Um guia sobre integração econômica de lentes térmicas: O que Saber para Aplicações de Defesa e Veículos Autônomos

Na escuridão total, através de fumaça, ofuscamento e neblina, as imagens térmicas de infravermelho (IV) são indispensáveis para a defesa moderna e sistemas autônomos. Permitindo que veículos autônomos (AVs) detectem pedestres ou ameaças à noite ou fornecendo recursos críticos de detecção para veículos aéreos não tripulados e operações contra drones, as imagens térmicas se tornaram os “olhos” essenciais quando os sistemas de câmera de luz visível falham.

Ao alinhar um sistema de câmera de IV a uma aplicação, o design cuidadoso e adequado da lente é crucial. Assim como as câmeras de luz visível, os recursos de imagem de uma câmera termográfica dependem, em grande parte, dos atributos do conjunto de lentes – isso afeta o custo, o tempo de produção e, o mais importante, o desempenho.

O papel da óptica na qualidade da imagem de infravermelho

As lentes de câmera visíveis são compostas por vários elementos com diferentes óculos para mitigar aberrações e fornecer uma imagem nítida sob condições amplas. As lentes térmicas empregam estruturas e materiais de lente exclusivos, mas diferem daquelas usadas em câmeras digitais visíveis devido a limitações do detector e restrições de material.

Detectores de IV de onda média (MWIR) e IV de onda longa (LWIR) detectam comprimentos de onda muito mais longos emitidos por objetos quentes. Os pixels do detector de IV são grandes e o custo de produzir até mesmo matrizes de plano focal de baixa resolução é muito maior do que os das câmeras de luz visível. O design da lente térmica deve garantir a utilização eficaz de cada pixel para que a qualidade da imagem não seja comprometida pela lente, especialmente em aplicações de defesa e AV.

Óculos convencionais bloqueiam a radiação IV, portanto, os sistemas térmicos exigem materiais de lente especializados, como germânio, silício, seleneto de zinco ou vidro de calcogênio. Esses materiais transmitem comprimentos de onda MWIR e LWIR com perda mínima de sinal, enquanto revestimentos antirreflexo reduzem ainda mais os reflexos da superfície para maximizar a transmissão de infravermelho.

Em geral, as lentes térmicas devem ser muito eficientes na coleta de luz e mitigação do impacto de fatores ambientais, ao mesmo tempo em que usam um conjunto limitado de materiais de lente para projetar uma imagem de alto contraste na matriz do detector.

Tabela 1: Faixas de Onda e Materiais de Lente

Principais considerações ópticas para câmeras MWIR e LWIR

A seguir estão os principais termos ópticos para câmeras termográficas, juntamente com definições das especificações ou requisitos ópticos críticos para o desempenho de dimensionamento correto para a aplicação.

Comprimento Focal, FOV e IFOV: O comprimento focal determina o campo de visão (FOV), a totalidade de uma cena que uma câmera pode capturar na matriz do plano focal do sensor. Comprimentos focais mais curtos fornecem vistas em grande angular, enquanto as mais longas oferecem vistas estreitas e ampliadas. O campo de visão instantâneo (IFOV) representa o menor detalhe detectável por pixel. O comprimento focal equilibra a cobertura da cena (FOV) e a resolução de detalhes finos (IFOV).

Figura 1. Visualização do FOV e do Comprimento Focal (Imagem: Teledyne FLIR OEM)

F/Número e transmissão: O número F (f/#) é a relação entre o comprimento focal e o diâmetro da abertura, controlando a quantidade de luz coletada. Além disso, a difração de luz, que desfoca a imagem, é proporcional ao comprimento de onda multiplicado pelo f/#. Uma f/# menor significa uma abertura maior e melhor eficiência de luz, bem como menos desfoque devido à difração. A transmissão mede a radiação térmica que atinge o sensor. A transmissão baixa f/# e a alta garantem sinais de sensor fortes, embora a baixa f/# aumente o peso, a complexidade e o custo da lente.

Figura 2. Representação F/# (Imagem: Teledyne FLIR OEM)

Função de transferência de modulação (MTF): Quantifica a reprodução de contraste em várias frequências espaciais. O MTF mais alto produz imagens mais nítidas e melhor detecção de pequenas diferenças de temperatura entre pixels adjacentes.

Configuração padrão ou de restauração de imagem: Alguns LWIR e quase todos os planos focais MWIR são resfriados a baixas temperaturas durante a operação, exigindo um invólucro dewar em torno do plano focal. Assim, o batente da lente deve ser posicionado próximo à janela de dewar. Isso geralmente requer uma configuração de lente de nova geração de imagens.

Figura 3. Detectores Não Refrigerados (à esquerda) Normalmente Empregam Sistemas de Lentes Padrão e Detectores Refrigerados (à direita) Geralmente Requerem uma Lente de Reimagem (Imagem: Teledyne FLIR OEM)

Faixa de Ondas: Embora ambas as bandas detectem radiação térmica, os picos de emissão de calor corporal no LWIR. Além disso, as câmeras LWIR geralmente operam em temperatura ambiente quando acopladas a uma lente de baixo f/#. As câmeras MWIR exigem planos focais refrigerados e são superiores para detectar fontes de calor, como motores ou máquinas. Sua sensibilidade superior vem com alta complexidade e custo, incluindo configurações de lente de restauração ao estado anterior. Dito isso, os requisitos de f/# são relaxados e mais materiais ópticos estão disponíveis em MWIR.

Três desafios principais do design de lentes de imagens térmicas

Os sistemas térmicos enfrentam três desafios principais de design: efeitos de comprimento de onda, requisitos de gerenciamento térmico e restrições da cadeia de suprimentos.

A difração é a propagação de ondas na entrada da lente, o que afeta a nitidez da imagem na matriz do plano focal. À medida que os pixels do detector diminuem, a lente f/# necessária para garantir o contraste da imagem entre os pixels adjacentes diminui. Os comprimentos de onda mais curtos do MWIR exibem menos difração, portanto, aberturas F/3-F/5 que complementam a maior sensibilidade dos detectores refrigerados produzem contraste de pixel ou MTF aceitável. O desfoque de difração do LWIR requer aberturas F/1-F/2 mais amplas para fornecer contraste de pixels; as aberturas de coleta maiores também compensam a menor sensibilidade de fótons de sensores não refrigerados.

Os materiais das lentes IV são sensíveis à temperatura. A menos que seja controlada, a melhor posição de foco pode mudar com pequenas mudanças de temperatura. Mas as câmeras termográficas devem fornecer uma imagem nítida em uma faixa de temperatura muito ampla. As lentes mantêm o foco através de duas abordagens de design. A atermalização passiva utiliza materiais ópticos e mecânicos com expansão térmica de compensação para estabilizar o foco, ideal para sistemas compactos e leves. A atermalização ativa emprega sensores de temperatura que controlam um ajuste de foco motorizado. Isso é adequado para sistemas maiores onde o foco motorizado é empregado para compensação de faixa.

Os materiais das lentes IV são cristais industriais de alta pureza ou óculos de calcogênio, todos com cadeias de suprimentos internacionais complexas. As vulnerabilidades da cadeia de suprimentos compõem todos os desafios técnicos descritos acima. O fornecimento de germânio depende de operações de refino em países específicos. Óculos de álcool exigem enxofre, selênio, arsênico e telúrio mais amplamente comoditizados, mas as operações de fabricação de vidro ainda são geograficamente limitadas. Com a maioria dos materiais IV sujeitos a restrições de fornecimento com riscos geopolíticos, a diversificação de fontes e o desenvolvimento de estratégias de mitigação são essenciais para a produção sustentável de lentes IV.

Critérios de seleção de lentes: Fixo versus Zoom Contínuo

A escolha de lentes de campo de visão fixo ou zoom contínuo (CZ) representa uma decisão fundamental de design que afeta o custo, a complexidade e a capacidade operacional.

Figura 4. Módulos de câmera MWIR (Direita) com lentes fixas LWIR (Esquerda) e CZ refrigerada (Imagem: Teledyne FLIR OEM)

As lentes FOV fixas oferecem simplicidade de distância focal única, com menos peças móveis, tornando-as mais leves, acessíveis e confiáveis do que as lentes de zoom. Muitas dessas lentes são atermalizadas passivamente, portanto, o foco é definido na fábrica e nunca precisa ser ajustado pelo cliente. Configurações de ângulo amplo (>60^o) capturam cenas mais amplas com detalhes reduzidos, enquanto projetos de distância focal média (10^o-50^o) atingem um equilíbrio entre cobertura e ampliação. Variantes teleobjetivas (<8^o) oferecem maior ampliação e IFOV capaz de identificar a longo alcance, mas exigem maior estabilização devido ao aumento da sensibilidade ao movimento.

As lentes CZ permitem o ajuste dinâmico de FOV por meio de sofisticados grupos de lentes móveis que mantêm o foco enquanto mudam a distância focal em faixas como 14-75 mm ou 50-1.000 mm, ideal para um ambiente dinâmico que requer FOV grande e IFOV minuto. Essa flexibilidade operacional tem complexidade e custo substancialmente maiores. As lentes IV CZ têm números significativamente maiores de componentes, bem como zoom motorizado e atuação de foco que exigem eletrônica de controle.

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Figura 5. Lente MWIR 25-250 CZ dobrada (esquerda) e lente MWIR 15-300 CZ (direita) (imagem: Teledyne FLIR OEM)

Em resumo, os engenheiros de sistema devem avaliar a aplicação e equilibrar a qualidade da imagem, as restrições de custo e as demandas de flexibilidade para determinar a configuração de lente mais apropriada para uma aplicação de câmera de IV.

Otimização de desempenho e sensibilidade

A eficiência da coleta de luz da lente afeta diretamente a diferença de temperatura equivalente ao ruído (NEdT), a principal métrica de sensibilidade para câmeras MWIR e LWIR. O NEdT mede a menor diferença de temperatura detectável em mili-Kelvin. Por exemplo, uma câmera LWIR f/1.0 com NEdT de 20 mK é 2,5 vezes mais sensível em comparação com uma câmera f/1.55 a 50 mK, embora a sensibilidade não seja estritamente linear com NEdT.

O design óptico afeta fundamentalmente o desempenho da câmera. Valores f/# mais baixos permitem mais transmissão de energia, melhorando a clareza e sensibilidade da imagem. Os materiais de elementos e revestimentos de RA devem maximizar a radiação infravermelha que chega ao detector. Lentes de alta qualidade com aberrações mínimas garantem alto MTF, enquanto o comprimento focal define a ampliação e a faixa de detecção.

Considerações sobre Perspectivas e Integração do Futuro

O desenvolvimento de lentes térmicas continua a evoluir para designs menores, mais leves e econômicos, reduzindo a dependência de materiais raros, como germânio, para sustentabilidade econômica. Esse progresso expandirá o uso de imagens térmicas em aplicações AV e de defesa para ver através da escuridão, bem como obscurecedores, como neblina ou fumaça.

A integração bem-sucedida requer a compreensão das relações fundamentais entre as opções de design óptico e o desempenho do sistema. Restrições de material, efeitos específicos de comprimento de onda e requisitos de gerenciamento térmico criam interdependências que afetam todos os aspectos da capacidade do sistema. Seja desenvolvendo sistemas de defesa, veículos autônomos ou soluções de monitoramento industrial, o design óptico ideal continua sendo crucial para maximizar a eficácia das imagens térmicas.

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