ES2244576T3 - Objetivo para sistemas de vision infrarroja. - Google Patents

Abstract

Sistema de lentes de formación de imágenes para sistemas de visión infrarroja térmicos que comprende una primera y una segunda lente Fresnel en forma de menisco (L1, L2), realizadas en plástico moldeado y separadas la una de la otra según la dirección perpendicular a un plano de foco (FPA), en el que cada lente (L1, L2) consiste en dos superficies curvadas separadas por un espesor reducido para formar un semicasco y dichas dos lentes (L1, L2) presentan unos micro-relieves (14) sobre su superficie externa, a saber la superficie más cercana a los centros de curvatura de las dos superficies curvadas.

Description

Objetivo para sistemas de visión infrarroja.

La presente invención se refiere a un sistema de lente para sistemas de visión infrarroja térmica. En particular, esta invención de refiere a un sistema de lente destinado a utilizarse en una cámara térmica infrarroja para enfocar la imagen infrarroja (bandas: MWIR 3-5 \mum, LWIR 8-14 \mum) generada por una imagen sobre una matriz de sensores del tipo "Matriz de Plano Focal" (FPA). El sistema de lente de acuerdo con esta invención se desarrolló particularmente para su utilización con sensores no refrigerados (UFPA), por ejemplo, bolómetros resistivos, ferroeléctricos, termoeléctricos, etc. La lente de acuerdo con esta invención puede utilizarse además con sensores refrigerados (sensores fotoconductivos o fotovoltaicos, etc.).

Con un sensor FPA de 320 x 240 píxeles, cuyas dimensiones de la zona activa son iguales a 16 x 12 mm y cuyas dimensiones de píxel son de 50 x 50 \mum, las dimensiones del punto de imagen generado por la lente deben ser inferiores a 50 \mum. Normalmente, las lentes de radiación infrarroja térmica comprenden un par de lentes realizadas en material semiconductor, tales como, por ejemplo, germanio, silicio, arseniuro de cinc, etc. Estos materiales son extremadamente costosos y requieren maquinaria de alta precisión. Se requieren normalmente tres lentes para obtener la resolución necesaria con una lente de germanio. De modo alternativo, por lo menos una superficie de una lente es asférica, lo que implica unos costes de fabricación mayores. La figura 1 de los dibujos adjuntos ilustra un sistema de lente infrarrojo térmico de acuerdo con la técnica conocida, que utiliza una primera lente asférica de germanio L1, con un diámetro de 65 mm, y una segunda lente asférica de germanio L2, con un diámetro de 32 mm. Estas lentes enfocan la radiación térmica sobre un sensor S del tipo UFPA. La figura 2 ilustra el tanto por ciento de energía en un píxel del sensor S según la mitad de la longitud del píxel. La curva dibujada con una línea continua se refiere a un píxel central del sensor S mientras que la curva dibujada con una línea de puntos se refiere a un píxel dispuesto en un extremo del sensor. Las curvas relacionadas con los píxeles ubicados en posiciones intermedias, entre la zona central y las zonas de los extremos, están comprendidas entre las dos curvas de los extremos ilustradas en el gráfico de la figura 2. La figura 2 muestra que, considerando un píxel, cuyas dimensiones son 50 x 50 \mum (la mitad de la longitud del píxel es 25 \mum), el tanto por ciento de la energía en cada píxel del sensor S es superior al 90%. El gráfico de la figura 2 se obtuvo con un número F (relación entre la distancia focal efectiva y el diámetro de la pupila de entrada) igual a 1,2 con un campo de visión (FOV) de 12 x 9º y con una longitud total de lente de 106 mm. El problema de esta solución conocida es su muy elevado coste. Se obtiene un funcionamiento y un coste similar con dos lentes realizadas en otro material semiconductor, por ejemplo ZnSe, o calcogenuro (AMTIR1, AMTIR3, etc.).

Una solución conocida que permite una considerable reducción de coste se ilustra en la figura 3 y está realizada con Raytheon TI. Esta solución utiliza una ventana W de silicio de protección, con un diámetro de 65 mm, una lente impresa L1 de cristal de calcogenuro, con un diámetro de 70 mm, y una lente plana de Fresnel de polietileno de alta densidad, moldeada por inyección, con un diámetro de 36,5 mm. La lente enfoca la imagen sobre un sensor S. Dado un número F de 1,2, un campo de visión de 12 x 9º y una longitud total de 98,4 mm, esta lente conocida proporciona un gráfico de energía en el píxel según la mitad de la longitud del píxel. En la figura 4, tal como se ha descrito anteriormente, la línea de puntos muestra la curva relacionada con un píxel central y las curvas relacionadas con los píxel intermedios están comprendidas entre las curvas de los dos extremos, ilustradas en la figura 4. Esta solución permite que haya energía confinada de 90º en la mayor parte del campo de visión. El tanto por ciento de la energía en un píxel cae a valores del 70 por ciento en los píxeles de los extremos.

A pesar de que esta solución es considerablemente más eficiente en cuanto al coste con respecto a aquella que utiliza dos lentes de germanio, el coste de la lente es todavía excesivamente elevado para muchos tipos de aplicaciones.

El documento WO-A-9819196 da a conocer un sistema de lente infrarrojo, que comprende un conjunto de lentes que incluye una o más lentes refractivas. La lente refractiva puede estar posicionada a lo largo de un eje óptico para recibir radiación infrarroja. El conjunto de lentes puede estar diseñado para enfocar radiación infrarroja de una imagen que está sobre un plano de imagen. Un elemento atérmico puede estar posicionado a lo largo del eje óptico en comunicación óptica con el conjunto de lentes. El elemento atérmico puede incluir un elemento de transmisión infrarroja que soporta un patrón de difracción. El elemento de transmisión infrarroja puede comprender un polímero de transmisión infrarroja. El patrón de difracción puede compensar los cambios de temperatura inducidos sobre una distancia focal de la lente dispuesta para mantener enfocada la radiación infrarroja de la imagen sobre el plano de imagen.

El objetivo de esta invención es proporcionar una lente para sistemas de visión infrarroja térmica, con alta resolución y un coste considerablemente inferior con respecto al de las soluciones descritas anteriormente. Un objetivo adicional de esta invención es proporcionar una lente para aplicaciones en el infrarrojo, cuyo peso es considerablemente inferior al de las soluciones conocidas.

De acuerdo con esta invención, este objetivo se alcanza mediante una lente cuyas características se describen en la reivindicación principal.

Esta invención se explicará mejor mediante las siguientes descripciones detalladas, haciendo referencia a las figuras adjuntas, proporcionadas a título de ejemplo no limitativo, en las que:

- las figuras 1, 2 y 3, 4, descritas anteriormente, ilustran dos sistemas de lente de acuerdo con la técnica conocida y los respectivos gráficos de resolución,

- la figura 5 es una vista esquemática en perspectiva de una primera forma de realización del sistema de lente de acuerdo con esta invención,

- la figura 6 es una vista esquemática lateral del sistema de lente mostrado en la figura 5,

- la figura 7 es una vista esquemática lateral, similar a la figura 6, que ilustra una segunda forma de realización de un sistema de lente de acuerdo con esta invención y

- la figura 8 es un gráfico que ilustra la resolución de un sistema de lente de acuerdo con esta invención.

Con relación a las figuras 5 y 6, una lente de acuerdo con una primera forma de realización de esta invención está designada con el número de referencia 10. La lente 10 comprende una carcasa externa 12 con dos lentes de Fresnel L1 y L2, cada una de las cuales está realizada en material plástico moldeado, que es preferiblemente polietileno de alta densidad (HDPE). Las lentes L1 y L2 tienen ambas un foco positivo y un grosor reducido, preferiblemente en el margen de 0,5 a 1 mm. Cada lente L1 y L2 consiste de dos superficies curvadas separadas por una pequeña distancia para formar un menisco. La pequeña distancia asegura una alta transmitancia de radiación infrarroja (60% para LWIR a través de un grosor de 0,5 mm). La superficie interior del menisco presenta un conjunto de micro-relieves 14 (figura 6), que presentan una simetría rotacional con respecto al eje de las lentes. La forma de las superficies curvadas, la distribución de los micro-relieves y la distancia entre las dos lentes de Fresnel L1 y L2 están optimizadas para minimizar las aberraciones sobre el plano de imagen que contiene al sensor de tipo FPA. La forma de las superficies curvadas es generalmente asférica, pero esto no provoca mayores costes de producción porque las lentes son obtenidas mediante moldeado por inyección.

La figura 7 ilustra un sistema de lente en el que las dos lentes L1 y L2 enfocan la imagen directamente sobre el sensor FPA. Las figuras 5 y 6 ilustran una forma de realización en que el sistema de lente está además equipado con una lente adicional L3, hecha o bien de material semiconductor (Ge, Si, ZnSe, ZnS, etc.) o bien de cristal (por ejemplo calcogenuro, AMTIR-1, AMTIR-3, etc.), dispuesta cerca del plano de imagen. La proximidad del plano de imagen minimiza las dimensiones de la lente L3 (25 mm en el ejemplo mostrado), aportando consecuentemente ventajas en términos de coste, con respecto a la solución que utiliza dos lentes de germanio de diámetro relativamente grande. En una forma de realización preferente, la lente L3 es una lente cóncavo-plana de ZnSe, ZnS o AMTIR, con curvatura asférica en la primera y la segunda superficie.

En una variante no ilustrada aquí, la lente L3 puede ser una lente de Fresnel, por ejemplo plana, formada de material plástico moldeado. En una variante adicional no ilustrada aquí, la lente L3 puede ser reemplazada por un elemento óptico reflectante y equipado con una capa reflectante, por ejemplo de aluminio, con una capacidad de enfoque adecuada para corregir las aberraciones residuales del sistema.

En una forma de realización preferente, el número F es igual a 1,2, el diámetro de la pupila de entrada es igual a 60-100 mm, las lentes de Fresnel L1 y L2 están separadas una distancia de 50-70 mm, la lente L3 está a una distancia de 40-50 mm respecto a la lente L2 y el plano de imagen está a 2-10 mm respecto la lente L3.

El sistema de lente de acuerdo con esta invención ofrece un funcionamiento superior con respecto a las lentes asféricas de germanio, con una mayor reducción del coste de las otras varias unidades. Por ejemplo, para un número F igual a 1,2, un diámetro de pupila de entrada igual a 70 mm y un enfoque de 84 mm, la lente que implementa las lentes de Fresnel de polietileno, de acuerdo con esta invención, ofrece un punto de imagen más pequeño que 150 \mum en un campo de visión de 12 x 9º, mientras que la lente de germanio permite un punto de imagen máximo de 1400 \mum. El sistema de lente de acuerdo con esta invención presenta un transmitancia mucho más limitada, inferior a un 40% en el caso de lentes HDPE, comparado con el 90% en el caso de lentes de germanio. Esto limita la sensibilidad de la cámara térmica, pero no afecta a la resolución.

Mediante la optimización de los parámetros del sistema, pueden obtenerse dimensiones del punto de imagen inferiores a 50 \mum en un campo de visión de 12 x 9º (véase figura 8).

El material de las lentes de Fresnel L1 y L2 se modifica mediante la adición de dopantes, óxidos o polvo semiconductor (por ejemplo Si, ZnSe, ZnS, calcogenuro, sales halogenuras, tales como NaCl, KCl, KBr, etc.) lo que conlleva el efecto de filtración de regiones no deseadas del espectro y/o el aumento de la transmitancia del HDPE. Las dimensiones del polvo deben ser tales que produzca la mínima dispersión en la banda LWIR (por ejemplo un diámetro promedio de partícula de 100 nm).

El sistema de lente de acuerdo con esta invención puede estar dotado de una capa de recubrimiento sobre la superficie externa de la lente L1. Puede disponerse una capa adicional sobre las otras superficies ópticas. Típicamente, la lente L3, que tiene un índice de refracción elevado (2,2-4) requiere un tratamiento anti-reflexión para maximizar la reflectancia.

La carcasa 12 que soporta las lentes L1 y L2 puede equiparse con un iris para modificar el número F de la lente. Además puede incluirse un dispositivo mecánico para ajustar la distancia entre las lentes L1 y L2 o la distancia entre las lentes L2 y L3, permitiendo un enfoque de imagen preciso. La superficie interna de la carcasa 12 puede equiparse con diafragmas para minimizar la reflexión de radiación infrarroja que proviene de un ángulo externo al campo de visión.

Una ventaja fundamental de la lente de acuerdo con esta invención está relacionada con su peso, que ha quedado extremadamente reducido con respecto a las soluciones conocidas. Esta característica, en conjunto con su coste extremadamente bajo, permite la extraordinaria ampliación del margen de aplicación de los sistemas de visión infrarroja.

Naturalmente, pueden implementarse numerosas modificaciones a la construcción y a las formas de realización de esta invención previstas en la presente memoria, estando todas ellas comprendidas dentro del contexto del concepto caracterizador de la presente invención, tal como se define en las siguientes reivindicaciones.

Claims (17)

1. Sistema de lentes de formación de imágenes para sistemas de visión infrarroja térmicos que comprende una primera y una segunda lente Fresnel en forma de menisco (L1, L2), realizadas en plástico moldeado y separadas la una de la otra según la dirección perpendicular a un plano de foco (FPA), en el que cada lente (L1, L2) consiste en dos superficies curvadas separadas por un espesor reducido para formar un semicasco y dichas dos lentes (L1, L2) presentan unos micro-relieves (14) sobre su superficie externa, a saber la superficie más cercana a los centros de curvatura de las dos superficies curvadas.

2. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 1, caracterizado porque el conjunto de micro-relieves (14) confiere un poder convergente positivo a las dos lentes (L1, L2).

3. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 1, caracterizado porque las dos superficies curvadas de las lentes (L1, L2) son asféricas.

4. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 1, caracterizado porque las lentes (L1, L2) están realizadas en polietileno de alta densidad.

5. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 4, caracterizado porque el material de las lentes (L1, L2) contiene dopantes, óxidos o polvo semi-conductor y/o sales de halogenuros destinados a filtrar las zonas no deseadas del espectro y/o aumentar el factor de transmisión del material plástico de la lente.

6. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 5, caracterizado porque dichos polvos presentan un diámetro de partícula medio inferior a 100 nm.

7. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un tercer elemento óptico (L3) dispuesto cerca del plano de imagen.

8. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 7, caracterizado porque el tercer elemento óptico es una lente (L3) compuesta por un material semiconductor o de vidrio.

9. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 7, caracterizado porque el tercer elemento óptico es una lente Fresnel compuesta por un material plástico moldeado.

10. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 7, caracterizado porque el tercer elemento óptico es un elemento reflectante.

11. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 10, caracterizado porque dicho elemento óptico reflectante está compuesto por un material plástico que presenta un revestimiento reflectante.

12. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 7, caracterizado porque el tercer elemento óptico es una lente cóncavo-plana (L3) con una curvatura asférica en la primera y la segunda superficie.

13. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 7, caracterizado porque el tercer elemento óptico es una lente de ZnSe, ZnS o AMTIR.

14. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende una capa resistente a arañazos en por lo menos una de dichas lentes (L1).

15. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 7, caracterizado porque el tercer elemento óptico presenta un revestimiento anti-reflexión para radiación infrarroja.

16. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un iris para modificar el número F de apertura de la lente.

17. Sistema de lentes de formación de imágenes según la reivindicación 1, caracterizado porque dichas lentes (L1, L2) están conectadas a una carcasa rígida (12) con diafragmas sobre la superficie interna para minimizar la reflexión de la radiación que proviene de ángulos externos al campo de visión.