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

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

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

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

Los lentes de cámara visibles están compuestos por múltiples elementos con diferentes anteojos para mitigar las aberraciones y proporcionar una imagen nítida en condiciones amplias. Los lentes térmicos emplean estructuras y materiales únicos, pero difieren de los utilizados en cámaras digitales visibles debido a limitaciones del detector y restricciones de material.

Los detectores IR de onda media (MWIR) e 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 costo de producir incluso matrices de planos focales 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.

Los anteojos convencionales bloquean la radiación IR, por lo que los sistemas térmicos requieren materiales especializados para lentes, como germanio, silicio, selenuro de zinc o vidrio de calcogenida. Estos materiales transmiten longitudes de onda MWIR y LWIR con una pérdida de señal mínima, mientras que los recubrimientos antirreflectantes reducen aún más los reflejos superficiales para maximizar la transmisión IR.

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

Tabla 1: Bandas de onda y materiales de lentes

Consideraciones ópticas clave para las cámaras MWIR y LWIR

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

Longitud focal, FOV 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 plano focal del sensor. Las distancias focales más cortas proporcionan vistas gran angulares, 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 escena (FOV) y la resolución de detalles finos (IFOV).

Figura 1. Visualización de FOV y longitud focal (imagen: OEM de Teledyne FLIR)

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

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

Función de transferencia de modulación (MTF): Cuantifica la reproducción de contraste a diversas frecuencias espaciales. Un MTF más alto produce imágenes más nítidas y una mejor detección de diferencias menores de temperatura entre píxeles adyacentes.

Configuración estándar o de reimágenes: Algunos planos focales LWIR y casi todos los MWIR se enfrían a bajas temperaturas durante el funcionamiento, lo que requiere un recinto dewar alrededor del plano focal. Por lo tanto, el tope del lente debe colocarse cerca de la ventana dewar. Esto generalmente requiere una configuración de lente de reimágenes.

Figura 3. Los detectores no refrigerados (izquierda) generalmente emplean sistemas de lentes estándar y los detectores refrigerados (derecha) generalmente requieren una lente de reimágenes (imagen: OEM de Teledyne FLIR)

Banda de onda: Si bien ambas bandas detectan radiación térmica, la emisión de calor corporal alcanza su punto 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 alta complejidad y costo, incluida la reimágenes 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 las imágenes térmicas

Los sistemas térmicos enfrentan 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 de la lente, lo que afecta la nitidez de la imagen en la matriz del plano focal. A medida que los píxeles del detector se reducen, el lente f/# necesario para garantizar el contraste de la imagen entre los 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 borrosa de LWIR requiere aberturas F/1-F/2 más amplias para proporcionar contraste de píxeles; las aberturas de recolección más grandes también compensan la menor sensibilidad de fotón 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. Los 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 livianos. La atermalización activa emplea sensores de temperatura que controlan un ajuste de enfoque motorizado. Esto es adecuado para sistemas más grandes donde se emplea enfoque motorizado para la compensación de rango.

Los materiales de las lentes IR son cristales industriales de alta pureza o anteojos de calcogenuro, todos con cadenas de suministro internacionales complejas. Las vulnerabilidades de la cadena de suministro componen todos los desafíos técnicos descritos anteriormente. El suministro de Germanium depende de operaciones de refinación en países específicos. Los vidrios de calcogenida requieren azufre, selenio, arsénico y tecurio más ampliamente comercializados, pero las operaciones de fabricación de vidrio aún son geográficamente limitadas. Dado que la mayoría de los materiales 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 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 el costo, la complejidad y la capacidad operativa.

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

Los lentes FOV fijos ofrecen simplicidad de distancia focal única, con menos piezas móviles, lo que los hace más livianos, más asequibles y más confiables que los lentes con zoom. Muchos de estos lentes están pasivamente atermalizados, por lo que el enfoque se establece en la fábrica y nunca es necesario que el cliente los ajuste. 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 mayor aumento e IFOV capaz de identificarse a largo alcance, pero requieren mayor estabilización debido a una mayor sensibilidad al movimiento.

Los lentes CZ permiten el ajuste dinámico de FOV 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 FOV grande y un IFOV minuto. Esta flexibilidad operativa tiene una complejidad y un costo sustancialmente mayores. Los lentes IR CZ tienen cantidades significativamente mayores de componentes, así como zoom motorizado y accionamiento de enfoque que requieren electrónica de control.

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

En resumen, los ingenieros de sistemas deben evaluar la calidad de la imagen de aplicación y equilibrio, las restricciones de costos 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 recolección de luz de la lente afecta directamente la diferencia de temperatura equivalente al ruido (NEdT), la métrica de sensibilidad clave para las cámaras MWIR y LWIR. NEdT mide la diferencia de temperatura detectable más pequeña en mili-Kelvin. 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 el rendimiento de la cámara. Los valores f/# más bajos permiten una mayor transmisión de energía, lo que mejora la claridad y sensibilidad de la imagen. Los materiales de los elementos y los revestimientos AR deben maximizar la radiación infrarroja que llega al detector. Los lentes de alta calidad con aberraciones mínimas garantizan un alto MTF, mientras que la distancia focal establece el aumento y el rango de detección.

Consideraciones de integración y perspectivas futuras

El desarrollo de lentes térmicas continúa evolucionando hacia diseños más pequeños, livianos y rentables, al tiempo que reduce la dependencia de materiales raros como el germanio para la sostenibilidad económica. Este progreso ampliará el uso de imágenes térmicas en aplicaciones AV y de defensa para ver a través de la oscuridad, así como oscurecedores como la niebla o el humo.

La 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 que se desarrollen sistemas de defensa, vehículos autónomos o soluciones de monitoreo industrial, el diseño óptico óptimo sigue siendo crucial para maximizar la efectividad de las imágenes térmicas.

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