Sensores de infrarrojos con píxel pequeño: optimización de tamaño, peso, coste y rendimiento

Principales definiciones

Matriz de plano focal (Focal Plane Array, FPA): Una matriz bidimensional de detectores de luz que se coloca en el plano focal de un sistema óptico

Distancia focal o distancia focal efectiva (Effective Focal Length, EFL): La distancia entre el centro de una lente y su foco

Campo de visión (Field of View, FOV): La máxima superficie angular de una escena que puede ver una lente

Campo de visión instantáneo (Instantaneous Field of View, IFOV): El detalle más pequeño dentro del FOV que puede ser detectado o visto a una distancia determinada

Número f (f/#): Una medida de la capacidad de captación de luz de un sistema óptico que se calcula dividiendo la distancia focal entre el diámetro del sistema

Resolución espacial: La dimensión física de una escena que representa un píxel de una imagen

Punto de desenfoque: Un punto óptico provocado por un cono de rayos de luz desde una lente que no se enfoca a la perfección cuando visualiza una fuente puntual (también se denomina círculo de confusión (CoC), disco de confusión, círculo de indistinción o círculo de desenfoque)

Lente limitada por la difracción: El límite principal de la resolución de un sistema óptico provocado por la difracción donde la lente limitada por la difracción ha alcanzado este límite en su resolución

Introducción

La innovación ha impulsado una disminución en el paso de píxel de infrarrojos (IR) que ofrece la posibilidad de reducir a su vez el tamaño, el peso, el consumo y el coste (SWaP-C, por sus siglas en inglés) de los módulos de cámaras térmicas de IR. La optimización de SWaP-C en módulos de cámaras de IR con un paso de píxel más pequeño (o “núcleos” con lentes de FOV fijo) ha dado lugar a nuevos productos, nuevos mercados y nuevas misiones en las que las cámaras térmicas mejoran la eficiencia, proporcionan concienciación y salvan vidas. Puede que esto no siempre sea válido para sistemas de IR más complicados y de largo alcance donde la influencia del paso de píxel sobre el tamaño, el peso, el coste y el rendimiento tanto para la lente de zoom continuo (CZ) como para el sistema completo de MWIR (longitud de onda media) no es directa. En tales casos es necesario analizar tanto el componente como el sistema.

FIGURA 1. NEUTRINO SX8 MWIR DE 8 μM - CZF 30-300 (IZQ.) Y NEUTRINO MWIR DE 15 μM LC - CZ 27-275 (DCHA.)

Desde ROIC, detectores y refrigeradores criogénicos hasta módulos de cámara térmica de longitud de onda media (MWIR) y larga (LWIR) con lentes CZ, Teledyne FLIR es el único proveedor mundial verticalmente integrado de hardware IR y software de percepción. Teledyne FLIR diseña y fabrica sensores de cámaras IR y sus lentes en grandes cantidades, y comercializa módulos de cámara completos e integrados con todos sus componentes diseñados para optimizar el tamaño, el peso, el coste y el rendimiento del sistema. Por ejemplo, la serie Neutrino IS, mostrada en la Figura 1, incluye varios pasos de píxel MWIR y lentes CZ opcionales. Esta integración vertical proporciona a Teledyne FLIR una perspectiva única sobre la relación entre las especificaciones del componente y la optimización del sistema de IR.

Diseño óptico que optimiza tamaño, peso y coste

La reducción del paso de píxel disminuye la distancia focal y el tamaño de la matriz para unos determinados valores de fov y resolución.

La Figura 2 indica que para unos determinados niveles por lo que se refiere al número de píxeles en la lente, la resolución del píxel y el campo de visión (FOV), disminuir el paso de píxel puede reducir teóricamente el tamaño del sistema. El tamaño de la matriz del pixel y la distancia focal efectiva disminuyen proporcionalmente para una resolución determinada. Sin embargo, al desarrollar sistemas MWIR que incluyan lentes CZ hay que tener en cuenta otros factores que disminuyen o incluso pueden anular la ventaja teórica que ofrece la reducción del paso de píxel. Los integradores deben optimizar el rendimiento del sistema completo, la complejidad del diseño, el coste y el tamaño cuando las lentes CZ dominan muchos de estos parámetros SWaP-C.

Sensibilidad

Los píxeles más pequeños requieren un número f proporcionalmente más rápido para alcanzar una sensibilidad similar debido al tamaño del píxel, la reducción general de la eficiencia cuántica, el aumento de la corriente de oscuridad y el aumento del ruido de patrón fijo. Esto significa que el diámetro del sistema (Ø), que depende del elemento óptico de entrada o de la apertura, es igual o ligeramente más grande que en sistemas con un píxel más grande de la misma sensibilidad.

Resolución espacial

Los píxeles más pequeños también necesitan un número f más rápido para lograr la misma resolución espacial, es decir, los píxeles por punto de desenfoque, para una lente limitada por la difracción. Los números f inferiores a ƒ/3 son bastante más caros y difíciles de fabricar ya que las aberraciones ópticas se deben controlar en un ángulo mayor; por tanto, el rendimiento limitado cerca de la difracción resulta excesivamente costoso y/o inviable.

Tolerancia óptica

Los números f más rápidos requieren unas tolerancias de diseño óptico más ajustadas, lo cual complica el diseño y posiblemente exige más elementos en la lente para lograr un rendimiento similar; esto prolonga más la longitud del montaje con la lente de EFL más corta que el montaje con el número f más lento utilizado por un sistema con un píxel más grande. El tamaño, el peso y el coste afectan negativamente.

Rango dinámico

Los píxeles más grandes ven reducido su rango dinámico; en general, la capacidad disminuye con el paso de píxel, que reduce el rendimiento del sistema.

Interferencias entre píxeles

Las interferencias entre píxeles son más difíciles de atenuar ya que la relación entre paso y longitud de difusión disminuye y los procesos de fabricación son más complicados. Estas interferencias también degradan la función de transferencia de modulación (MTF) del sistema y su rendimiento en general.

Las ventajas de los pasos de píxel pequeños son más directas al diseñar sistemas con lentes de FOV fijo, pero como ilustra el ejemplo, el paso de píxel más pequeño no se traduce necesariamente en unas ventajas significativas para el tamaño, el peso, el consumo y el coste de los sistemas IR que incluyen una lente CZ.

La Tabla 1 aporta un ejemplo del mundo real que compara tres diseños de sistemas derivados de las especificaciones de 10 lentes CZ típicas cuya resolución espacial (IFOV) se mantiene igual. El paso del pixel de MWIR determina el número f requerido, el cual determina a su vez el número de elementos ópticos y el diseño del sistema óptico. El tamaño, el peso y el coste de las lentes CZ se incrementan a medida cuando el paso de píxel disminuye de 15 μm a 8 μm y 5 μm.

TABLA 1. ESPECIFICACIONES DE 10 LENTES CZ TÍPICAS PARA SENSORES CON UN PASO DE PÍXEL DE 5 μM, 8 μM Y 15 μM

PASO DE PÍXEL 5 μm 8 μm 15 μm COMENTARIOS

Número f 1,8 2,9 5,5 Muestreo y sensibilidad equivalente

EFL 100 mm 160 mm 300 mm IFOV equivalente

Elementos ópticos ~10 ~9 ~8 Un número f más rápido requiere más elementos ópticos

Dimensiones del sistema óptico Ø = 58 mm

L = ~130 mm Ø = 58 mm L = ~130 mm Ø = 58 mm L = ~100 mm La longitud (L) puede ser bastante más corta que EFL para números f más lentos o más larga que EFL para números f más rápidos

Peso de las lentes >100 g ~70 g ~40 g Un número f más rápido incrementa el peso debido al número, tamaño, grosor y curvatura de los elementos ópticos

Coste de las lentes ~1,8x coste ~1,5x coste Coste Un número f más rápido aumenta el coste debido al número, tamaño, grosor y curvatura de los elementos, así como a los procesos de fabricación, p.ej., la complejidad de alineamiento

Coste del sistema de infrarrojos

El coste del sistema de IR incluye el coste de las lentes como indica la Tabla 1 y el coste del módulo de la cámara, como los semiconductores, la oblea, el refrigerador criogénico y el coste de otros subcomponentes. Como muestra la Figura 3, el coste del sistema disminuye con el paso de píxel hasta llegar al mínimo en el MWIR del ejemplo con 10 lentes CZ de 8 μm donde se minimiza el coste del módulo de la cámara. El paso de píxel de 8 μm ahorra un 9% y un 19% del coste del sistema si se compara con los pasos del píxel de 5 μm y 15 μm, respectivamente. Expresado de la manera más sencilla, los costes del sistema alcanzan un punto en el que disminuyen el rendimiento y resultan costosos cuando se utilizan sensores con el píxel más pequeño.

FIGURA 3. EJEMPLO DE MWIR CON 10 LENTES CZ CON UN COSTE DEL SISTEMA MINIMIZADO A 8 μM

Rendimiento DRI del sistema de infrarrojos

Además de las ventajas en cuanto a coste, tamaño y peso, los sistemas con un paso de píxel más grandes también presentan ventajas por lo que se refiere al rendimiento de detección, reconocimiento e identificación (DRI). DRI expresa criterios que describen el alcance efectivo de una cámara térmica. Teledyne FLIR utiliza las probabilidades de DRI modeladas con NV-IPM, una herramienta estandarizada de modelado de sensores pasivos. V50, que mide la dificultad de la tarea, es el valor del parámetro del rendimiento de la tarea targeting (TTP) necesario para proporcionar al usuario una probabilidad del 50 por ciento de cumplir una tarea determinada. Estos criterios ofrecen una probabilidad del 50% de que un observador distinga un objeto para su detección, reconocimiento e identificación.

Identificación (ID)

Para la tarea de identificación, el observador debe identificar correctamente cada objetivo dentro del conjunto.

Reconocimiento (Rec)

Para la tarea de reconocimiento, el observador debe identificar correctamente el tipo de objetivo correcto como Rastreado / Blindado sobre ruedas / No blindado sobre ruedas (vehículos militares) o Arma / No arma (entre dos objetos).

Detección (Det)

Para la tarea de detección, el observador debe detectar correctamente el objetivo en una escena.

Siguiendo con el ejemplo del diseño con 10 lentes CZ, el rendimiento de los tres sistemas se puede modelar utilizando una dimensión crítica del objetivo de 3,1 m y una variación de la temperatura del objetivo de 4,0 K en el modelo NV-IPM. También se tiene en cuenta una degradación típica de la MTF de aberración óptica para una lente de f/1,8, f/2,9 y f/5,5, una reducción conservadora de la relación entre señal y ruido para un paso de píxel de 5 μm, 8 μm y 15 μm manteniendo constante la MTF de difusión del detector y manteniendo todos los otros parámetros equivalentes, p.ej., objetivo, atmósfera, transmisión espectral de la cámara, pantalla, etc.

Las distancias con las cuales existe una probabilidad del 50% de cumplir la tarea para las dificultades de la tarea medida de 2,0 (detección), 9,0 (reconocimiento) y 13,0 (identificación) se indican en la Tabla 3. Los datos modelados indican que el sistema con un paso de píxel de 15 μm ofrece ventajas por lo que se refiere a la distancia del 12% para detección, del 10% para reconocimiento y de hasta el 12% para identificación cuando se compara con el paso de píxel de 5 μm.

FIGURA 3. MODELADO DE DRI CON NV-IPM PARA MWIR CON 10 LENTES CZ Y PASOS DE PÍXEL DE 5, 8 Y 15 μM.

Resumen de consideraciones sobre el diseño con un paso de píxel pequeño

Cuando se evalúan el coste y el rendimiento de la lente CZ y del sistema de IR para sistemas con un paso de píxel de 5 μm, 8 μm y 15 μm, el tamaño, el peso, el consumo, el coste y el rendimiento no se ven optimizados al minimizar el paso de píxel. Los píxeles más pequeños suelen requerir un número f más rápido, lo cual incremente la complejidad, el tamaño, el peso y el coste del sistema óptico. El coste del módulo de cámara IR, incluyendo la oblea, el refrigerador criogénico y otros subcomponentes, tampoco se minimiza con píxeles más pequeños. Como se muestra en el ejemplo, el coste del sistema de IR se minimiza a 8 μm, no con el paso de píxel más pequeño de 5 μm. Cuando el ejemplo de la comparación también abarca el rendimiento, el sistema con el píxel más grande de 15 μm demuestra tener unas distancias DRI superiores. En resumen, los integradores y los usuarios que llegarán a la conclusión de que seguir disminuyendo el tamaño del píxel llega a un punto en el que se cumplen menos los principales requisitos del sistema, como tamaño, peso, consumo, coste y rendimiento.

Visite https://www.flir.com/oem para más información.