SISTEMA ÓPTICO MULTIESPECTRAL DE AMPLIO CAMPO.

Sistema óptico capaz de funcionar en varias bandas espectrales,

entre ellas las bandas visible e IR lejana, una vía espectral estando asociada a una banda espectral, que comprende: - un grupo óptico de cabeza (1) dióptrica convergente común a dichas bandas espectrales, que incluye materiales transparentes en dichas bandas espectrales a base de vidrios calcohalogenuros basándose en un sistema por lo menos ternario y con contenido de azufre, - un separador (2) de las vías espectrales posteriormente al grupo de cabeza, - en cada vía espectral: i. un relé dióptrico (3A, 3B) convergente de corrección de las aberraciones cromáticas y geométricas, ii. un sensor bidimensional (4A, 4B) capaz de suministrar una señal, - un mezclador (10) de las señales procedentes de cada sensor

El ámbito de la invención es el de los sistemas ópticos multiespectrales de amplio campo, capaces de funcionar más concretamente en las bandas espectrales visible y próxima infrarroja (0,4 µm-1,1 µm), infrarroja media, banda II (3 µm-5 µm) e infrarroja lejana, banda III (8 µm-12 µm).

Estos sistemas se utilizan especialmente en equipos ópticos portátiles, y permiten acoplar, por ejemplo, una imagen térmica a una vía que incluye un tubo de intensificación de luz denominado tubo IL. Las imágenes visibles/IR, como las suministradas por un tubo IL y las proporcionadas por un detector IR lejano (8-12 µm) ofrecen información adicional. La vía IL, de amplio campo (de 30 a 60º), ayuda al desplazamiento de noche, mientras que la vía térmica permite descubrir objetivos calientes, por ejemplo ocultos entre la vegetación.

Generalmente, estos sistemas incluyen dos canales de entrada disociados, respectivamente dedicados a cada banda espectral: por lo tanto, se penaliza a las acumulaciones y las masas de los materiales. Además, al apuntar a corta distancia, existe un fenómeno de desdoblamiento de imagen, la paralaje, ligado al desfase entre los ejes ópticos de los canales de entrada. Para evitar estos inconvenientes, se conoce la utilización de un sistema de entrada única.

Existe un sistema SWIR (0,9 µm-1,8 pm)/LWIR (8 µm-12µm) de entrada única descrito en las patentes US 6 999 231 y US 2005/200946 A1. La óptica de cabeza en ZnSe es divergente, lo que aumenta el volumen del sistema. Después de la entrada, las dos vías IR están separadas por un cubo grueso que incluye en la vía SWIR un espejo convergente y una cara de salida divergente. En este cubo-separador, la reflexión directa es soportada por la vía LWIR y se polariza la transmisión en la vía SWIR, lo que significa que se pierde la mitad de la luz incidente sobre dicha vía. Además, este sistema no está adaptado a la banda espectral visible. Finalmente, este sistema no es compatible con las grandes aberturas (del orden de F/1,5 a F/1) requeridas por los equipos portátiles manos libres.

En la publicación SPIE Vol. 1013 “Wide Waveband Infra-red Optics” se describe otro sistema. Se trata de un sistema con entrada y ópticas únicas sin separación de las vías y, por lo tanto, muy sensible a las aberraciones cromáticas.

La reducción de las aberraciones cromáticas impone la utilización de varios materiales distintos. Los materiales transparentes en lo visible y lejano infrarrojo son a base de cristal natural o de síntesis. En la categoría de los halogenuros, se encuentra el NaCl, el NaF, el KCI, el KBr, el KI, el CSI, el CsBr, el AgCl, el KRS5 y el KrS6. Suelen estar asociados a propiedades mecánicas mediocres (escasa dureza Knoop), algunos son solubles y, con excepción de los Bromo-ioduro de talio, presentan escasos índices de refracción, lo que no es favorable a la corrección de las aberraciones geométricas. Sus mediocres propiedades mecánicas y, para algunos, su toxicidad, han descartado su empleo en aplicaciones industriales o militares. El ZnSe, que no cubre completamente la banda visible (no transmite la parte inferior de la banda visible) y, sobretodo, el ZnS realizado mediante CVD acrónimo de la expresión anglosajona “Chemical Vapor Deposition” y mediante una purificación para eliminar los compuestos híbridos Cinc de la estructura cristalina, son los únicos de uso corriente e industrial.

Por consiguiente, a fecha de hoy, sigue existiendo la necesidad de un sistema que simultáneamente satisfaga al conjunto de exigencias mencionadas, es decir que funcione por lo menos en las bandas espectrales visible e IR lejana, y se adapte a equipos portátiles manos libres, es decir compactos, que requieren un amplio campo y una abertura importante.

Más concretamente, la invención tiene por objeto un sistema óptico capaz de funcionar en varias bandas espectrales, entre ellas las bandas visible e IR lejana, asociándose una vía espectral a una banda espectral. Comprende:

Se obtiene así un sistema de fusión de sensores de amplio campo, compacto, ligero y sin paralaje. Además, la presencia de los relés traseros dispensa de un objetivo super-acromático que debería corregirse del cromatismo en un amplio espectro que envuelve el conjunto de las bandas espectrales.

Además, los materiales utilizados son más variados que los descritos en la técnica anterior y más fáciles de emplear.

Según una característica de la invención, el o los relés de corrección incluyen materiales transparentes en su banda espectral basados en dichos vidrios calcohalogenuros.

Según otra característica de la invención, el grupo de cabeza incluye una red difractiva cuya profundidad e de los escalones es sensiblemente igual a λm(n-1), siendo λm la longitud de onda media de la banda inferior, n, el índice de refracción del substrato. Dicha profundidad e maximiza el rendimiento de difracción de la banda inferior. Asimismo, siendo un relé de corrección capaz de funcionar en la banda espectral más baja y el otro relé en la banda espectral más alta, cada relé de corrección puede incluir una red difractiva cuya profundidad e de los escalones es sensiblemente igual a λm(n-1), siendo λm la longitud de onda media de la banda de funcionamiento de dicho relé, de manera asimismo a maximizar el rendimiento de difracción.

El mezclador puede ser óptico, analógico o digital.

Preferiblemente, el separador es capaz de reflejar la o las bandas espectrales inferiores y de transmitir la banda espectral superior.

Según un modo de explotación de la invención, el sistema es biespectral; la primera banda espectral está incluida por ejemplo entre 0,4 µm y 1,1 µm y la segunda banda espectral está incluida entre 7,5 µm y 14 µm o entre 3 µmy5 µm.

Otras características y ventajas de la invención aparecerán mediante la lectura de la siguiente descripción detallada, realizada a título de ejemplo no limitativo y en referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

- la figura 1 representa esquemáticamente un primer ejemplo de sistema biespectral según la invención, que incluye un sensor visible clásico,

- la figura 2 representa esquemáticamente un segundo ejemplo de sistema biespectral según la invención, que incluye un tubo de intensificación de luz como sensor en la banda visible,

- la figura 3 representa esquemáticamente una variante del segundo ejemplo de sistema biespectral según la invención, donde la fusión de las imágenes procedentes de los sensores se efectúa óptimamente,

- la figura 4 ilustra dos ejemplos de superposición de los campos apuntados según dos vías espectrales,

- la figura 5 representa esquemáticamente en línea, tras el despliegue y por separado las vías A y B de un ejemplo de sistema biespectral según la invención,

- la figura 6 representa esquemáticamente el criterio elegido para evaluar la calidad óptica solicitada a la óptica de la vía A, habida cuenta de las dimensiones elementales del píxel en esta banda,

- la figura 7 proporciona los rendimientos de difracción de una red en los órdenes 3, 2, 1, -1, -2 y -3 para una longitud de onda igual a 10 µm, cuando se optimiza la profundidad de dicha red para la banda visible.

Entre una figura y otra, los mismos elementos llevan las mismas referencias.

Para resolver los problemas de paralaje descritos anteriormente, el sistema según la invención incluye una entrada única.

La parte óptica de la cabeza multiespectral 1 aporta cierta potencia óptica de manera que los rayos se desvíen progresivamente hacia los detectores en un volumen restringido.

Para campos moderados (< 10º), se pueden plantear ópticas con espejo. Por el contrario, para proporcionar una entrada común cualquiera que sea la longitud de onda, siendo... [Seguir leyendo]

1. Sistema óptico capaz de funcionar en varias bandas espectrales, entre ellas las bandas visible e IR lejana, una vía espectral estando asociada a una banda espectral, que comprende:

2. Sistema óptico según la reivindicación anterior, caracterizado porque el o los relés de corrección (3A, 3B) incluyen materiales transparentes en su banda espectral basados en halogenuros.

3. Sistema óptico según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el grupo de cabeza (1) incluye una red difractiva cuya profundidad es inferior a 5 veces la longitud de onda media de la banda espectral superior, porque la red es capaz de funcionar en el orden 1 o -1 en la banda inferior y que la profundidad e de los escalones es sensiblemente igual a λm/(n-1), siendo λm la longitud de onda media de la banda inferior, n, el índice de refracción del sustrato.

4. Sistema óptico según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un relé de corrección (3A) es capaz de funcionar en la banda espectral más baja y el otro relé de corrección (3B) es capaz de funcionar en la banda más alta, uno de estos relés de corrección o los dos (3A y/o 3B) incluyen una red difractiva capaz de funcionar en el orden 1 o -1 y que la profundidad e de los escalones es sensiblemente igual a λm/(n-1), siendo λm la longitud de onda media de la banda de funcionamiento del relé A y/o B, n, el índice de refracción del sustrato.

5. Sistema óptico según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el mezclador es óptico, analógico o digital.

6. Sistema óptico según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el separador (2) es capaz de reflejar la o las bandas espectrales inferiores y transmitir la banda espectral superior.

7. Sistema óptico según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema es biespectral.

8. Sistema óptico según la reivindicación anterior, caracterizado porque la primera banda espectral está incluida entre 0,4 µm y 1,1 µm y la segunda banda espectral está incluida entre 7,5 µm y 14 µm.

9. Sistema óptico según la reivindicación 7, caracterizado porque la primera banda espectral está incluida entre 0,4 µm y 1,1 µm y la segunda banda espectral está incluida entre 3 µmy5 µm.

10. Sistema óptico según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el separador (2) es una lámina de caras planas paralelas, o una lámina delgada prismática, o un cubo macizo.

11. Sistema óptico según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sensor (4B) de la banda espectral visible es una cámara CCD o CMOS, o un tubo de intensificación de luz o una cámara de bajo nivel de luz.

12. Sistema óptico según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sensor (4A) de la banda espectral IR es una matriz bidimensional refrigerada o no refrigerada.

13. Sistema óptico según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque incluye además, posteriormente al mezclador, un dispositivo de visualización (11) y por lo menos un ocular (9).

14. Sistema óptico según la reivindicación 1 en el que los vidrios de calcogenuros son los sistemas ternarios GeS2Ga2S3-CsCl, La2S3-Ga2S3-CsCl o La2S3-Ga2S3-Rbl. - un grupo óptico de cabeza (1) dióptrica convergente común a dichas bandas espectrales, que incluye materiales transparentes en dichas bandas espectrales a base de vidrios calcohalogenuros basándose en un sistema por lo menos ternario y con contenido de azufre, - un separador (2) de las vías espectrales posteriormente al grupo de cabeza, - en cada vía espectral: i. un relé dióptrico (3A, 3B) convergente de corrección de las aberraciones cromáticas y geométricas, ii. un sensor bidimensional (4A, 4B) capaz de suministrar una señal, - un mezclador (10) de las señales procedentes de cada sensor.