NO337098B1 - Linsearrangement - Google Patents

Description

Linsearran<g>ement

Teknikkens område

Den foreliggende oppfinnelse omhandler infrarøde linser med lav vekt og lave kostnader, spesielt for bruk i kameraer montert på rekognoseringskamerasystemer.

Oppfinnelsens bakgrunn

Moderne krigføring og rettshåndhevelse er preget av et økende behov for oppdatert situasjonsforståelse. Å spore opp, eller å beskytte mot, kriminelle, paramilitære styrker eller terrorister, gir ofte politi og soldater et umiddelbart behov for informasjon om hva som er rundt neste sving eller over bakketoppen.

Fiendtlige styrker gjemmer seg ut av syne eller utnytter det lokale terrenget for å oppnå en taktisk fordel eller flykte fra forfølgerne. I nærvær av fiendtlige styrker, kan en enkel murvegg, piggtrådgjerde, en masse av vann, bygninger eller til og med et stort åpent område være en uoverkommelig hindring når tiden er knapp og taktiske ressurser er utilgjengelig. En aktiv eller uoppdaget trussel kan gjøre situasjonen farlig.

Synlige indikasjoner, lyder eller forutsigbare handlinger kan avsløre vennlige styrker og sette dem i fare. Sniking og overraskelse, er derimot viktige elementer som kan gi en taktisk fordel. Rekognoseringskamerasystemer for eksempel montert i ubemannede luftfartøyer (Unmanned Aerial Vehicles - UAV) som overfører levende bilder tilbake, gjør det mulig for operatøren å utføre overvåkingsoppgaver og samle informasjon fra en trygg posisjon uten å kompromittere seg selv. Kameraene er vanligvis konfigurert til å oppfatte synlig lys og infrarødt lys for å kunne ta bilder både på dag- og nattestid.

Den sistnevnte refererer til bruken av et termografisk kamera eller et infrarødt kamera, som er en enhet som danner et bilde ved hjelp av infrarød stråling, i likhet med et vanlig kamera som danner et bilde ved hjelp av synlig lys. I stedet for området mellom 450-750 nanometer for et kamera for synlig lys, opererer infrarøde kameraer i bølgelengder så lange som 14 000 nm (14 um).

I løpet av det siste tiåret, har rekognoseringskamerasystemer blitt stadig utviklet for å møte behovet for økt ytelse og mindre størrelse. Tradisjonelt ble

rekognoseringskamerasystemer fløyet på bemannede fly og derfor var kravene til størrelse, vekt og strømforbruk ikke strenge. I dag er derimot disse parameterne svært viktig siden kameraene blir integrert på mindre luftfartøyplatformer, og spesielt UAVer. Nye kamerasystemer må derfor være mindre, mer kompakte, ha lettere vekt, bruke mindre strøm, og likevel oppfylle krav til oppløsning og synsfelt.

Vektkravene til de nyeste utviklede UAVene er nå nede i 12-15g, noe som resulterer i et vektkrav for kameralinsen til ned under lg, og dette vil trolig senkes enda mer i fremtiden. Pa samme tid, tillater ikke den lille størrelse av en UAV lange avstander mellom elementene omfattet i kameraet. UAVer opererer også vanligvis i områder med sterkt varierende temperaturer.

Derfor er det et behov for et infrarødt linsesystem med lav vekt og små avstander mellom elementene, med karakteristikker som ikke varierer så mye med temperaturen, og som fremdeles gir høy ytelse.

Omtale av kient teknikk

JP 2003295052 viser et eksempel på et linsearrangement for infrarødt lys med fokuspunkter for infrarødt lys på eller nær en lyssensor simg, og der en første infrarødlinse er forsynt med minst en buet side og som er gjennomsiktig for infrarødt lys. En åpning er dannet av en andre infrarød linse er plassert for å eksponere infrarødt lys med viss innfallsvinkel i forhold til åpningen definert av den andre infrarødlinsen på en tilsvarende del av den første infrarødlinsen. Åpningen definert ved og lyssensoren simg er i JP 2003295052 plassert på hver siden av den første infrarødlinsen i en første og andre avstand, henholdsvis. Den minst ene buede siden på den første infrarødlinsen vender mot lyssensoren.

JP 2006197015 viser et eksempel på et linsearrangement med fokuspunkter for infrarødt lys på eller nær en lyssensor, og der en første infrarødlinse er forsynt med minst en buet side og laget av et materiale med en brytningsindeks på mer enn 2.2 som er gjennomsiktig for infrarødt lys. En åpning er dannet av en andre infrarødlinse er plassert for å eksponere infrarødt lys med en viss innfallsvinkel i forhold til åpningen på en tilsvarende del av den første infrarødlinsen. Åpningen og lyssensoren er i JP 2006197015 plassert på hver siden av den første infrarødlinsen i en første og andre avstand, henholdsvis. Den minst ene buede siden på den første infrarødlinsen vender mot lyssensoren.

US 2013/0076900 viser et linsesystem for infrarødt lys til bruk til overvåkningsformål fra luften ved hjelp av et kamera.

US 2009/0052018 viser et kompakt objektiv for infrarødt lys med to elementer og et infrarødt eller termisk sikte for våpen som har optikk for å se i.

Oppsummering av oppfinnelsen

Et linsearrangement som tilveiebringer brennpunkter (focus points) av infrarødt (IR) lys på eller i nærheten av en lyssensor er gitt. Arrangementet omfatter en IR linse som omfatter et IR-transparent materiale med en brytningsindeks større enn 2,2. IR linsen er tilgjengeliggjort med i det minste en buet side. Arrangementet omfatter en blenderåpning utformet for å eksponere IR lys av en viss innfallsvinkel i forhold til blenderåpningen på en respektiv del av IR linsen. Blenderåpningen og lyssensoren er respektivt arrangert på hver side av IR linsen ved en respektivt første og andre avstand. Den i det minste ene buede siden av IR linsen er vendt mot lyssensoren. En av fordelene med dette arrangementet, sammenlignet med kjent teknikk, er den betydelige reduksjonen i vekt og produksjonskostnader, men samtidig gjør den det mulig å justere for eventuell bildekvalitetsdegradering ved hjelp av etterprosessering av bildedata.

I en utførelsesform er linsen tilveiebrakt med en første buet side med en første kurveradius, og en andre buet side med en andre kurveradius. Den buede side med den minste kurveradiusen er vendt mot lyssensoren.

I en utførelsesform er en eller begge linseflatene sfæriske.

I en utførelsesform er blenderåpningen en åpning i et linsedeksel.

I en utførelsesform er blenderåpningen en asfærisk linse.

I en utførelsesform er den asfærisk linsen laget av polymer.

I en utførelsesform er brytningsindeksen større enn 3.

I en utførelsesform er brennvidden til IR linsen kortere enn 20 mm.

I en utførelsesform er den første avstanden mellom 25% og 100% av brennvidden av IR linsen.

I en utførelsesform er den første avstanden mellom 45% og 50% av brennvidden av IR linsen.

I en utførelsesform er IR linsen utformet som en positiv menisklinse.

I en utførelsesform er det IR transparente materialet silisium.

I en utførelsesform er det IR transparent materialet germanium.

I en utførelsesform er tykkelsen av IR linsen lik eller mindre enn 1 mm.

I en utførelsesform er tykkelsen av IR linsen 0,6 mm.

I en utførelsesform er diameteren av IR linsen lik eller mindre enn 11,5 mm.

I en utførelsesform er diameteren av IR linsen lik eller større enn 9 mm.

I en utførelsesform erf-tallet (f/#) av linsesystemet i intervallet [1, 2.4].

I en utførelsesform er blenderåpningen en justerbar åpning i et linsedeksel.

I en utførelsesform er den totale vekten av det infrarøde kameraet mindre enn 5 gram.

Kort beskrivelse av tegningene

Den følgende detaljerte beskrivelsen av utførelsesformer er ledsaget av tegninger for å gjøre det lettere forståelig. I tegningene: Figur 1 er en illustrasjon av hvordan IR lysstråler 4 med forskjellig innfallsvinkel beveger seg gjennom et linse arrangement, Figur 2 er et nærmere bilde av en av lysstrålene 4 og de forskjellige elementene av linsearrangementet, Figur 3 er et diagram som illustrerer transmisjon av silisium i IR området i tillegg til Fresnel-refleksjon og materialabsorpsjonen, Figur 4 viser en eksempelutforming av den sfæriske linsen i henhold til en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse, Figur 5 viser to visninger av en alternativ eksempelutforming av den sfæriske linsen i henhold til en annen utførelsesform hvor to respektive IR lysstråler 4 med forskjellig innfallsvinkel beveger seg gjennom linsen, Figur 6 er en illustrasjon av hvordan lyset treffer lyssensoren når man bruker en tradisjonell blenderåpning, Figur 7 er en illustrasjon av hvordan lyset treffer lyssensoren når du bruker en asfærisk linse som blenderåpning.

Detaljert beskrivelse av en eksempelutførelsesform

I det følgende er eksempelutførelser beskrevet med henvisning til de vedlagte tegninger.

I utførelsesformer heri, er et linsearrangement som omhandler en linse, en blenderåpning 1 og en lyssensor 3 gitt. Linsearrangementet er tilpasset til å tilveiebringe brennpunkter 5 av infrarød (IR) lys på lyssensoren 3, og spesielt tilpasset til å tillate lav pris og materialer med lav vekt, uten at det går vesentlig utover kvaliteten på for eksempel bilder bestående av piksler tatt av lyssensoren 3 på de respektive brennpunktene 5.

Figur 1 er en illustrasjon av tre IR-lysstråler 4 av tre respektive innfallsvinkler relativt til en blenderåpning 1 som respektivt representerer en øvre, midtre og nedre scene som skal «fanges», som beveger seg gjennom blenderåpningen 1 og en IR linse 2 treffer en lyssensor 3 på de respektive brennpunktene 5. Denne viser hvordan blenderåpningen 1 blokkerer uønsket lys, slik at de respektive lysstrålene 4 bare passerer gjennom en del av linsen og blir fokusert riktig på lyssensoren 3.

Figur 2 er et nærmere bilde av en av lysstrålene 4, som viser de forskjellige elementene i linsearrangementet i henhold til en utførelsesform i nærmere detaljer. I denne figuren, får blenderåpningen 1 lysstrålen 4 til å bevege seg gjennom bare litt mer enn halvparten av den infrarøde linsen, og lyssensoren 3 er plassert med en avstand tilpasset i henhold til brennvidden av IR linsen 2, slik at brennpunktet 5 treffer lyssensoren 3.

IR linsen 2 er i noen utførelsesformer en sfærisk linse, men også andre linseutførelser er mulig.

Blenderåpningen 1 av lensearrangementet er i noen utførelsesformer bare en åpning i et linsedeksel, posisjonert på linje med IR linsen. Blenderåpningsarealet bør tilpasses slik at lysstrålen 4 som går inn i blenderåpningen 1 bare beveger seg gjennom en ønsket del av IR linsen. Blenderåpningen 1 kan i andre utførelsesformer være dannet av en asfærisk linse, som er en linse hvis overflateprofiler ikke er en del av en kule eller en sylinder. I tillegg til å blokkere uønsket lys og kontrollere størrelsen av IR linsearealet gjennom hvilket lysstrålen 4 reiser, tilveiebringer den asfæriske linsen også optisk korreksjon av lysstrålen 4. En asfærisk linse har en mer kompleks overflateprofil, som kan redusere eller eliminere sfæriske forstyrrelser og også redusere andre optiske avvik sammenlignet med en enkel linse. En enkelt asfærisk linse kan også erstatte et mye mer komplekst system med flere linser. Den resulterende enheten er mindre og lettere, samt billigere enn en utførelse med flere linser.

IR linsen 2 bør fortrinnsvis være en relativt tynn linse, som dannes av et IR transparent materiale med en relativt lav vekttetthet. IR linsen 2 og avstandene til blenderåpningen 1 og lyssensoren 3 i utførelsesformene omtalt her, må nødvendigvis være meget liten. For eksempel i UAV kameraapplikasjoner bør brennvidden vanligvis være mindre enn 20 mm for å begrense størrelsen på kameraenheten. For å tilveiebringe dette, bør materialet som linsen er tilveiebragt av derfor være i stand til å bryte lyset vesentlig for å være i stand til å posisjonere brennpunktene 5 på riktig måte på lyssensoren 3. Oppfinnerne har innsett at, fra disse kravene, bør brytningsindeksen være større enn 2,2, og fortrinnsvis til og med større enn 3,0. I tillegg, på grunn av de samme kravene, skal det IR transparent materialet ha en relativt lav spredning. Et IR transparent materiale som oppfyller disse kravene er silisium. Silisium har normalt en brytningsindeks på 3,42. Dispersjonen innenfor IR-bølgelengdene 8-12um er også relativt lav, som det kan ses fra tabell 1.

Ref; D. E. Aspnes March 1998,Ontical functions of mtrinsic c- Si for selected photon energies

En kjent ulempe ved bruk av silisium som et linsemateriale, er at en vesentlig lysabsorpsjon skjer ved bølgelengder på 9 um og høyere. Derfor har silisium tradisjonelt ikke vært brukt i IR applikasjoner. Imidlertid, på grunn av den nødvendige tykkelse av linsen, beveger lyset seg en meget kort avstand gjennom materialet, og absorpsjonen vil derfor være relativt liten.

Dette er antydningsvis begrunnet i figur 3. Figuren inkluderer Fresnel-refleksjon og materialabsorpsjon. Det antas at overføringen på 9 mikron i 5 mm tykk FZ silisium er 30%. Med henvisning til figur 2, hvis Fresnel-refleksjon resulterer i 45% refleksjon, så er transmisjonen gjennom materialet omtrent 55%. Ved å redusere tykkelsen til 1 mm, tilveiebringer dette 89% transmittans, som anses for å være akseptabelt for en linse i henhold til utførelsesformene heri.

I en annen utførelsesform, anvendes Germanium som det transparente IR linsematerialet. Germanium haren brytningsindeks i det IR bølgelengdeintervallet på omtrent 4, som er forholdsvis konstant for de forskjellige IR bølgelengdene, noe som impliserer en lav spredning. Germanium har mye høyere tetthet enn silisium, så det må tas hensyn til om den økte vekten er akseptabelt. Germanium har en akseptabel absorpsjon av lys som beveger seg gjennom den nødvendige tykkelse av IR linsen 2 i henhold til utførelsesformene heri.

Tabell 2 viser en sammenligning av refleksjonsindeks, termo-optiske koeffisienter, tetthet og varmeutvidelse mellom silisium og germanium i tillegg til referansemateriale ZnSe, ZnS, AMTIR-1 og Gasir.

Tabell 2 - Optisk karakteristikk

Som det kan ses, gir silisium en unik kombinasjon av høy brytningsindeks og lav tetthet som gjør det mulig å produsere tynne (lite volum) og lette linser. I tillegg har silisium en lav termisk ekspansjonskoeffisient. Den termiske koeffisienten for brytningsindeksen (mengden av brytningsindeks endrer seg med temperaturen, også kjent som termo-optisk koeffisient) er også 2,5 ganger lavere enn for germanium, og 2,5 ganger høyere enn for GASIR. Dermed er silisium i store trekk godt egnet for applikasjonene omtalt her. Til opplysning, GASIR blir tradisjonelt brukt til å lage ikke-termiske IR-linsesystemer på grunn av sin stabile temperaturoppførsel.

Figur 4 viser et eksempel på en utforming av en sfærisk IR-linse. Som det kan ses, er linsen en menisklinse (konveks-konkav), det vil si at den har en konveks og en konkav optisk overflate. Spesifikt, er det en positiv menisk linse, betyr det at den har en brattere konveks overflate og vil være tykkere på midten enn ved periferien. En ideell tynn linse med to flater med lik krumning ville ha null optisk effekt, noe som betyr at det vil verken konvergerer eller divergerer lys. Alle reelle linser har, derimot, en ikke-null tykkelse, noe som fører til at en reell linse med identiske buede overflater vil være litt positiv. For å få nøyaktig null optisk effekt, bør en menisklinse ha litt ulike kurver, for å ta hensyn til effekten av linsens tykkelse. Det kan sees at den konvekse flaten av linsen i figur 4 har en noe mindre krumningsradius enn den konkave overflaten. Den konvekse flaten skal vende mot lyssensoren 3.

Som allerede antydet, i utførelsesformene heri, bør linsen være relativt tynn, noe som betyr i det minste under 1,5 mm, og fortrinnsvis ikke tykkere enn 1,0 mm. Kantene av eksempellinsen i figur 3 er 0,5 mm, tykkelsen i sentrum er l,lmm og diameteren er 11,5 mm. Dette gir et volum på 85 mm3. I tilfellet silisium brukes som linsematerialet, vil vekttettheten være omtrent 2,33 g/cm3, noe som antyder en linsevekt på omtrent 0.20 gram.

Vekten av linsen kan reduseres ytterligere ved å redusere diameteren av linsen, uten og vesentlig redusere bildekvaliteten. Figur 5 viser to forskjellige illustrasjoner av en linse med redusert diameter, sammenlignet med linsen i figur 4, hvor to IR-lysstråler 4 fra to respektive innfallsvinkler i forhold til blenderåpningen beveger seg gjennom linsen og treffer lyssensoren 3 på de respektive brennpunktene 5. Den venstre siden av figur 5 viser at redusert diameter ikke påvirker mengden lys som når frem til sensoren 3 i tilfellet med en innfallsvinkel på nær null. Derimot viser den høyre siden av figur 5 at redusert diameter påvirker mengden lys som når frem til sensoren 3 i tilfellet med en skarp innfallsvinkel. Konsekvensen på bilder tatt ved bruk av en redusert linsediameter er derfor at bildekvaliteten vil bli opprettholdt i sentrumsområdet av bildet, men at områdene nær kantene blir mørkere. Tester utført har vist at degraderingen av bildekvaliteten som svarer til en reduksjon av linsediameteren ned til 9 mm er mulig å motvirke ved bildebehandling. Å redusere diameteren fra 11,5 til 9 mm vil resultere i halvparten av vekten sammenlignet med linsen beskrevet i forbindelse med figur 4.

Som allerede antydet, brukes blenderåpningen foran linsen til å begrense den delen av linsen som brukes. Typisk, bør blenderåpningen 1 bli plassert i en avstand foran linsen på mellom 25% til 100% av linsens brennvidde. Gode resultater har blitt oppnådd med en avstand i nærheten av 45 til 60% av brennvidden. F-tallet (f/#) til linsesystemet vil typisk være mellom 1 og 2,4, avhengig av kravene for bildet.

En tradisjonell blenderåpning i form av en åpning i fronten av linsen kan bli erstattet av en tynn asfærisk linse. Denne linsen kan forbedre f/# til linsesystemet. Dette er illustrert i figur 6 og 7. Anordningen i figur 6 har en åpning som blenderåpningen. Her treffer ikke brennpunktet 5 nøyaktig lyssensoren 3, og bildet vil være noe uklart. Ved å legge en tynn asfærisk linse, blir bildet og fokuset forbedret som vist i figur 7. Den tynne asfærisk linsen kan bli laget av polymer, og dermed ha svært lav kostnad. Det innses at et akseptabelt godt bilde oppnås for f/# på 1,7, og en lavere f/# kan oppnås dersom det tillates et mer uklart bilde.

Linsearrangement som her er omtalt er anvendelig og nyttig i alle typer applikasjoner som involverer å ta IR bilder hvor minst én av vekt, størrelse og temperaturfølsomhet for utstyret er viktig. I tillegg til IR kameraer i UAVer, kan linsesystemet da med fordel brukes som bildetakningsinnretning i for eksempel IR-briller og kikkertsikter.

Claims (18)

1. Et linsearrangement som tilveiebringer brennpunkter (focal points) (5) av infrarødt (IR) lys på eller i nærheten av en lyssensor (3),karakterisert ved; en IR linse (2) som omfatter et IR transparent materiale med en brytningsindeks større enn 2,2, og er tilveiebragt med i det minste en buet side, en blenderåpning (1) konfigurert til å eksponere IR lys av en viss innfallsvinkel relativt til blenderåpningen (1) på en respektiv del av IR linsen (2), hvori blenderåpningen (1), og lyssensoren (3) er respektivt tilveiebrakt på hver side av IR linsen (2) ved en respektiv første og andre distanse, og hvori den minst ene buede siden av IR-linsen (2) er vendt mot lyssensoren (3). hvori blenderåpningen (1) er en åpning i en linsedeksel.

2. Et linsearrangement i henhold til krav 1, hvori linsen (2) er tilveiebrakt med en første buet side (2a) med en første kurveradius, og en andre buet side (2b) med en andre kurveradius, hvori den buede siden med den minste kurveradius er vendt mot lyssensoren (3).

3. Et linsearrangement i henhold til krav 1 eller 2, hvori en eller begge av linseoverflatene er sfæriske.

4. Et linsearrangement i henhold til i krav 1, 2 eller 3, hvori blenderåpningen (1) er en asfærisk linse.

5. Et linsearrangement i henhold til krav 5,karakterisert vedat den asfæriske linsen er laget av polymer.

6. Et linsearrangement i henhold til hvilket som helst av kravene 1-6, hvori brytningsindeksen er større enn 3.

7. Et linsearrangement i henhold til hvilket som helst av kravene 1-7, hvori brennvidden av IR linsen (2) er kortere enn 20 mm.

8. Et linsearrangement i henhold til hvilket som helst av kravene 1-8, hvori den første avstanden er mellom 25% og 100% av brennvidden av IR linsen (2).

9. Et linsearrangement i henhold til krav 9, hvori den første avstanden er mellom 45% og 50% av brennvidden av IR linsen (2).

10. Et linsearrangement i henhold til hvilket som helst av kravene 1-10, hvori IR linsen (2) er utformet som en positiv menisklinse.

11. Et linsearrangement i henhold til hvilket som helst av kravene 1-11, hvori det IR transparente materialet er silisium.

12. Et linsearrangement i henhold til hvilket som helst av kravene 1-11, hvori det IR transparente materialet er germanium.

13. Et linsearrangement i henhold til hvilket som helst av kravene 1-13, hvori tykkelsen av IR linsen (2) er lik eller mindre enn 1 mm.

14. Et linsearrangement i henhold til krav 14, hvori tykkelsen av IR linsen (2) er 0,6 mm.

15. Et linsearrangement i henhold til hvilket som helst av kravene 1-14, hvori diameteren av IR linsen (2) er lik eller mindre enn 11,5 mm.

16. Et linsearrangement i henhold til krav 16, hvori diameteren av IR linsen (2) er lik eller større enn 9 mm.

17. Et linsearrangement i henhold til hvilket som helst av kravene 1-17, hvori f-tallet (f/#) av linsearrangementet er i intervallet [1, 2.4].

18. Et linsearrangement i henhold til krav 1, 2 eller 3, hvori blenderåpningen er en justerbar åpning i et linsedeksel.