Dispositivo de detección de radiación electromagnética de doble banda que comprende una antena espiral para la frecuencia baja (8),

obtenida a partir de una modificación de las zonas de una lente de Fresnel, y al menos un detector de alta frecuencia (9). En la zona central de la antena de baja frecuencia se coloca el elemento transductor como detector (1). La antena espiral (8) actúa como elemento difractor que focaliza la radiación de alta frecuencia sobre su plano de detección (6), en el que se sitúan uno o varios detectores. Los detectores están conectados a un circuito exterior para tratar la señal.Este sistema permite detectar simultáneamente radiación electromagnética en dos bandas muy separadas entre sí en frecuencia. El sistema permite mantener un único eje óptico (4) para ambas bandas y fabricar en un mismo dispositivo los detectores. El uso del elemento difractivo aumenta la señal obtenida por el detector de alta frecuencia

Dispositivo de detección de radiación electromagnética de doble banda.

Sector de la técnica

La presente invención se encuadra en el sector de las tecnologías ópticas y electrónicas. Más concretamente, se refiere a una invención para la detección de ondas electromagnéticas en dos bandas espectrales: la región de terahercios y el infrarrojo.

Objeto de la invención

La invención se refiere a un dispositivo capaz de detectar simultáneamente radiación en dos bandas del espectro electromagnético. En particular este detector sirve para la detección simultánea en la banda de ondas milimétricas o de terahercios, con frecuencias del orden de unos 100 GHz = 0,1 THz (rango de baja frecuencia para esta invención), y en la banda infrarroja, con frecuencias de unos 10 THz (rango de alta frecuencia para esta invención). El sistema de detección en el infrarrojo ve mejorada su respuesta por la acción de una lente difractiva que, debidamente modificada, actúa como detector de radiación para el rango de baja frecuencia.

Estado de la técnica

Los detectores de ondas milimétricas y de terahercios se han utilizado para detectar señales en condiciones de baja visibilidad como humo, neblina o nubes, o en la detección de objetos escondidos debajo de la ropa (ver por ejemplo las referencias L. Yujiri et al., Passive millimeter wave imaging, IEEE Microwave Magazine 4, 39-50, (2003), y H. Chen and P. K. Varshney, Automatic registration of infrared and millimeter-wave images for concealed weapon detection, Proc. SPIE 3719, 152-160, (1999)). Por su parte, los detectores de infrarrojo han sido utilizados para determinar la temperatura de objetos, tarea en la que proporcionan una mejor resolución que detectores a longitudes de onda más grandes.

Los detectores acoplados a antenas han sido utilizados con éxito para detectar tanto radiación en el espectro infrarrojo como ondas milimétricas, utilizando diferentes diseños sintonizados para cada longitud de onda (cf. F. J. González y G. D. Boreman, Comparison of dipole, bowtie, spiral and log-periodic IR antennas, Infrared Physics and Technology 46, 418-428, (2005), y E. N. Grossman et al., Concealed weapons detection using an uncooled millimeter-wave microbolometer system, Proc. SPIE 4719, 364-369 (2002)).

Con el objeto de incrementar el área de captura de detectores acoplados a antenas se han utilizado lentes de zonas de Fresnel. Las lentes de zonas de Fresnel, o lentes de Fresnel, consisten en la selección de determinadas regiones o zonas de la apertura de la lente, de manera que las contribuciones de las ondas electromagnéticas procedentes de estas zonas se suman para producir un aumento o concentración de la energía electromagnética por unidad de área. La región espacial donde se produce esta concentración se considera como el foco de la lente de Fresnel. Las lentes de Fresnel se han utilizado para enfocar radiación infrarroja sobre transductores de tamaño micrométrico acoplados a antenas espirales. En la referencia F. J. González, J. Alda, B. Ilic, G. D. Boreman, Infrared antennas coupled to lithographic Fresnel zone plate lenses, Applied Optics 43, 6067-6073, (2004) se ha demostrado prácticamente esta aplicación. Esta tecnología permite aumentar la señal eléctrica proporcionada por los detectores en el infrarrojo en varios órdenes de magnitud. A la vez, la lente de zonas de Fresnel puede grabarse mediante técnicas fotolitográficas sobre sustratos planos, proporcionando una forma de integrar en un mismo elemento físico el elemento detector y el sistema focalizador. En algunos ámbitos se denomina a este tipo de dispositivos antenas de zonas de Fresnel, aunque realmente el sistema focalizador que utiliza las zonas de Fresnel únicamente sirve como concentrador de la radiación incidente (H. Hristov, Fresnel Zones in Wireless Links, Zone Plate Lenses and Antennas, Artech House Pub. (2000), y Y. Jay Guo, Stephen K. Burton, Fresnel zone antennas, Kluwer Academic Pub. Group, (2002)).

La detección de la radiación electromagnética en varias bandas es un campo de gran actividad científica y tecnológica. La razón de este interés es el valor añadido que puede suponer la visualización de una determinada escena o fenómeno natural en varios rangos de longitud de onda. De hecho, la implementación de los algoritmos necesarios para incluir información procedente de diversas bandas ha venido en llamarse "fusión de sensores" (del inglés sensor fusión), abriendo oportunidades en la denominada "visión en realidad aumentada" para aplicaciones en todos los ámbitos, especialmente en biomedicina, ingeniería y defensa. Un paso esencial en este proceso es la detección a dos o más longitudes de onda. Hasta ahora se han obtenido resultados interesantes en la detección en dos longitudes de onda próximas entre sí, y también en bandas electromagnéticas distantes. Como ejemplo podemos citar la detección simultánea, mediante el mismo dispositivo, de la radiación infrarroja y la ultravioleta que se describe en A. G. U. Perera et al., Performance improvements of ultraviolet/infrared dual-band detectors, Infrared Physics and Technology 50, 142-148, (2007), y también dentro del infrarrojo de la detección de dos longitudes de onda (ver por ejemplo G. Parish et al., A Monolithic Dual-Band HgCdTe Infrared Detector Structure, IEEE Electron Device Letters 18, 352-354, (1997)) o de una diversidad de estados de polarización mediante detectores acoplados a antenas en la patente US 7095027 B1. En el ámbito de la detección simultánea de ondas milimétricas y del infrarrojo podemos citar la patente US7358497 B1.

Para aplicaciones como la detección de objetos ocultos y navegación en condiciones de poca visibilidad no existe actualmente un detector que pueda proporcionar información simultánea a dos longitudes de onda alejadas espectralmente una de la otra.

Descripción de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo de detección de radiación electromagnética capaz de detectar simultáneamente radiación en dos zonas separadas del espectro. La detección simultánea de dos longitudes de onda es un objetivo que ha de alcanzarse mediante una combinación adecuada de sistemas ópticos y sistemas transductores que conviertan la radiación electromagnética en una señal medible para las dos longitudes de onda de interés. Cuando estas dos longitudes de onda tienen frecuencias muy distintas es necesario, en ocasiones, utilizar mecanismos físicos de detección y sistemas ópticos independientes para cada longitud de onda. Esta invención emplea dos detectores independientes para la detección simultánea de radiación electromagnética en las regiones del infrarrojo o visible (del orden de 10 THz) y en la de terahercios o milimétrica (del orden de 100 GHz), que constituyen, respectivamente, las bandas de alta y baja frecuencia. El término doble banda se refiere en esta invención a esta combinación de rangos de frecuencia.

La antena acoplada al detector de baja frecuencia, gracias a su diseño como lente de Fresnel, actúa como un elemento difractivo para la radiación de alta frecuencia. La disposición de una lente difractiva basada en las zonas de Fresnel y un detector que incorpora una antena también se conoce en la literatura como antena de Fresnel. En la presente invención, el sistema de detección de alta frecuencia, que se encuentra en el plano focal del elemento difractivo de alta frecuencia, puede incluir una antena acoplada.

La ventaja del dispositivo de la invención es la mejora de la señal proporcionada por el detector en el infrarrojo y el hecho de que ambos dispositivos (en el infrarrojo y en la banda de terahercios) operan alineados. La mejora en la señal se obtiene al incluir un elemento difractivo con una forma básica de lente de Fresnel. Esta lente de Fresnel es modificada adecuadamente para convertirla en una antena espiral capaz de detectar radiación electromagnética en una frecuencia muy alejada de la focalizada. La lente de Fresnel modificada realiza un doble papel: concentra la radiación infrarroja sobre el elemento detector infrarrojo (respuesta en la banda de alta frecuencia), aumentando su respuesta, y resuena como una antena espiral a una frecuencia correspondiente a otra banda (respuesta en la banda de baja frecuencia), proporcionando una respuesta dual. Ambos elementos de detección operan alineados, de manera que se aprovecha la mayor intensidad de la radiación que atraviesa la lente de Fresnel en...

1. Dispositivo de detección de radiación electromagnética de doble banda, que comprende al menos un elemento detector de baja frecuencia (1) en forma de antena espiral, obtenido a partir de una placa zonal de Fresnel, que actúa como elemento difractivo que produce la concentración de la radiación de alta frecuencia sobre el plano de detección de alta frecuencia (6), y al menos un elemento detector de alta frecuencia (9), estando ambos elementos dispuestos sobre las dos superficies paralelas entre sí (5 y 6) de un material dieléctrico y transparente a la radiación de alta frecuencia con los centros de ambos detectores alineados, y estando ambos conectados mediante líneas de conexión independientes (2) a un circuito externo de lectura para ambas bandas.

2. Dispositivo de detección de radiación electromagnética de doble banda según la reivindicación 1 en el que el centro del detector de baja frecuencia está ocupado por un material bolométrico, o una unión metal-óxido-metal, o una unión metal-óxido-óxido-metal, o un material fotoconductivo o fotovoltaico.

3. Dispositivo de detección de radiación electromagnética de doble banda, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el detector de alta frecuencia (9) está constituido por un detector bolométrico, o una unión metal-óxido-metal, o una unión metal-óxido-óxido-metal o un material fotoconductivo o fotovoltaico.

4. Dispositivo de detección de radiación electromagnética de doble blanda, según la reivindicación 3, en el que el detector de alta frecuencia (9) está acoplado a una estructura resonante en forma de antena.

5. Dispositivo de detección de radiación electromagnética de doble banda, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende más de un elemento detector de alta frecuencia.

6. Dispositivo de detección de radiación electromagnética de doble banda, según la reivindicación 5, en el que el centro de la distribución de detectores de alta frecuencia se encuentra alineado con el centro del detector de baja frecuencia.