ES2552763T3 - Sistema multiespectral de barrido compacto - Google Patents

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ES2552763T3 ES10710288.1T ES10710288T ES2552763T3 ES 2552763 T3 ES2552763 T3 ES 2552763T3 ES 10710288 T ES10710288 T ES 10710288T ES 2552763 T3 ES2552763 T3 ES 2552763T3
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Abstract

Un sistema de barrido compacto adaptado para trabajar en el dominio multiespectral incluyendo el rango espectral de ondas milimétricas que comprende un espejo primario (1), un espejo secundario (2) y un chasis (16), en el que los espejos están enfrentados entre sí y están adaptados para hacerse rotar a la misma velocidad angular con respecto al chasis en sentido contrario y están inclinados con respecto a sus ejes de rotación (13) y caracterizado porque el espejo primario es cóncavo y está adaptado para reflejar la radiación de un plano objeto de barrido, perpendicular al eje de rotación de ambos espejos y hacer converger dicha radiación, el espejo secundario es menor que el espejo primario, está adaptado para recibir dicha radiación concentrada y dirigirla hacia el detector y los ejes de rotación de ambos espejos están alineados.

Description

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Sistema multiespectral de barrido compacto CAMPO DE LA INVENCION
La presente invencion se refiere al campo de la ingenierfa optica y, en particular, al campo de los sistemas de barrido para formar imagenes. El sistema de barrido objeto de esta invencion puede operar con una velocidad de refresco suficiente para considerarlas de tiempo real y en un amplio rango de longitudes de onda en las que se incluyen las ondas milimetricas, terahercianas, infrarrojas, microondas y de rayos X
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Un requisito deseable en cualquier sistema de barrido para formacion de imagenes es barrer la escena con un patron lineal y con la mayor rapidez posible. Una manera sencilla de conseguirlo es por medio de espejos planos en movimiento. Hay diversas soluciones basadas en espejos, entre las que se encuentran el espejo oscilante (de una sola cara) movido por medio de distintos dispositivos como, por ejemplo, de tipo galvanometrico, o un polfgono rotatorio con multiples caras espejadas. Estas tecnicas se emplean en sistemas que trabajan con radiacion de longitudes de onda pequenas tal como el infrarrojo o el visible.
En el infrarrojo las aperturas opticas son tfpicamente del orden de 100 mm y con la ayuda de lentes se reducen a aperturas efectivas para el sistema de barrido, tfpicamente un orden de magnitud menor. En los sistemas de ondas milimetricas, las aperturas son del orden de 500 mm de diametro, tamano que no hace posible ni el uso de espejos planos oscilantes ni de polfgonos rotatorios.
Es conocido lograr un patron de barrido lineal utilizando dos discos reflectores que giren en sentidos opuestos a la misma velocidad, estando inclinados con respecto a sus ejes de rotacion un angulo identico para ambos. Un disco reflector, giratorio e inclinado produce por si solo un patron de barrido conico cuando gira 360°. Sin embargo, cuando la radiacion alcanza el segundo disco, el patron conico se puede convertir en elfptico si los ejes y la fase de rotacion entre ambos estan correctamente ajustados. Si el eje menor de la elipse descrita por el patron de barrido es menor que la resolucion del sistema, entonces el patron de barrido puede considerarse como lineal, dado que la resolucion del sistema es la separacion minima entre puntos del plano objeto, que puede distinguirse en la imagen proporcionada por el sistema.
Esto ocurre, por ejemplo, en la patente “Aparato de escaner” de Alan H. Lettington (US7154650B2). Dicha patente describe como dos discos reflectores montados en estructuras con ejes de giro independiente y no alineado, giran a la misma velocidad en sentido contrario. La radiacion llega a uno de los espejos, que la refleja al segundo espejo, que a su vez la devuelve al primer espejo. Este primer espejo la dirige entonces hacia una zona donde se ubica el detector. Con el fin de lograr barrer la escena, ambos espejos estan inclinados respecto a sus ejes de rotacion. Para conseguir un barrido lineal se ha de satisfacer que a = 29cos9, donde el primer espejo eat inclinado un angulo a , el segundo espejo esta inclinado un angulo 9 y 9 es el angulo entre los ejes de rotacion de los espejos.
El ejemplo en la patente US 7,154,650 B2 tiene la ventaja de que no necesita utilizar ningun elemento selectivo en frecuencia (polarizador lineal, lamina de cuarto de onda, rotador de Faraday, etc.). Sin embargo, el sistema es intrfnsecamente grande.
En la solicitud de patente WO 03/009048 A1 se logra un sistema mas compacto. El sistema consta de dos cuerpos que giran alrededor del mismo eje en sentido contrario a la misma velocidad. El primer cuerpo contiene un polarizador y dos laminas de cuarto de onda, mientras que el segundo cuerpo es un espejo. La radiacion llega al primer cuerpo con la polarizacion adecuada para ser transmitida y reflejada por el segundo cuerpo, de tal forma que cuando vuelve al primer cuerpo su polarizacion es ortogonal a la polarizacion de transmision del polarizado lineal, lo que significa que se refleja de vuelta hacia el espejo (segundo cuerpo). Despues de este segundo reflejo en el espejo, la radiacion tiene la polarizacion adecuada para ser transmitida por el primer cuerpo y dirigirse finalmente hacia el detector. La inclinacion del primer cuerpo es el doble que la del segundo, para compensar las veces que la radiacion refleja en cada superficie y conseguir un barrido lineal. El dispositivo descrito en la patente WO 03/009048 A1 permite lograr un sistema mas compacto que el de la patente US 7,154,650 B2 pero presenta dos desventajas. La primera es que no puede utilizarse para una variedad de detectores (ondas visibles, infrarrojas, milimetrica, terahercianas, etc.) solo una banda de frecuencia. La segunda es que la relacion senal-ruido empeora, debido principalmente a las perdidas intrfnsecas por transmision en las laminas de cuarto de onda.
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La presente invencion propone utilizar dos espejos reflectores, uno primario con una superficie concava con respecto a la radiaaon incidente y uno secundario y hacerlos girar en sentidos opuestos a la misma velocidad. El espejo secundario es menor que el espejo primario. Ambos espejos estan inclinados con respecto a sus ejes de giro para poder barrer la escena y sus ejes de rotacion estan alineados. De este modo, se proporciona un sistema de barrido mas compacto que los citados anteriormente, mientras que al mismo tiempo puede operarse una amplia zona del espectro electromagnetico. Asf, el sistema de barrido sera compatible con detectores de ondas milimetricas, terahercianas, infrarrojas, microondas y de rayos X El espejo primario refleja la radiacion de la escena y la hace converger, y el espejo secundario recibe dicha radiacion concentrada y la hace focalizar en un detector puntual, lineal o matricial.
Este sistema de barrido puede utilizarse tambien para irradiar simultaneamente el plano objeto y detectar la radiacion reflejada del plano objeto. El sistema es compatible con emisores de una amplia zona del espectro electromagnetico (por ejemplo, ondas milimetricas, ondas terahercianas, radiacion infrarroja, rayos X y microondas). En este caso, la salida de una fuente artificial se coloca en el plano focal, desde donde irradia el espejo secundario que refleja la radiacion hacia el espejo primario, donde la radiacion se refleja hacia el plano objeto y se distribuye siguiendo un patron de barrido dado por la indinacion de ambos espejos. Cuando esta radiacion llega al plano objeto entonces se refleja. El sistema de barrido tambien esta dotado de un detector en el plano focal (cerca del emisor o incluso compartiendo la misma antena) de modo que el sistema estara simultaneamente irradiando el plano objeto y detectando la radiaaon (reflejada y/o emitida por el propio objeto) del plano objeto, siguiendo el mismo patron de barrido.
Los ejes de rotacion de ambos espejos estan alineados. Los dos espejos estan inclinados con respecto a sus ejes de rotacion y rotan en sentido contrario con la misma velocidad angular. La indinacion de cada espejo es un parametro disenado. Esta inclinadon con respecto al eje de rotacion de cada espejo, junto con la rotaaon produce un barrido conico desde cada espejo. Dado que los dos espejos se enfrentan entre si, los ejes de rotacion de los espejos estan alineados y los espejos giran a igual velocidad en sentido contrario, el resultado de la combinacion de estos barridos conicos es un barrido lineal o elfptico.
La superficie del espejo primario es siempre concava (esferica, parabolica, hiperbolica, elipsoidal, asferica) con objeto de hacer converger la radiacion en el espejo secundario. La superficie del espejo secundario puede ser plana, concava o convexa (esferica, parabolica, hiperbolica, elipsoidal, asferica).
Existen dos posibilidades para la colocacion del detector, entre los dos espejos o detras del espejo primario. La primera configuracion facilita el uso de una pluralidad de detectores cubriendo asf un amplio campo de vision. Por otro lado, colocar el detector detras del espejo primario (que esta dentro de una abertura) elimina cualquier restriccion de tamano a la hora de integrar un sistema radiante como, por ejemplo, un transceptor de radar o un sistema LADAR o LIDAR. De esta forma, el sistema puede emitir radiaaon que distribuira en la escena con un patron de barrido lineal o elfptico y, al mismo tiempo, recogera la radiacion tal y como se ha descrito anteriormente.
Para hacer rotar los espejos, pueden posiaonarse o bien uno o bien dos motores. El sistema puede comprender sensores de posicion para controlar la posicion relativa de los espejos y ajustar desviaciones, especialmente en caso de utilizar dos motores.
Entre las multiples realizaciones que permite esta invencion se encuentran aquellas que utilicen elementos separadores de haz. Estos elementos separan los haces en dos o mas haces, cada uno de los cuales converge entonces en un detector diferente (puntual, lineal o matrical). Estas realizaciones pueden funcionar con diferentes estados de polarizacion y/o en diferentes rangos espectrales. De esta manera, la invencion puede proporcionar informacion multiespectral, polarimetrica y espectrometrica.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Para completar la descripcion y a fin de proporcionar una mejor comprension de la invencion, se propordona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman parte integral de la descripcion e ilustran realizaciones preferidas de la invencion, que no deben interpretarse como restrictivas del alcance de la invencion, sino solo como un ejemplo de como puede realizarse la invencion. Los dibujos comprenden las siguientes figuras:
La figura 1 muestra una vista lateral de una realizacion de la invencion en la que el detector esta colocado detras del espejo primario.
La figura 2 muestra una vista area de otra realizacion de la invencion en la que el detector esta colocado entre los dos espejos.
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La figura 3 muestra una vista lateral de una realizacion de la invencion que utiliza un dispositivo separador de haz para separar el haz en dos con polarizaciones ortogonales.
La figura 4 muestra una vista lateral de un posible montaje mecanico para las realizaciones en las figuras 1 y 2.
La figura 5 muestra una vista lateral de una realizacion de la invencion que irradia el plano objeto y simultaneamente detecta la radiacion del plano objeto, siguiendo el mismo patron de barrido, y segun la figura 1.
La figura 6 muestra una vista lateral de otro posible montaje mecanico para esta invencion segun la figura 1 o 2.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
La figura 1 muestra una realizacion de la invencion en la que un detector esta colocado detras del espejo primario. El espejo primario (1) es concavo, mientras que el secundario (2) es convexo. La radiacion focaliza en el eje detras del espejo primario en el foco (3) donde se encuentra el detector. Esta realizacion, sin que pueda ser considerada como una restriccion de la invencion, esta disenada para facilitar la integracion de un detector de un solo pixel y/o un transceptor de radar o un sistema LADAR o LIDAR.
La figura 2 muestra una realizacion de la invencion en la que un detector esta colocado entre los dos espejos. En este caso el espejo primario (1) es concavo y el secundario (2) es plano. Esta otra posible realizacion esta disenada para un sistema que utiliza una linea de detectores y sus correspondientes antenas. Al colocar una linea de detectores en el plano focal, el sistema cubre un campo de vision (en el mismo sentido) proporcional a la longitud de esta linea de detectores, a pesar del hecho de que el dibujo solo representa el trazado de los rayos que corresponde a la antena central y las dos antenas a cada extremo de la linea. Pueden usarse canales de deteccion simultaneos, alternatives o sucesivos.
La figura 3 muestra una realizacion de la invencion que utiliza un dispositivo separador de haz para separar el haz en dos con polarizaciones ortogonales. Este caso es un ejemplo de la realizacion descrita en la figura 1, pero se podrfa aplicar tambien a la realizacion descrita en la figura 2. El espejo primario es (1), el espejo secundario es (2). Cuando la radiacion llega al separador de haz (ej.: polarizador lineal 5), este filtra una componente del campo electrico (que representa aproximadamente el 50% de la energfa) y rechaza la componente ortogonal. Colocando las dos antenas (4) y (6) con polarizaciones ortogonales, se integra la mayor cantidad de energfa de cada punto de la escena barrida y consecuentemente se mejora la sensibilidad termica de la imagen. Otro ejemplo, sin limitar la invencion, es utilizar uno o varios dispositivos que separen el haz filtrando la radiacion de una longitud de onda especffica (ej.: onda milimetrica) y reflejando radiacion correspondiente a otra longitud de onda (ej.: infrarroja), para posteriormente redirigir cada uno de los diferentes haces a diferentes detectores y de esa forma lograr imagenes multiespectrales.
La figura 4 muestra un posible montaje mecanico para la optica mostrada en las figuras 1 y 2, sin considerarse como una restriccion de la invencion. El espejo primario (1) tiene un eje de rotacion (13) y una normal a su superficie (15). El espejo secundario (2) tambien tiene una normal (14) y un eje de rotacion que esta alineado con el eje (13) del espejo primario. En este caso ambos espejos (1 y 2) estan esclavizados mecanicamente por medio de un conjunto de engranajes de transmision (9). El acoplamiento al motor (17) puede hacerse o bien directamente o bien por medio de una primera etapa de transmision a 90° respecto del eje del motor. En la siguiente etapa se hace rotar una transmision de corona (10) que a su vez transmite la rotacion a otros dos engranajes de corona (11 y 12) perpendiculares con respecto a (10). Cada uno de estos engranajes esta fijado a un eje, en cuyo otro extremo esta fijado otro engranaje de corona, que es el que transmite la rotacion a cada uno de los espejos giratorios. De esta forma, solo es necesario un motor. Una ventaja importante es que esta realizacion permite colocar el/los detector/es tanto entre los dos espejos como detras del espejo primario (1), siempre y cuando en el espejo este mecanizada una abertura central.
La figura 5 muestra una realizacion de la invencion que incorpora la disposicion de la figura 1. Esta realizacion esta disenada para irradiar el plano objeto y simultaneamente detectar la radiacion (emitida y reflejada) del plano objeto, siguiendo el mismo patron de barrido.
En este caso la salida de una fuente artificial (22) se coloca en el plano focal desde donde irradia al espejo secundario (2), que refleja la radiacion hacia el espejo primario (1), en el que la radiacion se refleja hacia el plano objeto (20) y se distribuye siguiendo un patron de barrido dado por la indinacion de ambos espejos. Esta radiacion se refleja cuando llega al objeto (21) en el plano objeto (20). El sistema de barrido esta tambien dotado de un detector (23) en el plano focal cerca de la fuente artificial.
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En la figura 6 se muestra una realizacion preferida. El espejo primario (1) tiene un eje de rotacion (13) y una normal a su superficie (15). El espejo secundario (2) tambien tiene una normal (14) y un eje de rotacion que esta alineado con el eje (13) del espejo primario. Ambos espejos (1 y 2) estan sincronizados electronicamente ya que cada uno esta acoplado a un motor que los hace rotar (6 y 5) y tiene un sensor de posicionamiento. De esta forma el dispositivo que gobierna el movimiento de los motores es capaz de detectar y corregir posibles desviaciones en el sincronismo. El espejo primario (1) esta fijado a una estructura que contiene un cojinete (26). Esta estructura (19) esta conectada al chasis (16), e incluye un orificio alineado con el cojinete y el orificio del espejo primario, para permitir el posicionamiento del detector y/o emisor en cualquier lugar a lo largo del eje optico. La rotacion del motor (6) se transmite al espejo (1) a traves de una cinta de transmision (25). El espejo secundario (2) esta sujeto por medio de un cojinete y acoplado directamente a un motor (5). Este motor se sostiene por una estructura metalica (27), y una estructura no metalica (18) conecta la estructura (27) con el chasis (16).
En este texto, el termino "comprende" y sus variantes (tales como "comprendiendo", etc.) no debe entenderse en sentido excluyente, es decir, estos terminos no deben interpretarse como excluyentes de la posibilidad de que lo descrito y definido pueda incluir otros elementos, etapas, etc.
Por otro lado, la invencion no esta limitada obviamente a la(s) realizacion/realizaciones descrita(s) en el presente documento, sino que abarca cualquier variacion que pueda considerar cualquier experto en la tecnica (por ejemplo, en lo que se refiere a la eleccion de materiales, dimensiones, componentes, configuracion, diseno mecanico, etc.), dentro del alcance general de la invencion segun se define en las reivindicaciones.

Claims (11)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un sistema de barrido compacto adaptado para trabajar en el dominio multiespectral incluyendo el rango espectral de ondas milimetricas que comprende un espejo primario (1), un espejo secundario (2) y un chasis (16), en el que los espejos estan enfrentados entre si y estan adaptados para hacerse rotar a la misma velocidad angular con respecto al chasis en sentido contrario y estan inclinados con respecto a sus ejes de rotacion (13) y caracterizado porque el espejo primario es concavo y esta adaptado para reflejar la radiacion de un plano objeto de barrido, perpendicular al eje de rotacion de ambos espejos y hacer converger dicha radiacion, el espejo secundario es menor que el espejo primario, esta adaptado para recibir dicha radiacion concentrada y dirigirla hacia el detector y los ejes de rotacion de ambos espejos estan alineados.
  2. 2. Sistema de barrido segun la reivindicacion 1, en el que el espejo primario es esferico, parabolico, hiperbolico, elipsoidal o asferico.
  3. 3. Sistema de barrido segun cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que el espejo secundario es plano, concavo o convexo.
  4. 4. Sistema de barrido segun cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que el detector o los detectores son detectores puntuales, lineales o matriciales.
  5. 5. Sistema de barrido segun cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que el detector o los detectores estan colocados entre el espejo primario y el secundario.
  6. 6. Sistema de barrido segun cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que el detector esta colocado detras del espejo primario en una posicion correspondiente al eje optico y al plano focal y el espejo esta dotado de una abertura central.
  7. 7. Sistema de barrido segun la reivindicacion 6 que comprende adicionalmente una fuente de radiacion artificial (22) colocada cerca del detector (23) de tal manera que puede irradiarse una escena con un patron de radiacion lineal o elfptico.
  8. 8. Sistema de barrido segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende adicionalmente un motor acoplado a ambos espejos mediante engranajes de transmision.
  9. 9. Sistema de barrido segun cualquiera de las reivindicaciones 1-8 que comprende adicionalmente dos motores (6,5) correspondiendo cada uno a uno de los espejos (1,2) un sistema de sincronizacion electronico y sensores de posicion.
  10. 10. Sistema de barrido segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende adicionalmente un dispositivo separador de haz (5) y una pluralidad de detectores para recibir diferentes haces.
  11. 11. Sistema de barrido segun la reivindicacion 11, en el que el dispositivo separador de haz es un polarizador y los detectores son sensibles a los distintos estados de polarizacion.
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