CCD. Esto combina las ventajas del tubo intensificador con las de un sensor de imágenes digitales. El acoplamiento óptico entre el tubo y su sensor asociado no es un problema sencillo. En efecto, este acoplamiento óptico no debe degradar la calidad de la imagen dada por el tubo intensificador y debe tener una transmisión suficiente para que la iluminación del sensor siga siendo compatible con su relación señal/ruido.
Este acoplamiento puede realizarse mediante el transporte de imágenes a través de un haz de fibras ópticas. Las patentes CA 2 157 755 titulada "Sistema de cámaras para la obtención de imágenes con poca luz" y GB 2 317 772 titulado "Control automático de la exposición y de la ganancia para un sensor utilizando la retroalimentación de vídeo" exponen dichas soluciones. Sin embargo, esta solución tiene varios inconvenientes difíciles de superar, que son:
• Inadaptación de la forma circular de las fibras para la pavimentación conjunta de la superficie de la pantalla fosforescente;
• Pérdidas geométricas de transmisión debidas al revestimiento de las fibras ópticas, siendo sólo los núcleos de las fibras ópticas los que proporcionan la conducción de la luz;
• Pérdidas de Fresnel en las interfaces de entrada y salida de las fibras ópticas ;
• Pérdidas de transmisión debidas a aperturas numéricas limitadas en las fibras ópticas ;
• Pérdida de resolución en el campo, especialmente en comparación con la resolución de un tubo de salida de vidrio;
• Fabricación y regulación complejas.
El acoplamiento también puede ser proporcionado por un transporte óptico refractivo o catadióptrico que no tiene las limitaciones estructurales mencionadas de los transportes por fibra óptica. En efecto, siempre es posible obtener la resolución deseada y optimizar la transmisión del sistema mediante tratamientos de reflexión en el caso del transporte catadióptrico o tratamientos antirreflectantes en el caso del transporte refractivo, adaptándose dichos tratamientos a las longitudes de onda de emisión de la pantalla fosforescente. Las Solicitudes de patentes y patentes de referencia FR 2858050 titulada "Luneta de tiro nocturna de doble ocular", US 2002/0030163 titulada "Sistema de fusión/combinación de intensificador de imágenes y LWIR", WO95/06388 titulado "Prolongación de la vida útil y protección contra la luz brillante para el sistema de cámaras de CCTV con intensificador de imagen", US 2005/0162526 titulada "Estructura y metodología del intensificador de luz/cámara de visión nocturna" y US 6 326 604 titulada “Sistema de intensificación óptica, que incluye un intensificador de imágenes para visualizar una fuente de entrada a través de una lente como imagen virtual o como imagen real", describen soluciones de este tipo.
Sin embargo, este transporte óptico debe respetar un cierto número de restricciones de calidad óptica, de tamaño y de coste que son necesariamente antinómicas. La realización de la óptica de acoplamiento es, por tanto, un compromiso entre estas diferentes limitaciones. Por lo tanto, es importante definir perfectamente las características de la óptica de acoplamiento para obtener el rendimiento adecuado. El procedimiento según la invención permite optimizar el acoplamiento óptico de manera que se obtenga una transmisión, una resolución y unos niveles de iluminación satisfactorios, es decir, sin degradar el rendimiento del tubo intensificador y garantizando la combinación óptica más sencilla posible. Esta optimización se consigue ajustando la ganancia del tubo intensificador para obtener una la apertura numérica de la óptica de acoplamiento lo más pequeña posible sin sacrificar su resolución. En efecto, si la apertura numérica cae por debajo de un determinado umbral, empieza a intervenir la difracción. Más concretamente, la invención se refiere a un procedimiento de producción de un sistema de captación de imágenes de bajo nivel según la reivindicación 1.
Ventajosamente, la óptica de acoplamiento es una óptica centrada puramente dióptrica.
Ventajosamente, la óptica de acoplamiento es del tipo telecéntrico.
Ventajosamente, la óptica de acoplamiento comprende, en este orden, a partir de la pantalla fosforescente y de su ventana de salida divergente, un grupo central que comprende al menos cuatro lentes, estando la pupila óptica de la óptica de acoplamiento dispuesta en las proximidades del centro de este grupo central, y finalmente una segunda lente divergente.
Ventajosamente, la magnificación de la óptica de acoplamiento es de aproximadamente 0,40 en valor absoluto, su apertura numérica es de aproximadamente F/3 y su requisito espacial es igual al diámetro de la pantalla fosforescente.
Ventajosamente, el sistema de captación de imágenes con bajo nivel de luz comprende medios de filtrado óptico que permiten capturar imágenes sucesivamente en dos o más bandas espectrales diferentes a una cadencia compatible con las frecuencias de adquisición de vídeo.
La invención también se refiere a un sistema de captación de imágenes según la reivindicación 6.
Ventajosamente, la magnificación de la óptica de acoplamiento es de aproximadamente 0,40 en valor absoluto, su apertura numérica es de aproximadamente F/3 y su requisito espacial es igual al diámetro de la pantalla fosforescente.
La invención se entenderá mejor y otras ventajas se pondrán de manifiesto a partir de la siguiente descripción no limitativa y de las figuras adjuntas, entre las que se encuentran las siguientes
La figura 1 representa el sinóptico general de un sistema de captación de imágenes de bajo nivel de luz según la invención;
La figura 2 representa un primer tipo de óptica de acoplamiento según la invención;
La figura 3 representa un segundo tipo de óptica de acoplamiento según la invención;
La figura 4 representa la imagen de la pantalla fosforescente del sensor fotosensible;
La figura 5 representa el diámetro del punto de difracción, la imagen de un objeto puntual dada por la óptica de acoplamiento sobre dicha pantalla fosforescente;
La figura 6 representa el sinóptico general de un sistema de captación de imágenes bispectral de bajo nivel de luz según la invención;
La figura 7 representa un ejemplo de un primer tipo de óptica de acoplamiento según la invención.
La figura 1 representa el sinóptico general de un sistema de captación de imágenes con bajo nivel de luz según la invención. En esta figura y en las siguientes, se han adoptado las siguientes convenciones. Los diferentes componentes del sistema de captación de imágenes se representan en trazos gruesos. Los rayos de luz centrales se representan como finas líneas continuas. Los rayos de luz del borde del campo se representan como finas líneas de puntos. Las conexiones eléctricas o digitales se representan con flechas. Todos los elementos de la cadena de
imágenes se seleccionan para proporcionar una respuesta en tiempo real. Por ejemplo, el tubo intensificador puede contener un fósforo tipo p46 donde la duración de permanencia es corta.
El sistema de captación de imágenes con bajo nivel de luz comprende:
• un objetivo de focalización 1 cuya función es formar una imagen de un paisaje exterior en el fotocátodo de un tubo intensificador 2 ;
• dicho tubo intensificador 2 que comprende dicho fotocátodo, medios de amplificación y una pantalla fosforescente 20 ;
• una óptica de acoplamiento 3 dispuesta entre dicha pantalla fosforescente 20 y un sensor fotosensible 4, de modo que la imagen de la pantalla 20 dada por esta óptica de acoplamiento se forme en la matriz de píxeles 40 de este sensor fotosensible 4;
• dicho sensor matricial 4 fotosensible a niveles bajos de luz y queda la imagen recibida por la matriz de pixeles40 una matriz digital. Suele ser del tipo CCD o CMOS;
• una o más unidades 5 para procesar dichas imágenes digitales que proporcionan imágenes procesadas; • una pantalla de visualización 7 que puede ser vista directamente por un usuario Y o, como se representa en la figura 1, a través de un ocular 70 ;
• las fuentes de alimentación eléctrica necesarias para el tubo intensificador 2, el sensor matricial 4, las unidades de procesamiento 5 y la pantalla 7 completan el sistema de captación de imágenes.
En el sistema de captación de imágenes según la invención, la óptica de acoplamiento 3 es del tipo dióptrico centrado, es decir, comprenden sólo lentes o láminas de vidrio y tienen un eje óptico central. Para garantizar la conjugación óptica entre el plano del fotocátodo y el plano de la matriz de píxeles, existen diferentes tipos de ópticas dióptricas. El primer tipo se representa en la figura 2. La óptica de acoplamiento 3 comprende grupos de lentes convergentes, señalados 31 y 32 en esta figura 2, dispuestos a ambos lados de una pupila central 30. En la figura 2, la pupila 30 limita los rayos centrales 33. Estos grupos 31 y 32 suelen incluir dobletes ópticos para corregir las aberraciones geométricas y el cromatismo. Las lentes de campo divergente que no se representan en la figura 2 en las proximidades de los dos planos conjugados pueden completar la combinación óptica. Una de las lentes puede formar parte del tubo como ventana de salida.
Esta solución óptica permite obtener tanto una excelente calidad de imagen como un requisito especial reducido. Una desventaja de la solución mostrada en la figura 2 es que los rayos de luz del borde de campo 34 están generalmente inclinados a lo largo del eje óptico. Sin embargo, si la superficie emisora del fotocátodo o la superficie receptora del sensor matricial no es lambertiana, la sensibilidad a la radiación luminosa del sensor matricial puede verse afectada en el campo. Además, la inclinación del rayo medio en el campo provoca disminuciones en el ángulo sólido proyectado y en la luminancia en el campo del sensor CCD o CMOS. Además, para superar este inconveniente, la óptica de acoplamiento puede ser de tipo telecéntrico, como se representa en la figura 3.
En este caso, la óptica de acoplamiento 3 comprende dos grupos principales convergentes de lentes señalados 31 y 32 y un diafragma de apertura 30. El plano del fotocátodo está dispuesto en el foco principal objeto del primer grupo 31, el plano de la matriz de píxeles está dispuesto en el foco de la imagen del segundo grupo 32. Los respectivos focos de imagen y objeto de los grupos 31 y 32 se fusionan en un punto que pasa por el centro de la pupila 30. Con esta configuración, como se representa en la figura 3, los principales rayos de luz 34 en el campo son aproximadamente paralelos al eje óptico. Así, independientemente de la repartición de los indicadores de emisión o recepción de luz, que se suponen invariables, la sensibilidad se mantiene en el campo de la óptica de acoplamiento. Esta solución tiene el inconveniente de ser más engorrosa que la anterior, a menos que se utilicen lentes de campo convergente.
En una variante de la invención, la óptica de acoplamiento comprende filtros que permiten retener sólo el pico de emisión central del fósforo cuando es muy pronunciado, como en el caso del fósforo P43.
Sea cual sea la combinación óptica retenida, la óptica de acoplamiento se caracteriza necesariamente por dos parámetros principales, a saber, su magnificación g y su apertura N. El procedimiento de fabricación de una óptica de acoplamiento según la invención permite optimizar estos dos parámetros manteniendo una sensibilidad satisfactoria.
Como puede apreciarse en la Figura 4, que representa la imagen 21 de la pantalla fosforescente 20 en la pantalla matricial 40, si y es el diámetro de la pantalla fosforescente, el tamaño y' de su imagen en la matriz de píxeles es g.y. Las pantallas matriciales de los sensores fotosensibles son rectangulares en anchura I y longitud L. Por lo tanto, no es posible ajustar perfectamente el tamaño de la imagen al de la pantalla para que la imagen de la pantalla fosforescente sea de dimensiones iguales o cercanas a las dimensiones del sensor fotosensible matricial. Un buen compromiso es elegir la magnificación de forma que y' sea igual a la longitud L. De esta forma, se pierde un mínimo de superficie. Por lo tanto, la magnificación g de la óptica de acoplamiento es
g = L/y Ecuación 1
Por supuesto, son posibles otras configuraciones. Por ejemplo, si y' es igual a I, la imagen de la pantalla fosforescente 20 se inscribe en el rectángulo IxL. Por lo general, las matrices de sensores son más pequeños que los tubos intensificadores. Por lo tanto, la magnificación g es inferior a 1 en valor absoluto. En el caso de una óptica dióptrica simple, sin foco intermedio, las imágenes se invierten y la magnificación g es, por tanto, negativo.
La apertura de una óptica es una de sus características esenciales. Corresponde al semiángulo a' en el espacio del objeto de la óptica de acoplamiento y al semiángulo a" en el espacio de la imagen de la óptica de acoplamiento en las figuras 2 y 3. Se trata de un parámetro esencial, ya que cuanto menor sea la apertura, más fácil será la realización de la óptica y menos lentes podrá comprendes. Estos dos semi ángulos están relacionados con la magnificación g por la relación clásica
g.sen a” = sen a' g=y'/y
Por supuesto, la resolución de cualquier óptica, por perfecta que sea, está limitada por la difracción. Llamando 89 al diámetro del punto de difracción en la superficie del sensor de la matriz y A a la longitud de onda media de la radiación emitida por la pantalla fosforescente, tenemos la siguiente relación clásica
89 = 1,22 A/sen a”
Para una longitud de onda media de 0,55 pm, la fórmula se simplifica en
89 = 0,67 A/sen a”
La figura 5 representa la evolución del diámetro de este punto en función del ángulo de apertura a". Para elegir la apertura correcta, el mejor compromiso es elegir una apertura que dé un punto de difracción cuyas dimensiones sean menores o del mismo orden de magnitud que las del píxel del sensor fotosensible, que también es de unos pocos micrómetros. Esta dimensión Dp corresponde a la línea horizontal de puntos de la figura 5.
Tenemos entonces la relación:
89=Dp=1,22.A/sen a " siendo además
sen a” = 1,22 A/Dp Ecuación 2
La ecuación 2 define el ángulo de apertura mínimo a" imponiendo un requisito espacial huella, se define la linea focal de la óptica de acoplamiento.
Una vez definidos la magnificación, la línea focal y la apertura de la óptica de acoplamiento, sigue siendo necesario garantizar que, para una escena de luminancia determinada Ls, la sensibilidad de todo el sistema de captación de imágenes sea suficiente para que esta luminancia se perciba correctamente, es decir, que la relación señal/ruido de la cadena de sensibilidad sea suficiente.
Llamando S al número de electrones emitidos por cada píxel del sensor fotosensible, tenemos la relación
con las siguientes anotaciones:
Tobj corresponde a la transmisión óptica del objetivo 1 dispuesto delante del intensificador 2;
N corresponde al número de aberturas del objetivo 1 dispuesto delante del intensificador 2 ;
G corresponde a la ganancia del tubo intensificador, es decir, la relación entre la luminancia del fósforo y la iluminancia del fotocátodo;
r|N corresponde al rendimiento cuántico del fotocátodo del tubo intensificador; y
Topc corresponde a la transmisión óptica de la óptica de acoplamiento;
s corresponde a la superficie del píxel
Ls corresponde a la luminancia de la escena observada.
Existen diferentes formas de expresar la ganancia G del tubo intensificador. En general, la ganancia se expresa en unidades de luminancia emitida por la pantalla fosforescente en relación con un nivel de iluminación recibido por el fotocátodo. En unidades inglesas, la ganancia se expresa entonces en FootLambert/Footcandle o FI/Fc. La conversión a unidades métricas puede hacerse fácilmente. Para niveles de luz muy bajos, la ganancia varía entre 20.000 FI/Fc y 70.000 FI/Fc. Existen otras unidades.
Si S corresponde a la señal y si Bn es el ruido reportado a nivel del sensor, entonces S/Bn es la relación señal/ruido. Existen varias formas de expresar esta relación. Estas definiciones son conocidas por el experto en la memoria. Bn engloba el ruido de lectura del sensor y, a niveles de flujo muy bajos, el ruido estadístico.
La relación que define la ganancia mínima Gmin de intensificación, de forma que la señal sea del mismo orden de magnitud que el ruido es
K es una constante que es
Así, para una apertura a" dada, hay una ganancia de amplificación que permita obtener los rendimientos fotométricos deseados. Ajustando la magnificación, la apertura de la óptica de acoplamiento y la ganancia del intensificador según las ecuaciones 1, 2 y 3, se consigue el mejor compromiso posible entre el rendimiento del sistema y la facilidad de realización de la óptica de acoplamiento.
En todo lo anterior, el sistema de captación de imágenes con bajo nivel de luz es monocromo. La imagen dada por el tubo intensificador es sensible a la luminancia global del paisaje exterior, indistintamente de su composición espectral. Es posible realizar un sistema de captación de imágenes multiespectrales con bajo nivel de luz. La figura 6 representa un sistema de este tipo. Para que el sistema sea multiespectral, se añade un carrusel 8 delante del objetivo de focalización 1 que lleva varios filtros espectrales 81 y 82 centrados en diferentes longitudes de onda del espectro de sensibilidad del tubo intensificador. En el caso particular de la figura 6, el carrusel incluye dos filtros y el sistema es biespectral. El carrusel funciona a una velocidad compatible con las frecuencias de vídeo. Así, el sistema proporciona alternativamente una primera imagen intensificada en la primera banda espectral cubierta por el primer filtro y una segunda imagen intensificada en la segunda banda espectral cubierta por el segundo filtro. Una vez procesadas en falso color, las imágenes pueden visualizarse en un monitor clásico en color o bicromo. Por supuesto, la transmisión Tobj de la óptica dispuesta frente al intensificador se ve afectada en consecuencia y, por otra parte, el tiempo de integración para cada banda espectral se divide por lo menos por dos, lo que significa que el sistema debe ser dos veces más rápido. En este caso, la ganancia mínima de amplificación debe aumentarse en consecuencia para tener en cuenta el impacto fotométrico de los filtros espectrales.
Como ejemplo no limitante, un sistema de captación de imágenes con bajo nivel de luz según la invención puede tener las siguientes características:
Intensificador
• Pantalla fosforescente con fósforo tipo "P43" que presenta un pico con respuesta máxima a una longitud de onda de 550 nm
• Diámetro de la pantalla: 18 mm
• Resolución: 64 pl/mm
• Iluminación equivalente al ruido de obscuridad: 2,510-11 lm/cm2
• Ganancia de amplificación superior a 100.000 lumen/lumen
Objetivo IL
• Apertura F/1.2
• Transmisión 0,9
Sensor matricial
• Tipo : CCD o CMOS
• Longitud de la pantalla: 7 mm - altura: 5,2 mm
• Resolución: 1920x1440 píxeles
• Tamaño del píxel: 3.63 pm
• Ruido de lectura RMS: 3e
• Cadencia de lectura: Monoespectral : 50 fotogramas/s - bispectral : 100 fotogramas/s
• Rendimiento cuántico a A = 0,55 pm: 0,55
Óptica de acoplamiento
• Tipo: dióptrico
• Magnificación: 0,387
• Apertura digital: F/3
• Requisito espacial entre la superficie de la pantalla fosforescente y la superficie del sensor fotosensible : 21 mm
• Combinación óptica : 8 lentes
Con un dispositivo de este tipo, se muestra que la relación señal/ruido sigue siendo superior a 5 en funcionamiento bicromo para una luminancia de escena de 1 mlux.
Para el intensificados también es posible elegir un fósforo con un tiempo de respuesta muy corto, como el fósforo tipo P46. El sistema es entonces compatible con las altas frecuencias de vídeo.
Una vez definidos los principales parámetros de la óptica de acoplamiento, es necesario calcular su combinación óptica.
La distorsión de la óptica de acoplamiento puede elegirse para aumentar la magnificación en el centro del campo, optimizando así la resolución en el centro del campo y manteniendo la cobertura del formato descrita anteriormente. La óptica de acoplamiento puede definirse específicamente en función de las características de los componentes ópticos del sistema de captación de imágenes de bajo nivel de luz, que son una parte del objetivo de focalización delante del intensificador y el ocular después del sistema de captación de imágenes. En este caso, la distorsión de la óptica de acoplamiento puede optimizarse en función de las distorsiones del ocular y del objetivo de focalización con el fin de aumentar la resolución en el centro del campo del sistema y o de homogeneizar la sensibilidad en toda la superficie del detector. La ventana de entrada del tubo se puede adelgazar para reducir el requisito espacial.
La solución también puede consistir en un sensor digital de bajo nivel de luz con interfaces optoelectrónicas definidas para facilitar la interconexión con cualquier tipo de objetivo y ocular típicamente utilizado para aplicaciones de visión nocturna. En este caso, si hay distorsión en la óptica de acoplamiento, comprende la distorsión, ésta se compensa electrónicamente para que el sensor no introduzca distorsión.
Como ejemplo, la figura 7 muestra una vista de una combinación óptica no telecéntrica y prácticamente libre de distorsiones. Comprende, en este orden, a partir de la pantalla fosforescente 20, en primer lugar una primera lente divergente 300 que corresponde a la ventana de salida del tubo, luego un primer doblete compuesto por las lentes 301 y 302, luego un segundo doblete compuesto por las lentes 303 y 304, luego dos lentes convergentes 305 y 306 y finalmente una segunda lente divergente 307. La pupila óptica 30 de la óptica de acoplamiento está situada en las proximidades del centro del segundo doblete. La escala indicada "5 mm" de la figura 7 permite controlar las dimensiones y los radios de curvatura de las distintas lentes.
Para optimizar la combinación óptica, es decir, para utilizar un mínimo de dioptrías reduciendo significativamente las aberraciones geométricas y cromáticas, pueden utilizarse combinaciones de vidrios de bajo índice y de alto índice. Se pueden utilizar dioptrías asféricas. También se pueden utilizar superficies difractivas. Esta solución es especialmente ventajosa si la pantalla fosforescente emite en un espectro estrecho, lo que limita los problemas de rendimiento de difracción asociados a los componentes difractivos.
Para optimizar la transmisión óptica, las diferentes dioptrías de la óptica de acoplamiento tienen un tratamiento antirreflejante específicamente adaptado al espectro de emisión de la pantalla fosforescente.
Claims (8)
1. Un procedimiento de realización de un sistema de captación de imágenes con bajo nivel de luz, dicho sistema de captación de imágenes comprende, al menos:
un intensificador de luz (2) que comprende medios de ajuste de la ganancia de amplificación que tienen una ganancia de amplificación mínima (Gmin) y una pantalla fosforescente (20) y;
un objetivo (1) dispuesto delante del intensificador de luz y;
un sensor fotosensible (4) de dimensiones determinadas que comprende una matriz de píxeles elementales;
dicha óptica de acoplamiento (3) está dispuesta entre dicha pantalla fosforescente y dicho sensor fotosensible, de modo que la imagen de la pantalla dada por dicha óptica de acoplamiento se forma en dicho sensor fotosensible,
caracterizado porque el procedimiento de realización de dicha óptica de acoplamiento comprende al menos las siguientes etapa etapas:
Etapa 1: Calculo de la magnificación de la óptica de acoplamiento, de manera que la magnificación de la óptica de acoplamiento sea igual a la longitud del sensor fotosensible dividida por el diámetro de la pantalla fosforescente;
Etapa 2: Cálculo del número de apertura de la óptica de acoplamiento para que el diámetro del punto de difracción, imagen de un objeto puntual dada por la óptica de acoplamiento sobre dicha pantalla fosforescente sea del orden de las dimensiones de los píxeles elementales, dependiendo dicho número de apertura de la magnificación calculada en la etapa 1;
Etapa 3: Cálculo de la ganancia de amplificación mínima (Gmin) del intensificador para que, para un mínimo dado de la luminancia (Ls) de la imagen captada por el sistema de captación de imagen, el flujo luminoso recibido por cada píxel elemental sea igual al flujo mínimo dado por la sensibilidad de dicho sensor fotosensible, siendo esta ganancia igual a Gmin = (S/BN).1/(K.sen2a")
S corresponde al número de electrones emitidos por cada píxel del sensor fotosensible, tenemos la relación
Siendo K un valor constante
Bn corresponde al ruido registrado en a nivel del sensor fotosensible (4),
a" corresponde al semiángulo de apertura en el espacio de la imagen de la óptica de acoplamiento (3), Tobj corresponde a la transmisión óptica del objetivo (1) dispuesto antes del intensificador de luz (2);
Topc corresponde a la transmisión óptica de la óptica de acoplamiento (3),
N corresponde al número de abertura del objetivo (1),
G corresponde a la ganancia del tubo intensificador (2), es decir, la relación entre la luminancia del fósforo y la iluminancia del fotocátodo,
r|N correspondiente al rendimiento cuántico del fotocátodo del tubo intensificador,
s correspondientes a la superficie del píxel.
2. Procedimiento de realización de un sistema de captación de imágenes según la reivindicación 1, caracterizado porque la óptica de acoplamiento (31, 32) es una óptica centrada puramente dióptrica.
3. Procedimiento de realización de un sistema de captación de imágenes según la reivindicación 2, caracterizado porque la óptica de acoplamiento (31, 32) es del tipo telecéntrico.
4. Procedimiento de realización de un sistema de captación de imágenes según la reivindicación 2, caracterizado porque la óptica de acoplamiento comprende, en este orden, empezando por la pantalla fosforescente, en primer lugar una primera lente divergente (300), luego un grupo central que comprende al menos cuatro lentes (301, 302, 303, 304, 305, 306), estando la pupila óptica (30) de la óptica de acoplamiento dispuesta en las proximidades del centro de este grupo central, y finalmente una segunda lente divergente (307).
5. Procedimiento de realización de un sistema de captación de imágenes según la reivindicación 4, caracterizado porque la magnificación de la óptica de acoplamiento es de aproximadamente 0,40 en valor absoluto, su apertura numérica es de aproximadamente F/3 y su requisito espacial es igual al diámetro de la pantalla fosforescente.
6. Un sistema de captación de imágenes que comprende, al menos:
un objetivo de focalización (1) ;
un intensificador de luz (2) que comprende un fotocátodo, un dispositivo electrónico de amplificación, medios para ajustar la ganancia de amplificación de dicho dispositivo que tiene una ganancia de amplificación mínima (GMIN) y una pantalla fosforescente;
el objetivo de focalización (1) está dispuesto delante del intensificador de luz;
un sensor fotosensible (4) de dimensiones determinadas que comprende una matriz de píxeles elementales; y
una óptica de acoplamiento (3) dispuesta entre dicha pantalla fosforescente y dicho sensor fotosensible para que la imagen de la pantalla dada por dicha óptica de acoplamiento se forme en dicho sensor fotosensible,
caracterizado porque el sistema de captación de imágenes se realiza según un procedimiento que comprende las siguientes etapas:
Etapa 1: Calculo de la magnificación de la óptica de acoplamiento, de manera que la magnificación de la óptica de acoplamiento sea igual a la longitud del sensor fotosensible dividida por el diámetro de la pantalla fosforescente;
Etapa 2: Cálculo del número de apertura de la óptica de acoplamiento para que el diámetro del punto de difracción, imagen de un objeto puntual dada por la óptica de acoplamiento sobre dicha pantalla fosforescente, sea del orden de las dimensiones de los píxeles elementales, dependiendo dicho número de apertura del aumento calculado en la etapa 1;
Etapa 3: Cálculo de la ganancia mínima de amplificación del intensificador para que, para un mínimo dado de luminancia de la imagen captada por el sistema de captación de imagen, el flujo luminoso recibido por cada píxel elemental sea igual al flujo mínimo dado por la sensibilidad de dicho sensor fotosensible, siendo esta ganancia igual a Gmin = (S/BN).1/(K.sen2a")
S corresponde al número de electrones emitidos por cada píxel del sensor fotosensible, tenemos la relación
siendo K un valor constante
Bn corresponde al ruido registrado ella nivel del sensor fotosensible (4),
a" corresponde al semiángulo de apertura en el espacio de la imagen de la óptica de acoplamiento (3), Tobj correspondiente a la transmisión óptica del objetivo de focalización (1) dispuesto delante del intensificador de luz (2);
Topc corresponde a la transmisión óptica de la óptica de acoplamiento (3),
N corresponde al número de abertura del objetivo (1),
G corresponde a la ganancia del tubo intensificador (2), es decir, la relación entre la luminancia del fósforo y la iluminancia del fotocátodo,
r|N correspondiente al rendimiento cuántico del fotocátodo del tubo intensificador,
s corresponde a la superficie del píxel.
7. El sistema de captación de imágenes según la reivindicación 6, caracterizado porque el aumento de la óptica de acoplamiento es de aproximadamente 0,40, su apertura numérica es de aproximadamente F/3 y su requisito espacial es próximo al diámetro de la pantalla fosforescente.
8. Sistema de captación de imágenes según una de las reivindicaciones 6 o 7, caracterizado porque el sistema de captación de imágenes con bajo nivel de luz comprende medios de filtrado óptico (8, 81, 82) que permiten capturar sucesivamente imágenes en al menos dos bandas espectrales diferentes a una cadencia compatible con las frecuencias de adquisición de vídeo.
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