Una guida all'integrazione di ottiche termiche a basso costo: Cosa sapere per le applicazioni nei settori della difesa e dei veicoli autonomi

Nell'oscurità più completa, attraverso fumo, riverbero e nebbia, l'imaging termico a infrarossi (IR) è indispensabile per la difesa moderna e i sistemi autonomi. Consentendo ai veicoli autonomi (AV) di rilevare pedoni o minacce di notte o fornendo capacità di rilevamento critiche per veicoli aerei senza pilota e operazioni anti-UAS, la termografia è diventata l'occhio essenziale quando i sistemi di telecamere a luce visibile si guastano.

Quando si allinea un sistema di termocamere a un'applicazione, è fondamentale che il design dell'obiettivo sia accurato e corretto. Come le telecamere a luce visibile, le capacità di imaging di una termocamera si basano in gran parte sugli attributi del gruppo obiettivo, che influisce sui costi, sui tempi di produzione e, soprattutto, sulle prestazioni.

Il ruolo dell'ottica nella qualità dell'immagine IR

Gli obiettivi delle telecamere visibili sono composti da più elementi con diversi occhiali per mitigare le aberrazioni e fornire un'immagine nitida in condizioni ampie. Gli obiettivi termici utilizzano strutture e materiali unici, ma differiscono da quelli utilizzati nelle telecamere digitali a luce visibile a causa dei limiti del sensore e dei vincoli dei materiali.

I sensori IR a onde medie (MWIR) e IR a onde lunghe (LWIR) rilevano lunghezze d'onda molto più lunghe emesse da oggetti caldi. I pixel del sensore IR sono grandi e il costo per produrre anche focal plane array a bassa risoluzione è molto più elevato di quello delle telecamere a luce visibile. Il design dell'obiettivo termico deve garantire un utilizzo efficace di ogni pixel in modo che la qualità dell'immagine non venga compromessa dall'obiettivo, in particolare nelle applicazioni di difesa e AV.

Gli occhiali convenzionali bloccano le radiazioni IR, quindi i sistemi termici richiedono materiali speciali per lenti, come germanio, silicio, selenuro di zinco o vetro chalcogenide. Questi materiali trasmettono lunghezze d'onda MWIR e LWIR con una perdita di segnale minima, mentre i rivestimenti antiriflesso riducono ulteriormente i riflessi superficiali per massimizzare la trasmissione IR.

Nel complesso, le ottiche termiche devono essere molto efficienti nella raccolta della luce e nella mitigazione dell'impatto dei fattori ambientali, utilizzando al contempo un set limitato di materiali per proiettare un'immagine ad alto contrasto sulla matrice del sensore.

Tabella 1: Bande d'onda e materiali per obiettivi

Principali considerazioni ottiche per le termocamere MWIR e LWIR

Di seguito sono riportati i termini ottici chiave per le termocamere, insieme alle definizioni delle specifiche ottiche o dei requisiti critici per le prestazioni di dimensionamento corrette per l'applicazione.

Lunghezza focale, FOV e IFOV: La lunghezza focale determina il campo visivo (FOV), l'intera scena che una telecamera può acquisire sul pannello focale del sensore. Le lunghezze focali più corte forniscono viste grandangolari, mentre quelle più lunghe offrono viste ristrette e ingrandite. Il campo visivo istantaneo (IFOV) rappresenta il più piccolo dettaglio rilevabile per pixel. La lunghezza focale bilancia la copertura della scena (FOV) e la risoluzione nei minimi dettagli (IFOV).

Figura 1. Visualizzazione FOV e lunghezza focale (immagine: Teledyne FLIR OEM)

F/Numero e trasmissione: Il numero F (f/#) è il rapporto tra la lunghezza focale e il diametro dell'apertura, che controlla la quantità di luce acquisita. Inoltre, la diffrazione della luce, che sfoca l'immagine, è proporzionale alla lunghezza d'onda moltiplicata per il numero f/. Un f/# inferiore significa un'apertura più ampia e una migliore efficienza luminosa, oltre a una minore sfocatura dovuta alla diffrazione. La trasmissione misura la radiazione termica che raggiunge il sensore. Sia la trasmissione a basso f/# che quella ad alta trasmissione garantiscono segnali forti del sensore, anche se il basso f/# aumenta il peso, la complessità e il costo dell'obiettivo.

Figura 2. Rappresentazione F/# (Immagine: Teledyne FLIR OEM)

Funzione di trasferimento della modulazione (MTF): Quantifica la riproduzione del contrasto a varie frequenze spaziali. Un MTF più elevato produce immagini più nitide e rileva meglio differenze di temperatura minori tra pixel adiacenti.

Configurazione standard o reimaging: Alcuni piani focali LWIR e quasi tutti i piani focali MWIR vengono raffreddati a basse temperature durante il funzionamento, richiedendo un involucro di dewar intorno al piano focale. Pertanto, il fermo dell'obiettivo deve essere posizionato vicino alla finestra del dewar. In genere, ciò richiede una configurazione dell'obiettivo con re-imaging.

Figura 3. I rilevatori non raffreddati (a sinistra) solitamente utilizzano sistemi di obiettivi standard e i rilevatori raffreddati (a destra) solitamente richiedono un obiettivo di reimaging (immagine: Teledyne FLIR OEM)

Banda d'onda: Mentre entrambe le bande rilevano la radiazione termica, l'emissione di calore corporeo raggiunge il picco nel LWIR. Inoltre, le termocamere LWIR spesso funzionano a temperatura ambiente se accoppiate a un obiettivo basso f/#. Le termocamere MWIR richiedono piani focali raffreddati e sono superiori per il rilevamento di fonti di calore come motori o macchinari. La loro sensibilità superiore comporta un'elevata complessità e costi, comprese le configurazioni di obiettivi con re-imaging. Detto questo, i requisiti di f/# sono rilassati e in MWIR sono disponibili più materiali ottici.

Tre sfide principali nella progettazione delle ottiche della termografia

I sistemi termici devono affrontare tre sfide principali: effetti sulla lunghezza d'onda, requisiti di gestione termica e vincoli della catena di fornitura.

La diffusione è la diffusione delle onde all'ingresso dell'obiettivo, che influisce sulla nitidezza dell'immagine sul piano focale. Man mano che i pixel del sensore si rimpiccioliscono, l'obiettivo f/# richiesto per garantire il contrasto dell'immagine tra i pixel adiacenti si riduce. Le lunghezze d'onda più corte di MWIR mostrano una minore diffrazione, quindi le aperture F/3-F/5 che completano la maggiore sensibilità dei sensori raffreddati producono un contrasto pixel accettabile o MTF. L'offuscamento della diffusione da LWIR richiede aperture F/1-F/2 più ampie per fornire il contrasto dei pixel; le aperture di raccolta più grandi compensano anche la minore sensibilità ai fotoni dei sensori non raffreddati.

I materiali degli obiettivi IR sono sensibili alla temperatura. A meno che non sia controllata, la migliore posizione di messa a fuoco può cambiare con piccole variazioni di temperatura. Ma le termocamere devono fornire un'immagine nitida su un intervallo di temperatura molto ampio. Le ottiche mantengono la messa a fuoco attraverso due approcci di progettazione. L'atermalizzazione passiva utilizza materiali ottici e meccanici con espansione termica compensativa per stabilizzare la messa a fuoco, ideale per sistemi compatti e leggeri. L'atermizzazione attiva utilizza sensori di temperatura che controllano una regolazione motorizzata della messa a fuoco. Questo è adatto per sistemi più grandi in cui viene utilizzata la messa a fuoco motorizzata per la compensazione della gamma.

I materiali degli obiettivi IR sono cristalli industriali ad alta purezza o occhiali da chalcogenide, tutti con complesse catene di fornitura internazionali. Le vulnerabilità della catena di fornitura aggravano tutte le sfide tecniche descritte sopra. La fornitura di Germanium si basa sulle operazioni di raffinazione in paesi specifici. Gli occhiali Chalcogenide richiedono zolfo, selenio, arsenico e tellurio più ampi, ma le operazioni di produzione del vetro sono ancora geograficamente limitate. Con la maggior parte dei materiali IR soggetti a vincoli di fornitura con rischi geopolitici, la diversificazione delle fonti e lo sviluppo di strategie di mitigazione sono essenziali per la produzione sostenibile di obiettivi IR.

Criteri di selezione dell'obiettivo: Fissa rispetto allo zoom continuo

La scelta di obiettivi a campo visivo fisso o zoom continuo (CZ) rappresenta una decisione fondamentale di progettazione che influisce su costi, complessità e capacità operative.

Figura 4. Moduli termocamera MWIR (destra) con ottica fissa LWIR (sinistra) e con ottica CZ raffreddata (destra) (immagine: Teledyne FLIR OEM)

Gli obiettivi FOV fissi offrono una semplicità a lunghezza focale singola, con meno parti mobili, rendendoli più leggeri, accessibili e affidabili degli obiettivi zoom. Molti di questi obiettivi sono atermici passivi, quindi la messa a fuoco viene impostata in fabbrica e non deve mai essere regolata dal cliente. Le configurazioni grandangolari (>60^o) catturano scene più ampie con dettagli ridotti, mentre i design a lunghezza focale media (10 ^o-50^o) raggiungono un equilibrio tra copertura e ingrandimento. Le varianti con teleobiettivo (<8^o) offrono un ingrandimento maggiore e IFOV in grado di identificarsi a lungo raggio, ma richiedono una maggiore stabilizzazione grazie alla maggiore sensibilità al movimento.

Gli obiettivi CZ consentono la regolazione dinamica del FOV attraverso sofisticati gruppi di obiettivi mobili che mantengono la messa a fuoco, modificando al contempo la lunghezza focale tra gamme come 14-75 mm o 50-1000 mm, ideale per un ambiente dinamico che richiede un FOV ampio e un IFOV minuto. Questa flessibilità operativa comporta una complessità e un costo notevolmente maggiori. Gli obiettivi IR CZ hanno un numero significativamente maggiore di componenti, nonché zoom motorizzato e attuazione della messa a fuoco che richiedono elettronica di controllo.

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Figura 5. Obiettivo MWIR 25-250 CZ piegato (sinistra) e obiettivo MWIR 15-300 CZ (destra) (immagine: Teledyne FLIR OEM)

In sintesi, gli ingegneri di sistema devono valutare l'applicazione e bilanciare la qualità dell'immagine, i vincoli di costo e le esigenze di flessibilità per determinare la configurazione dell'obiettivo più appropriata per un'applicazione con termocamera.

Ottimizzazione delle prestazioni e della sensibilità

L'efficienza di acquisizione della luce dell'obiettivo influisce direttamente sulla differenza di temperatura equivalente al rumore (NEdT), il parametro di sensibilità chiave per le telecamere MWIR e LWIR. NEdT misura la più piccola differenza di temperatura rilevabile in milli-Kelvin. Ad esempio, una termocamera LWIR f/1,0 con un NEdT di 20 mK è 2,5 volte più sensibile rispetto a una termocamera f/1,55 a 50 mK, sebbene la sensibilità non sia strettamente lineare con NEdT.

Il design ottico influisce fondamentalmente sulle prestazioni della termocamera. Valori f/# inferiori consentono una maggiore trasmissione di energia, migliorando la nitidezza e la sensibilità dell'immagine. I materiali degli elementi e i rivestimenti AR devono massimizzare la radiazione infrarossa che raggiunge il rilevatore. Gli obiettivi di alta qualità con aberrazioni minime garantiscono un MTF elevato, mentre la lunghezza focale imposta il campo di ingrandimento e rilevamento.

Previsioni future e considerazioni sull'integrazione

Lo sviluppo di ottiche termiche continua a evolversi verso design più piccoli, leggeri ed economici, riducendo la dipendenza da materiali rari come il germanio per la sostenibilità economica. Questo progresso amplierà l'uso della termografia in applicazioni AV e di difesa per vedere attraverso l'oscurità e gli oscuranti come la nebbia o il fumo.

Un’integrazione di successo richiede la comprensione delle relazioni fondamentali tra le scelte di progettazione ottica e le prestazioni del sistema. I vincoli dei materiali, gli effetti specifici della lunghezza d'onda e i requisiti di gestione termica creano interdipendenze che influenzano ogni aspetto della capacità del sistema. Che si tratti di sviluppare sistemi di difesa, veicoli autonomi o soluzioni di monitoraggio industriale, il design ottico ottimale rimane fondamentale per massimizzare l'efficacia della termografia.

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