CAMARA HIPERESPECTRAL DE FORMACION DE IMAGENES TERMICAS CON UN SISTEMA OPTICO TELECENTRICO.

Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas que comprende una ranura (3) de entrada formada por una perforación transparente en un entorno muy reflectante,

una lente telecéntrica (2) de formación de imágenes para crear imágenes de forma telecéntrica con la luz sobre la ranura (3), y un detector (8) para detectar la luz de la formación de imágenes, comprendiendo además la cámara (1) un colimador telecéntrico (4) que tiene una lente asférica negativa y una lente híbrida positiva asférica y difractiva y está colocado entre la ranura (3) y el detector (8), una rejilla transmisiva (5) de difracción entre el colimador (4) y el detector (19), y una lente (6) de enfoque entre la rejilla transmisiva (5) de difracción y el detector (8) para enfocar la luz de la formación de imágenes sobre el detector, estando adaptada la lente de enfoque para proporcionar rayos telecéntricos de imagen, formando de ese modo una imagen en el detector

Cámara hiperespectral de formación de imágenes térmicas con un sistema óptico telecéntrico.

La presente invención versa acerca del campo de las cámaras de formación de imágenes térmicas y en particular acerca de mejoras de dichas cámaras para detectar regiones de infrarrojos de onda media y de infrarrojos de onda larga del espectro electromagnético.

Una aplicación principal para las cámara de formación de imágenes térmicas es la detección, reconocimiento e identificación (DRI) subsiguiente de objetos. Se requiere que las cámaras actuales trasladen a una pantalla de visualización o a un "procesador de imágenes" los atributos de "forma y textura" de dichos objetos y sus contextos con tal calidad que un observador humano o un sustituto electrónico pueda llevar a cabo estas tareas con una probabilidad elevada de éxito. La resolución de dichos dispositivos está limitada a la capacidad de los seres humanos, o de sus sustitutos electrónicos, de reconocer objetos a partir de la reproducción en una pantalla de visualización.

Cuando se combina con los rendimientos alcanzables de las cámaras y de los observadores humanos y de los procesadores, estos requerimientos imponen límites con frecuencia sobre el campo de visión máximo de la cámara hasta tal punto que los alcances a los que se pueden conseguir las tareas de DRI son incompatibles con muchas aplicaciones de la cámara. Dentro de los límites de la tecnología y los impuestos por las leyes naturales, un aumento en el "intervalo de la consecución de la tarea" requiere una reducción del campo de visión de la cámara. Con este campo de visión limitado, se reduce la probabilidad de que un objeto se encuentre presente en el campo. Además, cualquier reducción en el campo de visión de la cámara es probable que tenga como resultado un aumento del área de la apertura óptica con un impacto consiguiente sobre el coste y la vulnerabilidad de la óptica y del rendimiento aerodinámico de cualquier aeronave sobre la que se instala la cámara.

Si la aplicación prevista requiere un campo de visión mínimo, entonces la capacidad de la cámara para reconocer objetos se ve afectada de forma adversa y la cámara solo tiene suficiente poder de resolución para detectar objetos. Entonces, tal cámara está limitada en su capacidad para discriminar entre objetos porque el contexto contendrá inevitablemente múltiples características tales como animales, rocas o vegetación calientes que tienen la misma diferencia de temperatura que la creada por el objeto genuino. En tal situación, la aplicación de la cámara está limitada por un reconocimiento erróneo.

La técnica anterior enseña cámaras térmicas caracterizadas por un amplio campo de visión y una tasa reducida de reconocimiento erróneo. Dichos dispositivos son empleados para las mediciones de la emisividad espectral de objetos naturales y culturales en las denominadas ventanas atmosféricas de radiación infrarroja de onda media (MWIR), entre 3,2 µm y 5,5 µm, y de radiación infrarroja de onda larga (LWIR), 7,8 µm y 11,4 µm. Los expertos en la técnica conocen que el uso de tal cámara capaz de medir estos atributos mejora la capacidad del observador para discriminar entre clases de objetos tal como árboles, rocas, hierbas y vehículos.

Una cámara de formación de imágenes térmicas con tal capacidad se denomina una cámara hiperespectral. En vez de observar la escena utilizando una única banda de onda y presentando la imagen como un plano, se descompone la escena en un número de planos que representan las subbandas espectrales o contenedores espectrales. Entonces, se conoce el conjunto de estos planos como un "cubo hiperespectral".

Es bien conocido por los expertos en la técnica y en la ciencia que tales cámaras hiperespectrales presentan dificultades para conseguir una relación adecuada de señal a ruido (SNR) contra objetos de interés cuya diferencia de temperatura con respecto al fondo es típicamente solo de unos pocos grados Celsius. En una cámara perfecta de formación de imágenes térmicas, el ruido en el instrumento está dominado por el del detector. Para conseguir tal rendimiento, se debe hacer que el propio ruido interno del detector sea extremadamente reducido. Esto solo se puede conseguir en detectores sensibles a la radiación LWIR al enfriar de forma criogénica el detector. Los detectores modernos están integrados con un motor de refrigeración de ciclo cerrado que puede reducir la temperatura del conjunto detector a valores inferiores a 80 grados Kelvin. Cuando está dotada de dicho detector, la cámara es capaz entonces de conseguir una sensibilidad térmica "con limitación de fondo". Este nivel de rendimiento indica que el ruido en la cámara está creado por la llegada aleatoria de fotones de todos los objetos en el campo de visión del detector. La tasa de fotones, y la fluctuación de la misma, están determinadas por la temperatura de los objetos. Según cae la temperatura, también lo hace el nivel de ruido en el detector.

Se saca partido de este efecto en detectores modernos de infrarrojos de alto rendimiento al concebir tecnológicamente el conjunto detector y el motor de refrigeración para enfriar no solo el conjunto detector sino también una "protección fría" que rodea el conjunto detector. Se perfora la protección fría para permitir que el detector reciba los rayos de formación de imágenes de la escena procedentes del sistema de formación de imágenes, tal como una secuencia de lentes o espejos. Un diseño que no considera este sistema óptimo lleva a un instrumento cuyo detector está expuesto no solo a radiación de la escena sino también a la del interior de la cámara. Las aportaciones a esta radiación interna provienen bien de los elementos ópticos o del recinto, bien directamente o bien por reflejos de los mismos procedentes de los componentes ópticos.

Si el diseño de la cámara es tal que se proporciona una filtración espectral antes de este procedimiento de intrusión por la radiación parásita, la SNR del instrumento se verá afectada de forma adversa y no logrará lo que hubiera sido posible si se hubiesen filtrado espectralmente tanto la señal como el ruido.

Los diseños anteriores de cámaras térmicas hiperespectrales han solucionado este problema de varias maneras. Una elección entre los diversos procedimientos está influenciada principalmente por los requerimientos del poder de resolución espectral y de la banda de onda operativa. La relación de la banda de onda operativa con respecto al poder de resolución espectral se describe con la expresión "número de canales" o "número de contenedores espectrales".

Para una cámara con únicamente un número modesto de contenedores espectrales, un procedimiento preferente es introducir un carrusel de filtros dieléctricos de interferencias en la ventana de entrada del detector. El giro del carrusel permite mediciones de la radiación transmitida a través del filtro. La ventaja de este procedimiento es que se refleja la radiación fuera de banda del filtro hacia el sistema óptico y o bien se absorbe en el cuerpo de la cámara o bien se refleja fuera de la cámara. Por lo tanto, también se filtra el ruido de la óptica de la cámara. Otra ventaja de este procedimiento es que se capta un fotograma espacial completo durante el tiempo de parada del filtro. La desventaja de este procedimiento es que el comportamiento de los filtros de interferencia depende mucho del ángulo de llegada de los rayos. Por lo tanto, cuando se utiliza con óptica de enfoque, se ensancha el paso de banda espectral del filtro y se limita el número de contenedores espectrales a menos de aproximadamente 8 en la banda de LWIR.

Se puede conseguir un mayor poder de resolución espectral al utilizar un componente dispersor espectralmente tal como un prisma o una rejilla de difracción. La desventaja principal de un instrumento de prisma es que el poder dispersor de los prismas es relativamente bajo, de forma que se requieren longitudes focales largas y, por lo tanto, ópticas voluminosas de formación de imágenes para formar un espectro de tamaño útil. Además, no se controla la luz procedente del interior de la cámara y aumentará el ruido. Por lo tanto, es normal que dichos componentes ópticos de los instrumentos sean enfriados hasta una temperatura muy baja, de forma que se reduzca esta radiación intrusiva. En los instrumentos de mayor calidad es normal enfriar todo el instrumento que puede pesar 100 kg con un líquido criogénico, tal como helio. Este requerimiento de enfriamiento evita a dichos instrumentos un despliegue a gran escala que requiere maniobrabilidad. La rejilla reflectante...

1. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas que comprende una ranura (3) de entrada formada por una perforación transparente en un entorno muy reflectante, una lente telecéntrica (2) de formación de imágenes para crear imágenes de forma telecéntrica con la luz sobre la ranura (3), y un detector (8) para detectar la luz de la formación de imágenes, comprendiendo además la cámara (1) un colimador telecéntrico (4) que tiene una lente asférica negativa y una lente híbrida positiva asférica y difractiva y está colocado entre la ranura (3) y el detector (8), una rejilla transmisiva (5) de difracción entre el colimador (4) y el detector (19), y una lente (6) de enfoque entre la rejilla transmisiva (5) de difracción y el detector (8) para enfocar la luz de la formación de imágenes sobre el detector, estando adaptada la lente de enfoque para proporcionar rayos telecéntricos de imagen, formando de ese modo una imagen en el detector.

2. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en la reivindicación 1, en la que la rejilla transmisiva (5) de difracción comprende una rejilla de fase lineal y un sustrato refractivo, en la que para la radiación de una longitud de onda de referencia predeterminada la difracción inducida de la rejilla de fase lineal compensa la refracción inducida del sustrato refractivo, de forma que la radiación de referencia pasa sin ser desviada a través de la rejilla transmisiva (5) de difracción.

3. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en la reivindicación 1 o 2, en la que el detector (8) comprende un diafragma de apertura, una protección fría (18) y un conjunto fotodetector (19).

4. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en la reivindicación 3, en la que el diafragma de apertura comprende una apertura formada dentro de la protección fría (18).

5. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en la reivindicación 3, en la que el diafragma de apertura está ubicado en un sustrato, definiendo el sustrato una superficie curvada de espejo dispuesta de forma que refleje la luz hacia el detector (8).

6. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el detector (8) comprende un mosaico de fotodiodos.

7. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la perforación transparente conduce al aire.

8. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la perforación transparente conduce a un material transmisivo.

9. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en la reivindicación 8, en la que se calienta el entorno de la ranura hasta una temperatura justo por encima de la temperatura de rocío atmosférico.

10. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la lente (2) de formación de imágenes comprende una lente simple óptica y una lente doble separada por aire.

11. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la ranura (3) está ubicada de forma interna a la lente (2) de formación de imágenes.

12. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la ranura está ubicada de forma externa a la lente (2) de formación de imágenes.

13. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende uno o más espejos de calibración.

14. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un espejo de barrido ubicado en la ranura (3), en la que el espejo de barrido permite que se barra el campo de visión de la ranura (3) a través del campo objeto.

15. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el colimador es afocal.

16. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la lente de enfoque (2) comprende una lente positiva y una lente correctora.

17. Una cámara modular hiperespectral (1) de formación de imágenes térmicas como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende, además, una camisa refrigerante para enfriar los componentes ópticos de la cámara modular hiperespectral de formación de imágenes térmicas, mejorando así la relación de señal a ruido de una imagen detectada.