Guía sobre la integración rentable de lentes térmicas: Qué saber para aplicaciones de vehículos autónomos y de defensa

En total oscuridad, a través del humo, el deslumbramiento y la niebla, la termografía infrarroja (IR) es indispensable para los sistemas modernos de defensa y autónomos. Al permitir que los vehículos autónomos (AV) detecten peatones o amenazas por la noche o al proporcionar capacidades de detección críticas para vehículos aéreos no tripulados y operaciones contra UAS, la termografía se ha convertido en los “ojos” esenciales cuando fallan los sistemas de cámaras visibles.

Al alinear un sistema de cámara de IR con una aplicación, el diseño cuidadoso y adecuado de la lente es crucial. Al igual que las cámaras visibles, las capacidades de generación de imágenes de una cámara térmica dependen en gran parte de los atributos del conjunto de la lente: afecta al coste, el tiempo de producción y, lo que es más importante, al rendimiento.

El papel de la óptica en la calidad de la imagen de IR

Las lentes visibles de la cámara se componen de varios elementos con diferentes gafas para mitigar las aberraciones y proporcionar una imagen nítida en condiciones amplias. Las lentes térmicas emplean estructuras y materiales de lente únicos, pero difieren de los utilizados en cámaras digitales visibles debido a las limitaciones del detector y las limitaciones de material.

Los detectores IR de onda media (MWIR) y IR de onda larga (LWIR) detectan longitudes de onda mucho más largas emitidas por objetos calientes. Los píxeles del detector IR son grandes y el coste de producir incluso matrices de plano focal de baja resolución es mucho mayor que el de las cámaras visibles. El diseño de la lente térmica debe garantizar la utilización efectiva de cada píxel para que la calidad de la imagen no se vea comprometida por la lente, especialmente en aplicaciones de defensa y AV.

Las gafas convencionales bloquean la radiación IR, por lo que los sistemas térmicos requieren materiales de lente especializados, como germanio, silicio, selenuro de zinc o vidrio de calcogenuro. Estos materiales transmiten longitudes de onda MWIR y LWIR con una pérdida de señal mínima, mientras que los revestimientos antirreflectantes reducen aún más los reflejos de la superficie para maximizar la transmisión IR.

En general, las lentes térmicas deben ser muy eficientes a la hora de recopilar luz y mitigar el impacto de los factores ambientales, al tiempo que utilizan un conjunto limitado de materiales de lente para proyectar una imagen de alto contraste en la matriz del detector.

Tabla 1: Materiales de lentes y bandas de onda

Consideraciones ópticas clave para cámaras MWIR y LWIR

Los siguientes son términos ópticos clave para las cámaras térmicas, junto con definiciones de las especificaciones ópticas o requisitos críticos para el rendimiento del tamaño adecuado para la aplicación.

Longitud focal, campo de visión e IFOV: La longitud focal determina el campo de visión (FOV), la totalidad de una escena que una cámara puede capturar en la matriz de planos focales del sensor. Las distancias focales más cortas proporcionan vistas de gran angular, mientras que las más largas ofrecen vistas estrechas y ampliadas. El campo de visión instantáneo (IFOV) representa el detalle detectable más pequeño por píxel. La longitud focal equilibra la cobertura de la escena (FOV) y la resolución de detalles precisos (IFOV).

Figura 1. Visualización del campo de visión y la longitud focal (imagen: OEM de Teledyne FLIR)

F/Número y transmisión: El número F (f/#) es la relación de la distancia focal con el diámetro de apertura, controlando la cantidad de luz recopilada. Además, la difracción de la luz, que difumina la imagen, es proporcional a la longitud de onda multiplicada por el f/#. Un f/# más bajo significa un diafragma más grande y una mejor eficiencia lumínica, así como menos difuminado debido a la difracción. La transmisión mide la radiación térmica que llega al sensor. Tanto la baja f/# como la alta transmisión garantizan señales de sensor fuertes, aunque la baja f/# aumenta el peso, la complejidad y el coste de la lente.

Figura 2. Representación F/# (imagen: OEM de Teledyne FLIR)

Función de transferencia de modulación (MTF): Cuantifica la reproducción del contraste a varias frecuencias espaciales. Una MTF más alta produce imágenes más nítidas y una mejor detección de pequeñas diferencias de temperatura entre píxeles adyacentes.

Configuración estándar o de reimagen: Algunos LWIR y casi todos los planos focales MWIR se enfrían a bajas temperaturas durante el funcionamiento, lo que requiere una carcasa Dewar alrededor del plano focal. Por lo tanto, el tope de la lente debe colocarse cerca de la ventana Dewar. Esto suele requerir una nueva configuración de lente.

Figura 3. Los detectores no refrigerados (izquierda) suelen utilizar sistemas de lentes estándar y los detectores refrigerados (derecha) suelen requerir una lente de reimagen (imagen: OEM de Teledyne FLIR)

Banda de onda: Aunque ambas bandas detectan la radiación térmica, la emisión de calor corporal alcanza su máximo en el LWIR. Además, las cámaras LWIR a menudo funcionan a temperatura ambiente cuando se acoplan con una lente f/# baja. Las cámaras MWIR requieren planos focales refrigerados y son superiores para detectar fuentes de calor como motores o maquinaria. Su sensibilidad superior viene con una alta complejidad y coste, incluida la reimpresión de configuraciones de lentes. Dicho esto, los requisitos f/# son relajados y hay más materiales ópticos disponibles en MWIR.

Tres desafíos principales del diseño de lentes de la termografía

Los sistemas térmicos se enfrentan a tres desafíos principales de diseño: efectos de longitud de onda, requisitos de gestión térmica y restricciones de la cadena de suministro.

La difracción es la propagación de ondas en la entrada del objetivo, lo que afecta a la nitidez de la imagen en la matriz del plano focal. A medida que los píxeles del detector se hacen más pequeños, la lente f/# necesaria para garantizar el contraste de imagen entre píxeles adyacentes se reduce. Las longitudes de onda más cortas de MWIR muestran menos difracción, por lo que las aberturas F/3-F/5 que complementan la mayor sensibilidad de los detectores refrigerados producen un contraste de píxeles o MTF aceptable. La difracción de LWIR requiere aberturas F/1-F/2 más amplias para proporcionar contraste de píxeles; las aberturas de recopilación más grandes también compensan la menor sensibilidad de fotones de los sensores no refrigerados.

Los materiales de las lentes IR son sensibles a la temperatura. A menos que se controle, la mejor posición de enfoque puede cambiar con pequeños cambios de temperatura. Pero las cámaras térmicas deben proporcionar una imagen nítida en un rango de temperatura muy amplio. Las lentes mantienen el enfoque a través de dos enfoques de diseño. La atermalización pasiva utiliza materiales ópticos y mecánicos con expansión térmica compensadora para estabilizar el enfoque, ideal para sistemas compactos y ligeros. La atermalización activa emplea sensores de temperatura que controlan un ajuste de enfoque motorizado. Esto es adecuado para sistemas más grandes en los que se emplea el enfoque motorizado para la compensación de rango.

Los materiales de las lentes IR son cristales industriales de alta pureza o gafas de chalcogenida, todo con cadenas de suministro internacionales complejas. Las vulnerabilidades de la cadena de suministro agravan todos los desafíos técnicos descritos anteriormente. El suministro de germanio depende de las operaciones de refinado en países específicos. Las gafas de calcogenuro requieren azufre, selenio, arsénico y telurio más ampliamente comercializados, pero las operaciones de fabricación de vidrio siguen siendo geográficamente limitadas. Dado que la mayoría de los materiales de IR están sujetos a restricciones de suministro con riesgos geopolíticos, la diversificación de fuentes y el desarrollo de estrategias de mitigación son esenciales para la producción sostenible de lentes de IR.

Criterios de selección de lentes: Zoom fijo frente a continuo

La elección de lentes de campo de visión fijo o zoom continuo (CZ) representa una decisión de diseño fundamental que afecta al coste, la complejidad y la capacidad operativa.

Figura 4. Módulos de cámara MWIR (derecha) refrigerados con lente fija LWIR (izquierda) y CZ (imagen: OEM de Teledyne FLIR)

Las lentes de campo de visión fijo ofrecen una única simplicidad de distancia focal, con menos piezas móviles, lo que las hace más ligeras, asequibles y fiables que las lentes de zoom. Muchas de estas lentes están atermalizadas pasivamente, por lo que el enfoque se ajusta en la fábrica y el cliente nunca debe ajustarlas. Las configuraciones de gran angular (>60^o) capturan escenas más amplias con detalles reducidos, mientras que los diseños de distancia focal media (10 ^o-50^o) logran un equilibrio entre cobertura y aumento. Las variantes de teleobjetivo (<8^o) ofrecen un aumento más alto e IFOV capaz de identificar a largo alcance, pero requieren una mayor estabilización debido a una mayor sensibilidad al movimiento.

Las lentes CZ permiten un ajuste dinámico del campo de visión a través de sofisticados grupos de lentes móviles que mantienen el enfoque mientras cambian la distancia focal en rangos como 14-75 mm o 50-1000 mm, ideal para un entorno dinámico que requiere un gran campo de visión e IFOV minuto. Esta flexibilidad operativa conlleva un aumento sustancial de la complejidad y el coste. Las lentes IR CZ tienen un número significativamente mayor de componentes, así como zoom motorizado y accionamiento de enfoque que requieren electrónica de control.

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Figura 5. Lente MWIR 25-250 CZ plegada (izquierda) y lente MWIR 15-300 CZ (derecha) (imagen: OEM de Teledyne FLIR)

En resumen, los ingenieros de sistemas deben evaluar la aplicación y equilibrar la calidad de la imagen, las limitaciones de costes y las demandas de flexibilidad para determinar la configuración de lente más adecuada para una aplicación de cámara IR.

Optimización del rendimiento y la sensibilidad

La eficiencia de recopilación de luz de la lente afecta directamente a la diferencia de temperatura equivalente de ruido (NEdT), la métrica de sensibilidad clave para las cámaras MWIR y LWIR. NEdT mide la diferencia de temperatura detectable más pequeña en mili-quelvin. Por ejemplo, una cámara LWIR f/1,0 con un NEdT de 20 mK es 2,5 veces más sensible en comparación con una cámara f/1,55 a 50 mK, aunque la sensibilidad no es estrictamente lineal con NEdT.

El diseño óptico afecta fundamentalmente al rendimiento de la cámara. Los valores f/# más bajos permiten una mayor transmisión de energía, lo que mejora la claridad de la imagen y la sensibilidad. Los materiales de los elementos y las capas de AR deben maximizar la radiación infrarroja que llega al detector. Las lentes de alta calidad con aberraciones mínimas garantizan un alto MTF, mientras que la distancia focal establece el rango de aumento y detección.

Consideraciones de integración y perspectivas futuras

El desarrollo de lentes térmicas sigue evolucionando hacia diseños más pequeños, ligeros y rentables, a la vez que se reduce la dependencia de materiales raros como el germanio para la sostenibilidad económica. Este progreso ampliará el uso de la termografía en aplicaciones audiovisuales y de defensa para ver a través de la oscuridad, así como en lugares oscuros como la niebla o el humo.

Una integración exitosa requiere comprender las relaciones fundamentales entre las opciones de diseño óptico y el rendimiento del sistema. Las limitaciones de material, los efectos específicos de longitud de onda y los requisitos de gestión térmica crean interdependencias que afectan a cada aspecto de la capacidad del sistema. Ya sea desarrollando sistemas de defensa, vehículos autónomos o soluciones de supervisión industrial, el diseño óptico óptimo sigue siendo crucial para maximizar la efectividad de la termografía.

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