ITTO20000767A1

ITTO20000767A1 - Obbiettivo per sistemi di visione ad infrarosso.

Info

Publication number: ITTO20000767A1
Application number: IT2000TO000767A
Authority: IT
Inventors: Piero Perlo; Piermario Repetto; Claudia Bigliari
Original assignee: Fiat Ricerche
Priority date: 2000-08-01
Filing date: 2000-08-01
Publication date: 2002-02-01
Also published as: DE60102111T2; EP1178343A2; DE60102111D1; EP1178343B1; EP1178343A3; IT1320575B1; ITTO20000767A0; ES2213080T3

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Obbiettivo per sistemi di visione ad infrarosso"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un obbiettivo per sistemi di visione basati su infrarosso termico, In particolare, l'invenzione riguarda un obbiettivo destinato ad essere utilizzato m una termocamera infrarossa per focalizzare l'immagine infrarossa emessa dalla scena (bande: MWIR3-5 micron, LWIR8-14 micron) su una matrice di sensori del tipo "Focal Piane Array" (FPA). L'obbiettivo secondo la presente invenzione è stato sviluppato in particolare per l'utilizzo con sensori di tipo non raffreddato (UFPA), ad esempio bolometri resistivi, ferroelettrici, termoelettrici, ecc. L'obbiettivo secondo l'invenzione può comunque essere utilizzato anche con sensori di tipo raffreddato (sensori fotoconduttivi o fotovoltaici).

Con un sensore FPA di 320x240 pixel con dimensioni dell'area attiva pari a 16x12 irai e dimensioni del pixel di 50x50 micron, è necessario che le dimensioni del punto immagine prodotte dall'obbiettivo siano inferiori a 50 micron. Normalmente, gli obbiettivi per radiazioni infrarosse termiche comprendono una coppia di lenti di materiale semiconduttore quale ad esempio germanio, silicio, arsenuro di zinco, ecc. Questi materiali sono estremamente costosi e necessitano di una lavorazione meccanica di precisione.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire un obbiettivo per sistemi di visione basati su infrarosso termico, con alta risoluzione ed un costo sensibilmente inferiore rispetto a quello delle soluzioni note.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto da un obbiettivo avente le caratteristiche formanti oggetto della rivendicazione principale.

La presente invenzione verrà ora descritta dettagliatamente con riferimento ai disegni allegati, dati a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la Figura 1 è una vista laterale schematica di un obbiettivo secondo la presente invenzione,

- la Figura 2 è una vista in maggiore scala della parte indicata dalla freccia II nella figura 1,

- la Figura 3 è un grafico che illustra la risoluzione di obbiettivo secondo la presente invenzione, e

- la Figura 4 è una vista analoga alla figura 1 illustrante una variante dell'obbiettivo secondo 1'invenzione.

Con riferimento alla figura 1, un obbiettivo secondo la presente invenzione per sistemi di visione ad infrarosso termico è indicato con 10. L'obbiettivo 10 è basato sul principio di funzionamento del telescopio di tipo Cassegrain e comprende una finestra protettiva 12 preferibilmente costituita di silicio ma che potrebbe anche essere composta da Ge, ZnS, ZnSe, calcogenide AMTIR, TI o altro materiale trasparente alla radiazione infrarossa. L'obbiettivo 10 comprende inoltre uno specchio di Fresnel primario 14 ed uno specchio di Fresnel secondario 16. Lo specchio di Fresnel primario 14 riceve radiazioni infrarosse schematicamente indicate con IR provenienti dalla scena lungo direzioni sostanzialmente parallele ad un asse ottico A dell'obbiettivo e riflette tali radiazioni verso la specchio di Fresnel secondario 16. Lo specchio di Fresnel secondario 16 riflette a sua volta la radiazione infrarossa verso una lente 18 che focalizza la radiazione su un piano immagine contenente un sensore 20 ad esempio di tipo UFPA. Come è illustrato nella figura 2 fra le lente 18 ed il sensore 20 può essere disposta una finestra di germanio 21.

I due specchi di Fresnel 14, 16 sono preferibilmente costituiti di materiale plastico stampato (ad esempio policarbonato) di spessore ridotto, preferibilmente dell'ordine di 2-3 mm. Ciascuno specchio 14, 16 ha una superficie riflettente di forma asferica, simmetrica rispetto all'asse ottico A ed è munito sulla superficie riflettente di una serie di microrilievi anch'essi a simmetria rotazionale rispetto all'asse A. Gli specchi vengono ricoperti da uno strato di alluminio, argento od altro metallo in modo da renderli riflettenti alla radiazione infrarossa. Sebbene una forma di realizzazione preferita dell'invenzione preveda che gli specchi di Fresnel 14, 16 siano costituiti di materiale plastico stampato, tali specchi potrebbero anche essere ottenuti mediante lavorazione meccanica diretta.

La lente 18 può essere costituita di materiale semiconduttore come ad esempio Ge, ZnSe, ZnS, vetro calcogenide (ad esempio TI20, TI1173, AMTIRl , AMTIR3), o qualunque altro materiale semiconduttore o vetroso trasparente alla radiazione infrarossa. In un'altra forma di realizzazione, la lente 18 è una lente di Fresnel di polietilene ad alta densità (HDPE). Tale lente è preferibilmente piana, il che rende possibile ottenere spessori inferiori a 0,5 mm tramite stampaggio a caldo. La lente di Fresnel 18 può anche avere una forma sferica o asferica. In questo caso è necessario utilizzare una tecnica di stampaggio ad iniezione, il che comporta uno spessore minimo superiore a 0,5 mm e quindi una minore trasmittanza alla radiazione infrarossa.

La forma delle calotte asferiche degli specchi 14, 16, delle superfici della lente 18, la forma e la distribuzione dei microrilievi di Fresnel e la mutua distanza fra i vari elementi ottici dell'obbiettivo sono ottimizzate in modo da minimizzare le aberrazioni sul piano immagine contenente il sensore 20.

In una forma di realizzazione preferita dell'obbiettivo secondo l'invenzione, l'F numero (rapporto fra lunghezza focale effettiva e diametro della pupilla di ingresso) è pari a 0,8-1, il diametro della pupilla di ingresso (specchio 14) è pari a 80-90 mm, il diametro dello specchio 16 è pari a 55-65 mm (la corona circolare corrisponde ad una pupilla equivalente di diametro di circa 60 mm), gli specchi 14, 16 sono ad una distanza reciproca pari a 50-60 mm, la lente 18 è ad una distanza di 30-40 mm dallo specchio 16 ed il piano immagine 20 ad una distanza di 2-6 mm dalla lente 18.

Il grafico di figura 3 illustra la percentuale di energia'racchiusa in un pixel in funzione della semilarghezza del pixel (in micron) , con un obiettivo del tipo descritto in precedenza e per diversi angoli rappresentativi dell'intero campo di vista. La figura 3 mostra che, se si considera un pixel con dimensioni di 50x50 micron (semilarghezza del pixel 25 micron) la percentuale di energia racchiusa in ciascun pixel del sensore S è superiore al 90%. Ottimizzando i parametri del sistema è possibile ottenere dimensioni del punto immagine inferiori a 40 micron su un campo di vista di 12x9°.

L'obbiettivo descritto consente di ottenere prestazioni superiori a quelle di un obbiettivo con due menischi di germanio, ma con una riduzione di costo di parecchi ordini di grandezza. Ad esempio, utilizzando un sensore FPA di 320x240 pixel con dimensione dell'area attiva pari a 16x12 mm e dimensioni del pixel 50x50 micron, è necessario che le dimensioni del punto immagine siano inferiori a 50 micron su tutto il campo di vista. Per ottenere questa risoluzione con un obbiettivo con lenti di germanio, con F numero pari a 1,2, diametro della pupilla di ingresso pari a 70 mm e focale di 84 min occorre utilizzare tre lenti sferiche oppure due lenti con almeno una superficie di una delle due lenti asferica, il che implica un aumento del costo di fabbricazione.

L'obbiettivo 10 può essere munito di un rivestimento antiriflesso su entrambe le superfici della finestra di protezione 12 per massimizzare la transmittanza alla radiazione infrarossa. Lo specchio di Fresnel secondario 16 può essere incollato sulla finestra di protezione 12 con uno strato di adesivo. La lente 18 può essere inserita in un telaio (non illustrato) vincolato rigidamente allo specchio di Fresnel primario 4. Tale telaio può essere ricavato direttamente attraverso lo stampaggio ad iniezione dello specchio 14.

Nella figura 4 è illustrata una variante dell'obbiettivo secondo la presente invenzione, nella quale gli elementi corrispondenti a quelli precedentemente descritti sono indicati con gli stessi riferimenti numerici. Nella variante di figura 4 è stata introdotta una lente 22 di vetro calcogenide (ad esempio AMTIR1/3), preferibilmente costituita da una lente sferica convesso/piana. Le prestazioni del sistema così modificato si mantengono sostanzialmente inalterate.

L'obbiettivo secondo la presente invenzione può essere munito di dispositivi ausiliari quali ad esempio :

un'iride per modificare l'F numero dell'obbiettivo,

- un dispositivo di regolazione meccanica della distanza fra due degli elementi ottici 14, 16, 18 in modo tale da consentire una precisa messa a fuoco dell'immagine,

- un otturatore temporizzato per effettuare una ricalibrazione periodica della telecamera IR,

nervature o "baffles" previste sulla superficie interna dell'involucro per minimizzare le riflessioni della radiazione proveniente da angoli esterni al campo di vista.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Obbiettivo per sistemi di visione basati su infrarosso termico, caratterizzato dal fatto che comprende: uno specchio primario (14) disposto per ricevere radiazioni infrarosse (IR) lungo direzioni sostanzialmente parallele ad un asse ottico (A) dell'obbiettivo (10), uno specchio secondario (16) disposto per ricevere la radiazione infrarossa riflessa dallo specchio di Fresnel primario (14), e una lente (18) disposta per ricevere la radiazione riflessa dallo specchio di Fresnel secondario (16) e focalizzare tale radiazione su un piano immagine (20), - in cui almeno uno dei suddetti specchi (14, 16) è uno specchio di Fresnel.
2. Obbiettivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuno dei suddetti specchi (14, 16) è costituito da una calotta asferica simmetrica rispetto all'asse ottico (A).
3. Obbiettivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che ciascuno dei suddetti specchi è munito di una serie di microrilievi a simmetria rotazionale rispetto al suddetto asse ottico (A).
4. Obbiettivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i suddetti specchi di Fresnel sono costituiti di materiale plastico stampato ad iniezione.
5. Obbiettivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti specchi è ricoperto da uno strato metallico riflettente nei confronti della radiazione infrarossa.
6. Obbiettivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la suddetta lente (18) è costituita di materiale trasparente alla radiazione infrarossa, scelto nel gruppo comprendente: Ge, ZnSe, ZnS, vetro calcogenide.
7. Obbiettivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la suddetta lente (18) è una lente convesso/piana.
8. Obbiettivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la suddetta lente (18) è una lente di Fresnel in polietilene ad alta densità (HDPE).
9. Obbiettivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la suddetta lente di Fresnel è una lente piana con spessore inferiore a 0,5 xnm.
10. Obbiettivo secondo la rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto che la suddetta lente di Fresnel (18) ha superfici curve di forma sferica od asferica.
11. Obbiettivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende una finestra protettiva (12) di materiale trasparente alla radiazione infrarossa, il suddetto specchio di Fresnel secondario (16) è fissato ad una superficie interna di detta finestra protettiva (12).
12. Obbiettivo secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che la suddetta finestra (12) è di un materiale scelto nel gruppo comprendente silicio, solfuro di zinco (ZnS), germanio (Ge), seleniuro di zinco (ZnSe) e vetro calcogenide .
13. Obbiettivo secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che la suddetta finestra ha un rivestimento antiriflesso su entrambe le superiici .
14. Obbiettivo secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che il suddetto specchio di Fresnel secondario (16) è fissato ad una superficie interna di detta finestra protettiva (12).