Un método para detectar, formar imágenes, localizar y visualizar un objeto que emite o refleja radiación UV en un entorno iluminado a un nivel hasta una iluminación exterior diurna,

comprendiendo el método:

- formar imágenes simultáneamente de una escena sospechosa de contener un objeto que emite o refleja radiación UV mediante dos unidades de formación de imagen separadas, una primera unidad de formación de imagen UV insensible a la luz solar (SBUV) (1) que forma imágenes en la banda espectral SBUV y que comprende un filtro insensible a la luz solar (11) y un fotocátodo UV (13a), y una segunda unidad de formación de imagen visible o IR (2) que forma imágenes en el intervalo espectral visible o IR respectivamente, en el que dicha formación de imágenes simultáneas implica la recogida de radiación procedente de la escena a través de un eje óptico común (1a', 2a'), y usar un divisor de haz (4) que está ubicado en el extremo de dicho eje óptico común (100), dividir la radiación dentro de dichas dos unidades de formación de imagen separadas, dicho divisor de haz es altamente reflectante en la porción ultravioleta del espectro óptico, y altamente transmisivo en la porción visible del espectro óptico; y

- combinar (3) las imágenes tal como son obtenidas por dicha formación de imágenes simultánea en un eje óptico común (1a, 2a), superponiendo de una manera que minimice el desplazamiento de imagen una primera imagen obtenida a partir de dicha primera unidad de formación de imagen (1) sobre una segunda imagen obtenida a partir de dicha segunda unidad de formación de imagen (2) para formar así una imagen visual combinada y superpuesta que muestra la reflexión o la radiación UV en su posición dentro del escenario de fondo de la escena visible o IR respectivamente, y sin paralaje debido a dicha recogida de radiación procedente de la escena a través de un eje común y el uso del divisor de haz.

Aparato y cámara de visión UV insensibles a la luz solar.

Campo de la invención La presente invención se refiere a medios para detectar y ver fuentes de emisión ultravioleta. Más particularmente, la invención se refiere a medios biespectrales para ver y representar visualmente fuentes de ultravioleta (UV) con la imagen visible de su fondo.

Antecedentes de la invención

La formación de imágenes de emisión de UV es ventajosa para una amplia variedad de usos, particularmente donde el UV es la única emisión de luz, o la más dominante, como las descargas eléctricas (corona) en líneas de alta tensión, el resplandor de Cherenkov en las protecciones nucleares y el plasma.

En muchas aplicaciones, como la detección de fuego desde larga distancia donde la emisión de UV no es dominante, la formación de imágenes de la emisión de UV aun así puede proporcionar una ventaja significativa debido a los bajos niveles de ecos parásitos y fondo en el UV. La formación de imágenes de fuentes de UV activas también puede aplicarse para propósitos de rastreo e identificación. La invención se refiere a la visualización de imágenes UV insensibles a la luz solar (en lo sucesivo "SBUV") y la combinación de las imágenes SBUV con la imagen de la escena visible. Por lo tanto, se le denominará como formación de imágenes UV insensible a la luz solar visible biespectral (en lo sucesivo "VSBUV") .

La región ultravioleta se divide normalmente en tres secciones: UVc, de 200 a 280 nm; UVb, de 280 a 320 nm; y UVa, de 320 a 380 nm. Cuando se mide en las bandas UV seleccionadas, la eficiencia de bloqueo de la radiación en las porciones UV restantes del espectro, y en los intervalos espectrales visible e infrarrojo (en lo sucesivo: "IR") , es crucial.

El denominado intervalo "insensible a la luz solar", UV insensible a la luz solar (SBUV) , en la región del UVc es el intervalo entre 240 nm y 280 nm. En este intervalo, debido a la capa de ozono en la estratosfera, la radiación solar es bloqueada completamente y la radiación de fondo en la superficie de la tierra es cero. Esta ausencia de radiación de fondo puede utilizarse para detectar una imagen a niveles de emisión de UV extremadamente débiles. Incluso con la irradiación de SBUV de fotones individuales, la relación de señal a fondo alcanzable puede ser mucho mejor que en la detección en otras regiones espectrales. El intervalo insensible a la luz solar se utiliza para detectar señales UV de llamas y penachos (por ejemplo, en la patente de EE.UU. nº 5.021.668) . Esta situación también puede utilizarse para la detección temprana de incendios forestales, o para la detección de incendios en fábricas y plantas industriales. Además puede utilizarse para detectar fuentes de luz artificial, chispas de corona, y emisiones de Cherenkov. La transmisión de señales UV en aplicaciones de comunicaciones a corta distancia también es factible, tal como se describe, por ejemplo, en la patente de EE.UU. nº 4.731.881.

Se sabe que los incendios de combustible y madera pueden ser detectados a plena luz del día usando fotomultiplicadores insensibles a la luz solar con fotocátodos de CsTe, RbTe o CsRbTe equipados con filtros insensibles a la luz solar [M. Lindner y otros, "UV Devices for Solar Blind and Background Limited Detection", SPIE 3110, págs. 527 - 534 (1997) ]. Así, un sistema de detección de incendios basado en un fotomultiplicador insensible a la luz solar puede ser un valioso sistema de seguridad y alarma para proteger instalaciones como hangares, fincas de cisternas de combustible, y gasolineras. Sin embargo, cuando se usa un fotomultiplicador para medir la radiación de una llama en la región "insensible a la luz solar" del UVc, la fuga de luz solar de incluso fotones individuales dentro del detector puede hacer poco fiable la medición. Por lo tanto, el uso de un filtro insensible a la luz solar que transmita luz sólo en el intervalo insensible a la luz solar es crítico. La detección UV en el intervalo insensible a la luz solar es particularmente valiosa para la detección de "llamas no vistas", que tienen baja emisión visible e IR, pero considerable emisión de UV. Estas incluyen llamas procedentes de combustibles como el hidrógeno, diversos alcoholes y combustibles metalizados. El hidrógeno líquido, usado hoy en día en naves espaciales, se considera como un futuro combustible comercial, y por lo tanto, la detección de las llamas de H2 será de importancia en el futuro. Los sistemas de alarma antiincendios que usan sistemas de formación de imágenes también son ventajosos.

La detección temprana de fugas eléctricas puede ser ventajosa para las empresas de servicios eléctricos en la prevención de fallos del sistema de transmisión. La detección de descargas en corona y parciales en los aisladores y otros equipos en los sistemas de transmisión de alta tensión es difícil. Los fenómenos de emisión de UV procedente de la corona, que se produce ya en las primeras etapas de la fuga es bien conocida y fue estudiada en detalle [F. Grum y otros, "Spectral Emittance of Corona Discharges", Applied Optics Vol. 15, págs. 76 - 79 (1976) ]. La descarga en corona emite radiación UV en el intervalo de 200 a 430 nm. Estas descargas son invisibles a plena luz del día. La radiación UV - v, concretamente la radiación a longitud de onda de 380 - 430 nm, es visible durante la noche pero la inspección y operación nocturna de los equipos de mantenimiento no se ve favorecida por las compañías de servicios eléctricos. Debería observarse que el uso de los dispositivos existentes de visión y formación de imágenes UV está restringido a la noche o la tarde. En las mediciones en el exterior bajo condiciones de luz diurna, la fuga de luz solar dentro del detector es mucho mayor que la emisión en corona, haciendo imposible la visión. El uso de helicópteros de inspección que vuelan a baja altitud está descartado durante la noche y la operación de grupos de mantenimiento por la noche está restringida debido a diversas dificultades técnicas y problemas de seguridad.

La detección de la corona de descarga con un fotomultiplicador equipado con una ventana transmisora de UV ya fue sugerida en 1973 [T.H. Teich "Locating Corona Points by Detection of their UV Emittance", Conference on Diagnostic Testing of High Voltage Systems, nº 1215109, págs. 26 - 30 (1973) ]. La detección de la corona a plena luz del día puede hacerse posible mediante el uso de un fotomultiplicador insensible a la luz solar y un filtro insensible a la luz solar, tal como se describe en el documento GB 2.278.435. Aunque la emisión de las descargas en corona en el intervalo insensible a la luz solar (240 - 280 nm) es aproximadamente dos órdenes de magnitud inferior a la emisión en el intervalo UVa, debido a bajos ecos parásitos procedente del entorno y la ausencia de radiación solar en la superficie de la tierra en la banda insensible a la luz solar, la detección limitada a esta banda tiene la ventaja de una relación de señal a fondo mucho mejor que el intervalo UVa. La posibilidad de formación de imágenes de corona y fuego de combustible de gasolina a plena luz del día en la banda SBUV fue demostrada [M. Lindner y otros "Solar Blind Bandpass Filters for UV Imaging Devices", SPIE 3302, páginas 176 - 183 (1988) ].

Además, un sistema que incluye lámparas UV y una cámara insensible a la luz solar ya ha resultado eficiente en aplicaciones de navegación en niebla y condiciones lluviosas, por ejemplo en el documento USP 5.719.567. La presente invención facilita el rastreo visual de objetivos, por ejemplo, el rastreo de un vehículo que lleva una lámpara UV. Las huellas dactilares, las manchas como sangre, semen y saliva, o los rastros de aceites y otros materiales que son invisibles a simple vista pueden detectarse iluminándolos con luz ultravioleta y formando la imagen de la luminiscencia reflejada [por ejemplo, el documento de Gui Qiang W., "Detecting and Enhancing Latent Fingerprints with Short Wave UV Reflection Photography", Actas del Simposio sobre detección e identificación de huellas dactilares, Neurim (Israel) , junio de 1995, págs. 37 - 49; y el documento de E. Springer y otros "Detection of Dr y Body Fluids by Inherent Short Wavelength UV luminiscence: Preliminar y results", Foresinc Sci. Int. 66, págs. 89 - 94 (1994) ].

Hay algunos dispositivos conocidos para ver la emisión de UV, particularmente para detectar la emisión de UV relacionada con la corona. Algunos de estos dispositivos, usando un filtro de banda relativamente ancha, adquieren una imagen de la escena, incluyendo la emisión de UV en corona y el espectro visible del entorno.... [Seguir leyendo]

1. Un método para detectar, formar imágenes, localizar y visualizar un objeto que emite o refleja radiación UV en un entorno iluminado a un nivel hasta una iluminación exterior diurna, comprendiendo el método:

- formar imágenes simultáneamente de una escena sospechosa de contener un objeto que emite o refleja radiación UV mediante dos unidades de formación de imagen separadas, una primera unidad de formación de imagen UV insensible a la luz solar (SBUV) (1) que forma imágenes en la banda espectral SBUV y que comprende un filtro insensible a la luz solar (11) y un fotocátodo UV (13a) , y una segunda unidad de formación de imagen visible o IR (2) que forma imágenes en el intervalo espectral visible o IR respectivamente, en el que dicha formación de imágenes simultáneas implica la recogida de radiación procedente de la escena a través de un eje óptico común (1a´, 2a´) , y usar un divisor de haz (4) que está ubicado en el extremo de dicho eje óptico común (100) , dividir la radiación dentro de dichas dos unidades de formación de imagen separadas, dicho divisor de haz es altamente reflectante en la porción ultravioleta del espectro óptico, y altamente transmisivo en la porción visible del espectro óptico; y

- combinar (3) las imágenes tal como son obtenidas por dicha formación de imágenes simultánea en un eje óptico común (1a, 2a) , superponiendo de una manera que minimice el desplazamiento de imagen una primera imagen obtenida a partir de dicha primera unidad de formación de imagen (1) sobre una segunda imagen obtenida a partir de dicha segunda unidad de formación de imagen (2) para formar así una imagen visual combinada y superpuesta que muestra la reflexión o la radiación UV en su posición dentro del escenario de fondo de la escena visible o IR respectivamente, y sin paralaje debido a dicha recogida de radiación procedente de la escena a través de un eje común y el uso del divisor de haz.

2. Un método según la reivindicación 1, en el que la combinación (3) de las imágenes se lleva a cabo ópticamente (8) permitiendo a un observador (241) visualizar la imagen combinada; o en el que la combinación de las imágenes se realiza electrónicamente (244) y la imagen combinada se presenta visualmente al usuario en un dispositivo visualizador de vídeo (256) .

3. Un método según la reivindicación 1, en el que dicha formación de imágenes simultánea comprende la recogida de rayos de luz procedentes de la escena que abarcan al menos los espectros visible y UV insensible a la luz solar, y la separación (4) de los rayos de luz en los rayos de luz que están dirigidos (1a) a la unidad SBUV y en los rayos de luz que están dirigidos (2a) a la unidad de formación de imagen visible.

4. Aparato para detectar, formar imágenes, localizar y visualizar un objeto que refleja o emite radiación UV en un entorno iluminado a un nivel hasta una iluminación exterior diurna, comprendiendo el aparato:

- una etapa de formación de imágenes que comprende dos unidades de formación de imagen separadas (1, 2) , para recoger los rayos de luz (100) procedentes de una escena a través de un eje óptico común (1a´, 2a´) , abarcando los rayos de luz al menos un espectro visible o IR y un espectro UV insensible a la luz solar (SBUV) , la etapa de formación de imágenes también comprende un divisor de haz (4) que está ubicado en el extremo de dicho eje óptico común el cual es altamente reflectante en la porción ultravioleta del espectro óptico y altamente transmisivo en la porción visible del espectro óptico, dicho divisor de haz divide los rayos de luz recogidos en una unidad de formación de imagen SBUV (1) , y en una unidad de formación de imagen visible o IR respectivamente (2) ;

- comprendiendo dicha unidad de formación de imagen SBUV (1) :

a. un filtro óptico ultravioleta insensible a la luz solar (11) que permite la transmisión de radiación óptica sólo en un intervalo espectral UV insensible a la luz solar, y que absorbe la radiación óptica en todas las demás regiones espectrales;

b. medios para proporcionar una imagen SBUV que comprenden un sensor de imagen SBUV (13) para recibir la radiación óptica sólo en el intervalo espectral UV pasada a través de dicho filtro óptico ultravioleta insensible a la luz solar (11) , y producir una primera imagen visual, que es la imagen UV insensible a la luz solar;

- recibiendo dicha unidad de formación de imagen visible o IR (2) respectivamente dichos rayos de luz procedentes de la escena y produciendo una segunda imagen visible, que representan el escenario de fondo visible o IR respectivamente de la escena; y

- medios de combinación (3) para recibir dicha primera imagen visual procedente de la unidad de formación de imagen SBUV (1) y dicha segunda imagen visible procedente de la unidad de formación de imagen visible o IR (2) respectivamente, y combinar por superposición dicha primera imagen visual sobre dicha segunda imagen visible de una manera que minimiza el desplazamiento de imagen para producir así una imagen visual combinada y superpuesta que muestra el dicho objeto que emite o refleja dicha radiación UV en su posición dentro del escenario de fondo visible o IR respectivamente, y sin paralaje debido a dicha formación de imágenes a través de un eje común y el uso de dicho divisor de haz (4) .

5. Aparato según la reivindicación 4, en el que la etapa de formación de imágenes comprende dos elementos de formación de imágenes, un primer elemento de formación de imágenes en la unidad UV (1) para producir la primera imagen del campo visual en la unidad SBUV y un segundo elemento de formación de imágenes en la unidad visible (2) para producir una segunda imagen del campo visual en la unidad visible (2) , en el que, preferentemente, el primer y el segundo elementos son lentes ópticas, en el que, preferentemente, el filtro óptico ultravioleta insensible a la luz solar (11) está colocado antes de la lente óptica (12) de la unidad SBUV, después de la lente óptica (12) de la unidad UV, o incorporado dentro de la lente óptica (12) de la unidad SBUV.

6. Aparato según la reivindicación 5, en el que la etapa de formación de imágenes comprende dicho divisor de haz

(4) que recibe rayos de luz procedentes del campo visual, y que divide los rayos de luz recibidos de manera que los haces (2a) que abarcan al menos el espectro visible son dirigidos hacia la unidad visible (2) , y los haces (1a) que abarcan al menos el espectro SBUV son dirigidos hacia la unidad SBUV (1) , en el que, preferentemente, el divisor de haz (4) es un divisor de haz dicroico.

7. Aparato según la reivindicación 4, en el que el sensor de imagen (13) en la unidad SBUV además comprende una primera lente (12) para recibir la radiación del intervalo espectral insensible a la luz solar que pasa a través del filtro óptico ultravioleta insensible a la luz solar (11) y para producir una imagen UV insensible a la luz solar sobre el plano de imagen de la primera lente.

8. Aparato según la reivindicación 4, en el que el sensor de imagen UV (13) es una pantalla fluorescente; o en el que el sensor de imagen UV (13) es un intensificador de imagen UV insensible a la luz solar; o en el que el sensor de imagen UV (13) se selecciona de entre un CCD, un BCCD, un EBCCD, un ICCD, un MCP - PMT que tiene ánodos múltiples.

9. Aparato según la reivindicación 5, en el que la unidad de imagen visible comprende un sensor de imagen seleccionado de entre el CCD, el CMOS, el CID que recibe la imagen visible, y que produce segundas señales electrónicas que describen dicha imagen.

10. Aparato según la reivindicación 4 en el que la imagen visual combinada (244) se obtiene mediante mezcla aritmética, mezcla no aritmética, modulación de luminancia o modulación de crominancia, combinando dichas primera y segunda señales electrónicas; o que además comprende un dispositivo visualizador (256) para representar visualmente la imagen visual combinada; o que además comprende una cámara fotográfica o una grabadora electrónica para grabar la imagen visual combinada (244) ; o que además comprende medios ópticos pasivos (12) y un intensificador de imagen UV (13) para permitir a un operador del aparato ver la imagen visual combinada.

11. Aparato según la reivindicación 5, que además comprende una unidad de procesamiento (260) para procesar señales electrónicas que describen la imagen UV, la imagen visible o IR o la imagen combinada, para mejorar el contraste entre la imagen UV y la imagen visible o IR en la imagen visual combinada, o para la eliminación de ruido, la identificación de emisores de UV en el campo visual, o la captación de eventos UV transitorios en el campo visual.

12. Aparato según la reivindicación 11, en el que la unidad de procesamiento (260) es una unidad de procesamiento digital; o en el que la unidad de procesamiento (260) es una unidad de procesamiento analógica; o que además comprende medios para proporcionar una alerta en cuanto que la detección de radiación SBUV es superior a un nivel umbral predefinido; o que además comprende medios para iniciar la acción en cuanto que la detección de radiación SBUV es superior a un nivel umbral predefinido.

13. Aparato según la reivindicación 12, en el que la acción es el inicio del extintor de incendios; o en el que la acción es la documentación de eventos emisores de UV en el campo visual.

14. Aparato según la reivindicación 4 en el que la combinación (3) de la imagen visible de la imagen UV, insensible a la luz solar, del campo visual y la imagen producida por la unidad visible o IR se lleva a cabo ópticamente mediante un combinador de haz dicroico que ve simultáneamente dichas imágenes.

15. Aparato según la reivindicación 14, realizado en una forma monocular o binocular.

16. Un método según la reivindicación 1, para detectar, formar imágenes, localizar y visualizar un objeto que emite radiación UV en el que la radiación UV está causada por descarga eléctrica.

17. Aparato según la reivindicación 5, para detectar, formar imágenes, localizar y visualizar un objeto que emite radiación UV causada por descarga eléctrica.

18. El método según la reivindicación 1 para detectar, formar imágenes, localizar y visualizar un objeto que emite radiación UV causada por combustión.

19. El método según la reivindicación 1 para detectar, localizar y rastrear, mientras están en movimiento, objetos que están provistos de una fuente de luz que emite radiación UV.

20. El método según la reivindicación 1 para formar imágenes y monitorizar un fenómeno que produce emisión de UV, en el que, preferentemente, el fenómeno es una radiación de Cherenkov o en el que, preferentemente, los fenómenos producen emisiones de UV transitorias.

21. El método según la reivindicación 1 para la formación de imágenes visuales de los reflejos procedentes de objetos iluminados por fuentes de luz UV, en el que, preferentemente, los objetos iluminados por las fuentes UV son huellas dactilares o manchas de fluido.

22. Aparato según la reivindicación 4 para detectar radiación UV procedente de combustión.

23. Aparato según la reivindicación 4 para detectar y localizar y rastrear objetos que están provistos de una fuente de luz que emite radiación UV.

24. Aparato según la reivindicación 4 para detectar, formar imágenes y monitorizar un fenómeno que produce emisión de UV, en el que, preferentemente, el fenómeno es una radiación de Cherenkov o en el que, preferentemente, el fenómeno produce emisiones de UV transitorias.

25. Aparato según la reivindicación 4 para detección y formación de imágenes visuales de reflejos procedentes de objetos iluminados por fuentes de luz UV, en el que, preferentemente, los objetos iluminados por las fuentes UV son huellas dactilares o manchas de fluido.