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ES2566968T3 - Dispositivo óptico mixto de formación de imágenes multifocal y de calibración IR - Google Patents

Dispositivo óptico mixto de formación de imágenes multifocal y de calibración IR Download PDF

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ES2566968T3
ES2566968T3 ES09720047.1T ES09720047T ES2566968T3 ES 2566968 T3 ES2566968 T3 ES 2566968T3 ES 09720047 T ES09720047 T ES 09720047T ES 2566968 T3 ES2566968 T3 ES 2566968T3
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ES
Spain
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focal length
image
compensator
detector
image forming
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ES09720047.1T
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English (en)
Inventor
Bertrand Forestier
Etienne Payot
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Publication date
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Abstract

Dispositivo (100) de formación de imágenes que presenta un eje (5) óptico y que comprende un detector (40) IR matricial, un objetivo multifocal, estando la distancia focal comprendida entre una corta distancia focal y una larga distancia focal, que comprende un grupo (G1) de lentes frontal, un variador (10), un compensador (20) y unos medios (60) de posicionamiento del variador y del compensador, estando las posiciones del variador y del compensador respectivamente adaptadas a la distancia focal, comprendiendo los medios (60) de posicionamiento unos medios de traslación del variador y del compensador en el eje (5) óptico, y comprendiendo el dispositivo un mecanismo (61) de calibración que comprende un control de los medios (60) de posicionamiento del variador (10) cerca de su posición de corta distancia focal y del compensador (20) aguas arriba de su posición de larga distancia focal de modo que se combina el plano del detector (40) con un plano objeto real situado aguas arriba de la lente de cabeza del grupo (G1) de lentes frontal a algunos centímetros de la misma, con el fin de maximizar el desenfoque de un objeto situado en el infinito, siendo esta posición designada posición de calibración, y comprendiendo el dispositivo conectado al detector (40) matricial, una unidad (50) de tratamiento que comprende unos medios (51) de acumulación de imágenes obtenidas en la posición de calibración.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo optico mixta de formacion de imagenes multifocal y de calibracion IR
El campo de la invencion es el de la calibracion de los dispositivos de formacion de imagenes IR (infrarrojas) multifocales que utilizan detectores matriciales. Se entiende por calibracion la correccion de las no uniformidades en la imagen. La invencion se aplica en particular a las camaras de formacion de imagenes termicas destinadas a la deteccion, el reconocimiento y la identificacion de objetos lejanos.
Los detectores matriciales que utilizan multiples sensores elementales emiten una senal de video representativa de la escena observada. Esta senal de video se forma mediante la transferencia y la multiplexacion de cargas liberadas por los sensores en funcion de la iluminancia recibida por cada sensor, por medio de dispositivos electronicos conocidos de tipo con acoplamiento o con transferencia de cargas. La cantidad de cargas transferidas depende tambien del tiempo de integracion de las cargas. En formacion de imagenes IR, el detector y el dispositivo con transferencia de cargas estan dispuestos en un recinto criostatico enfriado mediante unos sistemas que funcionan segun unas tecnicas conocidas.
Por regla general, una imagen consta de una escena (estructurada) sobre un fondo uniforme (por lo tanto desestructurado) y la senal de video consta por tanto de una componente continua funcion de la luminancia del fondo y una componente variable que representa la escena. La componente continua tiene por lo general un valor relativo importante con respecto a la componente variable que representa la escena. Por ejemplo, en las bandas de 3 a 5 pm o de 8 a 12 pm, una diferencia de temperatura entre la escena y el fondo igual a un grado Celsius se traduce tradicionalmente en una variacion de algunos % de la senal de video con respecto a la componente continua.
Los dispositivos de formacion de imagenes que utilizan detectores matriciales y, de manera mas particular, los dispositivos de formacion de imagenes IR estan sometidos a las siguientes limitaciones:
- por una parte, el contraste de los objetos es bajo: para un intervalo de temperatura de 1 °C, es como acabamos de ver de algunos % mientras que en formacion de imagenes IR el interes esta en diferencias de temperatura del orden de 1/10 °C;
- por otra parte, los diferentes sensores elementales de un detector matricial no tienen por lo general la misma respuesta, y estas respuestas no son perfectamente estables a lo largo del tiempo: en efecto, durante el analisis de un fondo uniforme, las respuestas dispersadas de los sensores reproducen las variaciones intrmsecas de los sensores y constituyen una senal inestable a lo largo del tiempo que consta de un ruido superpuesto a una componente continua igual a la respuesta media;
- por ultimo, el flujo de estructura del dispositivo de formacion de imagenes visto por cada sensor, ya sea directo (por emisividad del “conducto” optico) o ya sea visto por reflexion parasita en los dioptrios de la combinacion optica (efecto Narciso), vana en funcion de las fluctuaciones espaciales y temporales de la temperatura interna de la camara. Este flujo parasito se superpone al flujo util, y de este modo falsea la percepcion de la escena.
Se considera un detector matricial que comprende unos sensores (i, j) distribuidos en I lmeas y J columnas, siendo 1 < i < I, i < j < J. Hay que recordar que en una primera aproximacion, la salida Yij de cada sensor (i, j) del detector matricial IR es lineal en funcion del flujo F recibido (suma del flujo de escena y del flujo de estructura): Yij = Oij + Gij x F. El termino Oij, habitualmente llamado “offset”, representa la corriente de oscuridad del sensor elemental y Gij representa la ganancia del sensor.
Por lo general, se realiza una pre-calibracion en fabrica, colocando el equipo frente a un cuerpo negro uniforme y haciendo que vane la temperatura de este; esto permite calcular para cada sensor elemental las correcciones de ganancia y de “offset” que permiten reconstituir una imagen perfectamente uniforme. Estas tablas de correccion tienen en cuenta los defectos propios del detector y las no uniformidades del flujo de estructura en las condiciones de calibracion, y dejan de ser pertinentes en cuanto las condiciones de temperatura en el equipo se alejan demasiado de las condiciones de calibracion. Se entiende que, en ultima instancia, sea necesario aportar regularmente unas correcciones a los “offsets” de los sensores elementales durante la utilizacion practica del equipo.
Un principio eficaz de correccion consiste en sustituir periodicamente en el flujo procedente de la escena -por esencia estructurada- un flujo de referencia espacialmente desestructurado (de manera ideal uniforme) y representativo del nivel medio en la escena; en estas condiciones, se pueden medir las variaciones parasitas de la senal causadas por el detector y por el flujo de estructura, y por lo tanto reconstruir tras la sustraccion una imagen fiel de la escena.
Una tecnica clasica de calibracion consiste en presentar al detector el flujo luminoso procedente de un cuerpo negro cuya temperatura esta ajustada a la temperatura media de la escena observada por medio de un bucle de control; el cuerpo negro esta colocado en el trayecto optico por medio de un conmutador opto-mecanico espedfico, por ejemplo un espejo basculante. Este sistema de cuerpo negro controlado en temperatura es complicado, en particular cuando su temperatura es mucho mas fna que la de la camara: esto plantea numerosos problemas ligados a la condensacion sobre el cuerpo negro, a la rapidez de respuesta del bucle de control, al control y a la medicion diferencial de la temperatura, etc. Por otra parte, para garantizar una calibracion de calidad, hay que llevar al cuerpo
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negro a una temperatura precisa, y cuando el cuerpo negro no se puede colocar inmediatamente junto a un plano pupilar es necesario suprimir los gradientes termicos a lo largo de la superficie emisora cuya emisividad se debe conocer y controlar.
De forma similar, la utilizacion de un obturador (“shutter” en ingles) que obtura la via optica permite realizar una funcion de calibracion con un rendimiento menor, pero liberandose de la limitacion de integracion de un cuerpo negro de referencia.
En la patente EP 1 156 672 se describe otro dispositivo, que se refiere a los sistemas opticos de formacion de imagenes IR multicampo: esta vez, por medio de un dispositivo adicional, se insertan en el trayecto optico unos componentes opticos espedficos para la calibracion.
En todos estos casos se utiliza para calibrar una camara IR, un mecanismo adicional espedfico para la funcion, lo que aumenta el coste, el volumen y la masa del equipo.
En la patente EP 0 610 635 se describe otro dispositivo, que se refiere a los sistemas opticos de formacion de imagenes monofocales (p. ej. monocampo): se trata de un dispositivo mixto de formacion de imagenes y de calibracion que permite conservar en el modo calibracion el mismo campo de vista que en el modo formacion de imagenes, colocando simultaneamente la escena observada en un plano pupilar. Esto significa que en el modo calibracion, se esta en la situacion ideal en la que el flujo externo esta totalmente desenfocado y procede de los mismos puntos del campo que en el modo formacion de imagenes; dicho de otro modo el flujo de escena en modo calibracion es estrictamente el mismo que en el modo formacion de imagenes, y totalmente desestructurado. Desde un punto de vista optico esto es muy limitante, y la doble condicion “escena con pupila y campo identico” solo se puede considerar para un sistema monocampo.
Se proponen otras tecnicas de calibracion, pero a costa de limitaciones operativas muy restrictivas. De este modo, para pasar al modo calibracion, algunos fabricantes aconsejan al usuario que apunte una escena muy cercana, como por ejemplo el suelo en la vertical del dispositivo de formacion de imagenes, focalizandose la camara en el infinito; o bien recomiendan la utilizacion de una mascara opaca que oculta el cabezal optico, considerado cercano a la pupila de entrada, con el fin de presentar en cada pixel un flujo desenfocado pero cuya temperatura no es obligatoriamente proxima a la temperatura media de escena.
En estos dos ultimos casos, hay que senalar que durante la calibracion, el usuario pierde de hecho su lmea de vision de formacion de imagenes, lo que no resulta satisfactorio desde un punto de vista operativo.
El objetivo de la invencion es obtener un dispositivo de formacion de imagenes IR multifocal calibrado que no presenta ni un sobrecoste ni limitaciones operativas restrictivas debido a la calibracion.
Segun la invencion, la calibracion tambien designada “NUC” acronimo de la expresion anglosajona “Non Uniformity Correction”, se obtiene situando adecuadamente a lo largo del eje optico los dos grupos moviles necesarios para la funcion formacion de imagenes multifocal, que son el variador y el compensador, de modo que se desenfoque mucho la escena observada, considerada lejana. La imagen de las no uniformidades obtenida con esta configuracion NUC, denominada imagen NUC, se sustrae entonces a las imagenes obtenidas en la configuracion formacion de imagenes de modo que reconstruya las imagenes corregidas.
De manera mas precisa, la invencion tiene por objeto un dispositivo de formacion de imagenes segun la reivindicacion 1.
En estas condiciones, en la configuracion NUC, cualquier objeto lejano se muestra muy desenfocado en el detector, y ninguno de los dioptrios de la combinacion se combina con el detector, lo que tiene la ventaja de hacer la configuracion NUC poco sensible a la presencia de defectos locales en los dioptrios.
Por ultimo, utilizando adecuadamente los dos grupos moviles necesarios para la funcion de formacion de imagenes multifocal, se dota a la camara de un medio de correccion eficaz de las no uniformidades de imagen sin un sobrecoste puesto que no tiene un mecanismo espedfico, y sin perder la lmea de vision de formacion de imagenes.
En la configuracion NUC propuesta, la escena situada a gran distancia no esta -a priori- colocada en un plano pupilar. En concreto, la imagen de una fuente de pequenas dimensiones tiene la forma de un disco de muy grandes dimensiones en el plano focal, pero que no cubre necesariamente este en su totalidad.
Mientras la diferencia de temperatura entre la fuente y el fondo no excede tradicionalmente de 50 °C, entonces el nivel de iluminancia del disco con respecto al fondo es inferior a la NETD de la camara (acronimo de la expresion anglosajona “Noise Equivalent Temperatura Difference” que representa la resolucion termica de medicion de la camara), el razonamiento de aplica por supuesto a una escena mas compleja: si esta no consta de fuentes demasiado calientes, entonces la modulacion en la imagen de la escena en configuracion NUC se mantiene inferior a la NETD de la camara, y por consiguiente todo sucede como si la camara observara un cuerpo negro uniforme subordinado a la temperatura del fondo de escena. La imagen NUC obtenida en estas condiciones no es completamente representativa de los defectos propios del detector que se desean corregir puesto que esta consta
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ademas de estos de una componente de baja frecuencia espacial aportada por el flujo de estructura (en particular el flujo aportado por el efecto Narciso). Por consiguiente, resulta ventajoso completar el dispositivo con un tratamiento de la imagen NUC de tipo paso alto, adaptado para eliminar las no uniformidades de bajas frecuencias espaciales; las correcciones de “offsets” deducidas de esta imagen NUC filtrada son entonces pertinentes para el conjunto de las configuraciones de formacion de imagenes.
Si ahora la escena consta de unas fuentes intensas de pequenas dimensiones, entonces la imagen en configuracion NUC esta constituida por un cierto numero de discos (tantos como fuentes intensas) cuyos niveles son superiores a la NETD. Resulta, por lo tanto, ventajoso completar el dispositivo mediante un tratamiento de imagen adaptado para eliminar las no uniformidades espaciales en la imagen. En este caso, en el que las no uniformidades estan compuestas por un conjunto de discos de niveles elevados, un simple filtrado de las bajas frecuencias ya no basta y es necesario realizar un filtrado no lineal que permite preservar las discontinuidades significativas y alisar los defectos cuya amplitud es pequena. El resultado de este filtrado es una estimacion de la componente de escena desenfocada que se sustrae a la imagen acumulada para obtener un valor estimado de los defectos.
Segun una caractenstica de la invencion, el dispositivo comprende un filtro (por ejemplo un filtro no lineal) adaptado para filtrar la imagen acumulada obtenida en la posicion de calibracion, unos medios de calculo de un mapa de correccion y unos medios de correccion de imagenes obtenidas en modo formacion de imagenes.
Las distancias focales vanan tradicionalmente entre 25 y 135 mm, eventualmente de manera discreta.
El tipo de filtro no lineal mencionado con anterioridad puede, por ejemplo, realizarse en el marco de una modelizacion de campos de Makov o en el marco de las tecnicas variacionales que conducen a unos esquemas de resolucion iterativos equivalentes a unas ecuaciones de difusion anisotropa conocidas por el experto en la materia.
La banda IR esta, por ejemplo, comprendida entre 3 y 5 pm.
Se mostraran otras caractensticas y ventajas de la invencion con la lectura de la descripcion detallada que viene a continuacion, hecha a tftulo de ejemplo no limitativo y en referencia a los dibujos adjuntos en los que:
Las figuras 1 representan de forma esquematica los principales elementos opticos de un dispositivo de formacion de imagenes segun la invencion en configuracion formacion de imagenes de larga longitud focal (figura 1a), formacion de imagenes de corta distancia focal (figura 1b), y NUC (figura 1c).
La figura 2a muestra la posicion del plano objeto focalizado en el detector cuando el zoom esta en configuracion NUC, la figura 2b representa de manera esquematica la respuesta a un impulso en el plano del detector en configuracion NUC para un objeto puntual lejano.
Las figuras 3a y 3b representan de manera esquematica en configuracion NUC la iluminancia del detector (“Focal Plane Array”) para una escena simplificada constituida por un objeto de pequenas dimensiones (diametro 2 mrad) colocado sobre un fondo uniforme. En estas figuras, se ha omitido expresamente el flujo de estructura (en particular el flujo aportado por efecto Narciso) de modo que se destaquen los rendimientos propios del desenfoque.
Las figuras 4 representan de forma esquematica un ejemplo de imagen en configuracion NUC constituida por dos discos (uno pequeno entero y una parte de uno grande) cuyo nivel es superior a la NETD, observada tras el promediado y el recortado de esta imagen (figuras 4a), y el resultado del filtrado en esta imagen y en el recorte de esta (figuras 4b). Estas figuras 4b son unas estimaciones de la componente de escena desenfocada.
Las figuras 5 representan de forma esquematica un mapa de correccion en offset, es decir un recorte del valor estimado de los defectos (figura 5b), determinado mediante sustraccion del recorte de no uniformidad de escena estimada con anterioridad al recorte de la imagen obtenida tras el promediado (figuras 5a); las figuras 5a se retoman de los recortes de las figuras 4a y 4b.
Las figuras 6 representan de forma esquematica el resultado del mapa de defecto real (figura 6a) comparado con el mapa estimado (figura 6b). La diferencia de estos 2 mapas muestra lo que queda de defecto debido al error de estimacion en recorte (figura 6c) y la imagen correspondiente (figura 6d).
La figura 7 representa de forma esquematica un ejemplo de dispositivo pasivo de formacion de imagenes IR multifocal segun la invencion.
De una figura a otra, los mismos elementos se identifican con las mismas referencias.
Un ejemplo de dispositivo 100 pasivo de formacion de imagenes IR multifocal segun la invencion, descrito en relacion con las figuras 1a a 1c, comprende tradicionalmente en un mismo eje optico (representado en la figura 7 con la referencia 5):
- unos medios de deteccion que constan de un detector 40 matricial IR de dos dimensiones colocado en un recinto criostatico para enfriarlo; este detector consta, por ejemplo, de 384 x 288 sensores elementales con un paso de 15 pm, colocado en el plano focal. Sensible por ejemplo en la banda 3-5 pm puede estar compuesto por un material de Mercurio, Cadmio y Teluro (HgCdTe). Se pueden utilizar otros materiales como materiales con multiples pozos cuanticos en los compuestos Arseniuro de galio/Arseniuro de galio y de Aluminio (AsGa/AsGaAl); tambien se puede utilizar el compuesto Antimoniuro de Indio (InSB).
- un diafragma 41 de apertura materializado por el diafragma fno del recinto criostatico situado a aproximadamente
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10 mm el detector 40, tambien designado pupila de formacion de imagenes, con una apertura caracterizada por una apertura digital de aproximadamente 1/6, esto es F/3, siendo F la distancia focal;
- una ventanilla 42 de silicio de aproximadamente 1 mm de espesor situada a aproximadamente 3,2 mm del diafragma fno del recinto criostatico;
- un espejo 30 de acodamiento;
- una combinacion optica que comprende los siguientes grupos dioptricos:
a. un objetivo con multiples focales o zoom cuyas distancias focales vanan entre 27 y 132 mm; estas vanan de forma continua o adoptan unos valores discretos. Los campos correspondientes vanan entre 2,5° y 12° horizontalmente, y por lo tanto entre 1,9° y 9° verticalmente teniendo en cuenta las dimensiones del detector; los medios para hacer que vane la distancia focal comprenden las lentes respectivamente designadas variador 10 y compensador 20 y unos medios 60 de traslacion de estas lentes en el eje optico en una posicion variable segun el modo seleccionado. Estos medios 60 de traslacion se simbolizan en la figura 1a con las flechas. Un motor paso a paso permite, por ejemplo, garantizar esta traslacion. Otro ejemplo de medio de traslacion consiste en la asociacion de un motor de corriente continua equipado con un motorreductor, y de un sensor de realimentacion de posicion de tipo potenciometro resistivo lineal. El grupo G1 de cabeza convergente comprende, por ejemplo, la secuencia clasica Si(+)/Ge(-), siendo Si el silicio, Ge el germanio, + convergente, - divergente. El variador 10, divergente (por ejemplo de Ge), permite principalmente obtener una variacion de la distancia focal del sistema optico. El compensador 20, convergente (por ejemplo Si(+)/Ge(- )/(Si(+) de lentes esfericas o 1 unica lente Si asferica), es un elemento que permite principalmente mantener el plano de focalizacion casi fijo. En configuracion formacion de imagenes de corta distancia focal o CA (Campo Amplio) (figura 1b), el variador 10 esta en su posicion maxima aguas arriba y el compensador 20 en su posicion maxima aguas abajo, de este modo permiten obtener un campo horizontal de 12°. Se considera que el sentido aguas arriba-aguas abajo corresponde al sentido de propagacion de la luz que llega del exterior para focalizarse en el detector. Para la configuracion formacion de imagenes de larga distancia focal o CR (Campo Reducido) (figura 1a), el variador 10 esta en su posicion maxima aguas abajo y el compensador 20 en su posicion maxima aguas arriba; para pasar al modo NUC, se configura el zoom de modo que combine el detector con un plano objeto situado aguas arriba de la lente de cabeza, a algunos centimetres de esta; en estas condiciones es evidente que cualquier objeto lejano se muestra muy desenfocado; en esta configuracion, el variador esta en una posicion cercana a su posicion CA y el compensador esta en una posicion situada ligeramente aguas arriba de su posicion CR, a algunos mitimetros de esta. Esta posicion se designa posicion de calibracion. Las posiciones del variador y del compensador se obtienen de la siguiente forma: se comienza por colocar el variador en la posicion CA y el compensador en la posicion CR, lo que proporciona una primera configuracion muy desenfocada; mediante iteraciones sucesivas, se optimizan las posiciones de los 2 elementos de modo que se combine, con una ampliacion de calibracion aNUC lo mas grande posible, un plano objeto situado tradicionalmente a algunos centimetres aguas arriba de G1 y el plano focal del detector 40; esto tiene como efecto maximizar el desenfoque de un objeto situado en el infinito. Esta optimizacion se acompana de un cierto numero de limitaciones que buscan, por ejemplo, no aumentar demasiado el recorrido de los mecanismos con respecto a la simple necesidad de formacion de imagenes; ademas, se puede mantener una cierta distancia entre el plano objeto y el dioptrio externo del grupo G1, con el fin de hacer que la configuracion NUC sea poco sensible a la presencia de los inevitables defectos de superficie en este dioptrio. En el ejemplo dado, las caractensticas de la configuracion NUC tras la optimizacion son los siguientes:
- plano objeto situado a 6,8 cm aguas arriba de G1;
- variador a 1,7 mm aguas abajo de su posicion CA;
- compensador a 7,2 mm aguas arriba de su posicion CR. Esto conduce a una ampliacion aNUC = 0,277.
b. un grupo G3 de relevo que forma la imagen de un plano focal intermedio PFI en el plano focal del detector 40, comprende, por ejemplo, una de las secuencias esfericas Si(+)/CaF2(-)/Si(+) o Si(+)/Ge(-)/Si(+), designando CaF2 la fluorina; con algunos sacrificios en la calidad de la imagen, el grupo de relevo puede eventualmente reducirse a una unica lente asferica de silicio.
El dispositivo de formacion de imagenes comprende, ademas, una unidad 50 de tratamiento de imagen conectada al detector 40, que se muestra en la figura 7. Esta unidad tiene en particular como funcion aplicar en las imagenes obtenidas en la configuracion formacion de imagenes, las correcciones de no uniformidades obtenidas en la configuracion NUC.
A continuacion se van a detallar los elementos del dispositivo de calibracion que permiten realizar esta configuracion NUC.
La figura 2b muestra que en configuracion NUC, la respuesta del zoom a un objeto puntual infinitamente alejado cubre practicamente todo el detector 40, cuyo perimetro esta indicado.
Las figuras 3a y 3b detallan las componentes de la iluminancia del plano focal cuando el zoom configurado en NUC observa un objeto con un diametro angular de 2 mrad colocado sobre un fondo uniforme. Se da la componente de fondo de escena y la componente aportada por la imagen muy desenfocada de la fuente para 2 posiciones de esta
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en el campo: en la figura 3a la fuente esta localizada en el centro del campo mientras que en la figura 3b, esta esta colocada fuera del eje. Las iluminancias estan estandarizadas, es decir que se dan para una luminancia de fondo (respectivamente de fuente) unidad y la iluminancia de fondo de escena en el centro del detector se considera igual a 1. Las abscisas indicadas son aquellas comprendidas entre los bordes diagonales del detector situado en el plano focal.
En la configuracion NUC, como en la configuracion formacion de imagenes, el fondo de escena produce la misma iluminancia que se expresa:
Ifondo — Transm x PSAutil x L(Tfondo)
Transm es la transmision de la optica;
PSAutil (“Projected Solid Angle”) es el angulo solido proyectado util, que vale en nuestro ejemplo aproximadamente 87 miliesterradianos (sistema abierto en F/3,0); rigurosamente hablando, PSAutil puede variar ligeramente de un punto al otro de la matriz (efecto “cos40”);
L(Tfondo) es la luminancia del fondo de escena integrada en la banda espectral util (por ejemplo 3,4-4,8 pm).
En configuracion NUC, la imagen del objeto no produce una iluminancia uniforme en el plano (x,y) del detector. Esta se expresa:
lNuc(x,y) — Transm x PSANuc(x,y) x L(T)
PSANuc(x,y) es el angulo solido proyectado en el punto (x,y), delimitado por el diafragma de apertura y el objeto: en efecto cuando el desenfoque es muy importante, la fuente no se resuelve necesariamente mediante al detector. L(T) es la luminancia del objeto a temperatura T, integrada en la banda espectral util.
Se representan en las figuras 3a y 3b, en funcion de la posicion (x,y) con respecto al centro (0,0) del detector:
- la imagen de fondo de escena, esto es:
Log10 [PSAutii(x,y) / PSAutii(0,0)],
- la imagen de la fuente, esto es:
Log10 [PSANuc(x,y) / PSAutii(0,0)].
De este modo, las variaciones espaciales de PSAnuc producen una diferencia de temperatura aparente con respecto al fondo que se expresa:
AT — L(T) x [PSANUCmax/PSAutil] x [1 - PSANUCmin/PSANUCmax] / [dL/dT](Tfondo).
En nuestro ejemplo PSAnuo™ =0, y en una primera aproximacion se puede mostrar que PSANucmax = n (80)2 / aNuc2, donde 80 representa el semidiametro angular del objeto (en este caso 1 mrad); de este modo, se comprende que es preciso maximizar aNuc para reducir PSANucmax, y por consiguiente AT.
Para fijar las ideas, en las figuras 3a y 3b, se muestra que:
[PSANUCmax/PSAutil] x [1 - PSANUCmin/PSANUCmax] — 0,0005
Para un objeto a 50 °C sobre un fondo a 20 °C, tenemos:
L(T)/ [dL/dT](Tfondo) — 73 °K, y por consiguiente AT — 37 m °K
Para un objeto a 100 °C sobre un fondo a 20 °C, tenemos:
L(T)/ [dL/dT](Tfondo) — 298 °K, y por consiguiente AT — 149 m °K
Admitiendo que la NETD es del orden de 100 m °K, si la escena solo consta de unos objetos cuyo contraste termico con respecto al fondo no supera aproximadamente los 50 °C, entonces esta se muestra en la configuracion Nuc como uniforme.
En la configuracion Nuc propuesta, la escena situada a gran distancia no esta -a priori- colocada en un plano pupilar. En concreto, la imagen de una fuente de pequenas dimensiones tiene la forma de un disco de muy grandes dimensiones en el plano focal, pero que no cubre obligatoriamente este en su totalidad; el nivel de iluminancia del disco con respecto al fondo es inferior a la NETD de la camara (acronimo de la expresion anglosajona “Noise Equivalent Temperature Difference” que representa la resolucion termica de medicion de la camara) mientras la diferencia de temperatura entre la fuente y el fondo no supera tradicionalmente los 50 °C. El razonamiento se aplica por supuesto a una escena mas compleja: si esta no consta de fuentes muy calientes, entonces la modulacion en la
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imagen de la escena en configuracion NUC se mantiene inferior a la NETD de la camara, y por consiguiente todo sucede como si la camara observara un cuerpo negro uniforme subordinado a la temperatura del fondo de escena. En modo formacion de imagenes, la imagen corregida se obtiene entonces mediante la sustraccion de la imagen NUC (desenfocada); esto se realiza mediante la unidad 50 de tratamiento de imagenes cuyo funcionamiento se detallara mas adelante.
De preferencia, se aplica un filtrado a la imagen NUC con el fin de extraer la componente de ruido espacial ligado al detector.
En efecto, la imagen NUC consta -ademas de los defectos propios del detector- de una componente de baja frecuencia espacial aportada por el flujo de estructura (en particular el flujo aportado por el efecto Narciso). Resulta, por consiguiente, ventajoso completar el dispositivo mediante un tratamiento de la imagen NUC de tipo paso alto, adaptado para eliminar las no uniformidades de bajas frecuencias espaciales; las correcciones de “offsets” deducidas de esta imagen NUC filtrada son entonces pertinentes para todas las configuraciones de formacion de imagenes. Hay que recordar que, por lo general, el efecto Narciso es bajo en las configuraciones CR, y que ademas el experto en la materia limita todo lo posible el diferencial de Narciso entre las diferentes configuraciones del zoom.
Si ahora la escena consta de unas fuentes intensas de pequenas dimensiones, entonces la imagen en la configuracion NUC esta constituida por un determinado numero de discos (tantos como fuentes intensas) cuyos niveles son superiores a la NETD; un ejemplo de dicha imagen observada tras el promediado y el recorte de esta imagen se muestran en la figura 4a. Resulta, por lo tanto, ventajoso completar el dispositivo con un tratamiento de imagen adaptado para eliminar las no uniformidades espaciales en la imagen.
La abscisa del sistema de coordenadas asociado a las imagenes es la misma que la del sistema de coordenadas asociado a los recortes. El recorte representa en ordenadas las iluminancias de cada uno de los pfxeles situados en la lmea central de la imagen.
En el caso explicado mas arriba en el que las no uniformidades estan compuestas por un conjunto de discos de niveles elevados, un simple filtrado de las bajas frecuencias ya no es suficiente y es necesario realizar un filtrado no lineal que permite preservar las discontinuidades significativas y alisar los defectos cuya amplitud es baja. En el caso presente, las fuertes discontinuidades que se desean preservar en el filtrado estan ligadas a la presencia de objetos muy contrastados (tradicionalmente tales que AT > 50 °C) en la escena. El resultado de este filtrado es una estimacion de la componente de escena desenfocada que se sustrae a la imagen acumulada para obtener un valor estimado de los defectos.
El tipo de filtro no lineal mencionado con anterioridad puede, por ejemplo, realizarse en el marco de una modelizacion por campo de Makov o mediante unas tecnicas variacionales que conducen a unos esquemas de resolucion iterativos equivalentes a unas ecuaciones de difusion anisotropica conocidas por el experto en la materia. El resultado obtenido mediante este tipo de filtrado no lineal se ilustra en las figuras 4b.
Este filtrado comprende, por ejemplo, las siguientes etapas:
- Acumulacion/Promediado digital de imagenes desenfocadas: esta operacion tiene como objetivo reducir e incluso suprimir la influencia del ruido temporal. Esta operacion se puede realizar:
o bien directamente segun el siguiente algoritmo:
■ I acum = 0
■ Para I que va de 1 a N
• I acum = I acum + I actual (I)
■ Fin para
■ Imedia = Iacum / N
o o bien de forma recursiva segun el siguiente algoritmo (a < 1):
■ I acum = I actual(I)
■ Mientras el promediado esta activo
• Imedia = a*Imedia + (1-a)*Iactual (I)
■ Fin mientras
Esta operacion se realiza por lo general por medio de una red logica programable de tipo FPGA, acronimo de la expresion anglosajona “field-programmable gate array”, con el fin de reducir el tiempo de latencia, pero esta se puede realizar tambien por medio de un microprocesador. Se debe prestar una especial atencion a la dinamica de codificacion de las imagenes Imedia e Iacum de modo que no se pierda la mejora de dinamica obtenida (p. ej.: codificacion en 6 bits mas que la imagen actual para una acumulacion de 64 = 26 imagenes). Es posible una acumulacion de entre una decena y una
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centena de imagenes segun el plazo acordado para la calibracion y, por ejemplo, para una acumulacion de 64 imagenes con una adquisicion en 100 Hz es necesario un plazo de 640 ms para el calculo de Imedia.
- Determinacion en la imagen acumulada de la componente debida a la escena desenfocada; esta componente esta formada por un conjunto de discos de radios variables: esta operacion tiene como objetivo determinar las no uniformidades en la imagen acumulada procedente de los eventuales objetos calientes que han podido encontrarse en el campo durante la adquisicion de las imagenes de calibracion. La estimacion de estas no uniformidades precisa un filtrado no lineal que permite preservar las discontinuidades por medio de una modelizacion por campo de Makov o mediante unas tecnicas variacionales. Se utiliza entonces, de preferencia, un filtro iterativo que modeliza una ecuacion de difusion no lineal denominada “difusion de Malik y Perona” que permite preservar las discontinuidades. Dicho ejemplo de filtrado se ilustra en las figuras 4. Las figuras 4a representan de forma esquematica una imagen observada tras el promediado y el recorte de esta imagen; los resultados del filtrado en esta imagen y en el recorte de esta se representan en las figuras 4b. Se obtiene un valor estimado de los defectos sustrayendo una estimacion de la componente de escena desenfocada a la imagen acumulada.
- Determinacion del mapa de correccion en “offset” del detector: este mapa de correccion en offset (figura 5b) se determina mediante la sustraccion de la componente de escena estimada con anterioridad (figura 4b) a la imagen acumulada (figura 4a).
Las figuras 6 ilustran la comparacion entre el mapa de defecto real (figura 6a) y el mapa estimado (figura 6b). La diferencia de estos 2 mapas (figuras 6c, 6d) muestra lo que queda de defecto causado por el error de estimacion en recorte, figura 6, y en imagen, figura 6d: es practicamente nulo.
En la figura 7 se representa un ejemplo de dispositivo de formacion de imagenes segun la invencion. Comprende los elementos descritos en relacion con las figuras 1, asf como el dispositivo 61 de calibracion conectado a los medios 60 de posicionamiento (en este caso de traslacion), y a la unidad 50 de tratamiento.
Esta unidad 50 de tratamiento comprende:
- unos medios 51 de acumulacion de imagenes obtenidas en configuracion NUC, como por ejemplo un FPGA como se ha indicado con anterioridad;
- un filtro 52 adaptado para aplicar un filtrado no lineal a estas imagenes NUC, como se ha descrito con anterioridad;
- unos medios 53 de calculo del mapa de correccion en “offset” del detector, como se han descrito con anterioridad y de almacenamiento de este mapa de correccion;
- y unos medios 54 de sustraccion de este mapa de correccion memorizado, a las imagenes obtenidas en la configuracion formacion de imagenes, de modo que se obtengan unas imagenes corregidas.
Cuando el usuario desea activar el modo calibracion, acciona el mecanismo 61 de calibracion que, por una parte, controla los medios 60 de posicionamiento del variador 10 y del compensador 20 en la posicion de calibracion (o NUC) y, por otra parte, controla la unidad 50 de tratamiento con el fin de que las imagenes NUC procedentes del detector 40 se sometan al tratamiento que permite obtener el mapa de correccion.
Cuando el usuario desea activar el modo formacion de imagenes, acciona el mecanismo 61 de calibracion que, por una parte, controla los medios 60 de posicionamiento del variador 10 y del compensador 20 en funcion de la distancia focal deseada y, por otra parte, controla la unidad 50 de tratamiento con el fin de que las imagenes procedentes del detector 40 y obtenidas en modo “formacion de imagenes” se corrijan mediante los medios 54.

Claims (8)

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    REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo (100) de formacion de imagenes que presenta un eje (5) optico y que comprende un detector (40) IR matricial, un objetivo multifocal, estando la distancia focal comprendida entre una corta distancia focal y una larga distancia focal, que comprende un grupo (G1) de lentes frontal, un variador (10), un compensador (20) y unos medios (60) de posicionamiento del variador y del compensador, estando las posiciones del variador y del compensador respectivamente adaptadas a la distancia focal, comprendiendo los medios (60) de posicionamiento unos medios de traslacion del variador y del compensador en el eje (5) optico, y comprendiendo el dispositivo un mecanismo (61) de calibracion que comprende un control de los medios (60) de posicionamiento del variador (10) cerca de su posicion de corta distancia focal y del compensador (20) aguas arriba de su posicion de larga distancia focal de modo que se combina el plano del detector (40) con un plano objeto real situado aguas arriba de la lente de cabeza del grupo (G1) de lentes frontal a algunos centimetros de la misma, con el fin de maximizar el desenfoque de un objeto situado en el infinito, siendo esta posicion designada posicion de calibracion, y comprendiendo el dispositivo conectado al detector (40) matricial, una unidad (50) de tratamiento que comprende unos medios (51) de acumulacion de imagenes obtenidas en la posicion de calibracion.
  2. 2. Dispositivo de formacion de imagenes segun la reivindicacion anterior, caracterizado porque la unidad (50) de tratamiento comprende, conectada los medios de acumulacion, un filtro (52) adaptado para filtrar la imagen acumulada obtenida en la posicion de calibracion.
  3. 3. Dispositivo de formacion de imagenes segun la reivindicacion anterior, caracterizado porque el filtro (52) es un filtro no lineal.
  4. 4. Dispositivo de formacion de imagenes segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la unidad (50) de tratamiento comprende unos medios (53) de calculo de un mapa de correccion.
  5. 5. Dispositivo de formacion de imagenes segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la unidad (50) de tratamiento comprende unos medios (54) de correccion de imagenes obtenidas en modo formacion de imagenes.
  6. 6. Dispositivo de formacion de imagenes segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las distancias focales vanan entre 25 y 135 mm.
  7. 7. Dispositivo de formacion de imagenes segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende al menos 1 distancia focal ademas de la corta distancia focal y la larga distancia focal, y porque estas distancias focales son discretas.
  8. 8. Dispositivo de formacion de imagenes segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la banda IR esta comprendida entre 3 y 5 pm.
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