La óptica infrarroja sigue los mismos principios geométricos que la óptica visible, pero las limitaciones de los materiales son radicalmente diferentes. El germanio, silicio, vidrio calcogenuro y seleniuro de zinc son los materiales clave en óptica infrarroja — ninguno de ellos se encuentra en una tienda de cámaras convencional. Comprender el aspecto óptico de su módulo de imagen térmica es fundamental para tomar decisiones informadas a nivel de sistema.
Distancia Focal y el IFOV
El campo de visión instantáneo (IFOV, por sus siglas en inglés) es el ángulo sólido subtendido por un solo píxel del detector. Es la unidad fundamental de resolución angular de su sistema de imagen:
IFOV (radianes) = paso de píxel (μm) / distancia focal (mm) × 10⁻³
Para un módulo 640×512 con paso de píxel de 12 μm y una lente de 25 mm:
IFOV = 12 × 10⁻⁶ / 0.025 = 0.48 mrad
Esto significa que cada píxel ve un segmento del mundo de 0.48 mrad. A 1000 m de distancia, un píxel cubre 0.48 m. Se necesitan al menos 2 píxeles en un objetivo para una detección confiable, por lo que el rango de detección para un objetivo de 1 m es:
R_detect = tamaño_objetivo / (IFOV × píxeles_mínimos) = 1.0 / (0.00048 × 2) = 1041 m
Campo Total de Visión
El campo de visión horizontal y vertical depende tanto de la distancia focal como del formato del arreglo:
HFOV = 2 × arctan(ancho_detector / (2 × distancia_focal))
Para un detector 640×512 con paso de 12 μm (7.68 mm × 6.14 mm) y una lente de 25 mm:
HFOV = 2 × arctan(7.68 / 50) = 17.6°
VFOV = 2 × arctan(6.14 / 50) = 14.1°
Este campo de visión de 17.6° × 14.1° cubre una huella en tierra de 307 m × 246 m a 1000 m de altitud. Para vigilancia de áreas amplias, puede ser conveniente usar lentes de 35 mm o incluso 50 mm en un detector 1280×1024 para mantener la resolución mientras se cubre más terreno.
La Compensación del Número F
El número F (o apertura relativa) es la relación entre la distancia focal y el diámetro de la pupila de entrada:
F/# = distancia focal / diámetro de apertura
Una lente más rápida (número F menor) recoge más luz — fundamental para la imagen infrarroja donde el flujo de fotones es el límite básico de sensibilidad. Sin embargo:
| Número F | Recolección de Luz | Desafío de Aberraciones | Costo |
|---|---|---|---|
| F/1.0 | Base (máximo) | Alto | Alto |
| F/1.2 | 44% menos | Moderado | Moderado |
| F/1.6 | 64% menos | Menor | Menor |
| F/2.0 | 75% menos | Bajo | Bajo |
Para LWIR sin enfriamiento, donde el NETD ya es limitado, las lentes F/1.0 son comunes a pesar de su costo. Para MWIR enfriado, donde la sensibilidad del detector es excelente, F/2.0 o F/4.0 suelen ser aceptables, permitiendo telescopios con aperturas más pequeñas a distancias focales largas.
Atermalización: El Desafío Específico del Infrarrojo
La expansión térmica hace que todos los materiales ópticos cambien su índice de refracción con la temperatura — dn/dT. En óptica visible, este efecto es lo suficientemente pequeño como para ignorarse en la mayoría de aplicaciones. En óptica infrarroja, es dominante.
Una lente de germanio LWIR sin atermalizar desplazará el punto focal decenas de micrómetros en un rango de temperatura de 60°C. En un sistema de enfoque fijo, esto se traduce en una imagen borrosa en los extremos de temperatura.
Tres enfoques para la atermalización:
- Control activo de enfoque: Enfoque motorizado que compensa la temperatura — funciona bien pero añade complejidad y consumo energético
- Atermalización pasiva: Diseñar el cuerpo de la lente con materiales de coeficientes térmicos complementarios (por ejemplo, cuerpo de aluminio + lente de germanio) — el cuerpo se expande a medida que cambia la distancia focal, manteniendo el enfoque automáticamente
- Elementos difractivos: Añadir un elemento óptico difractivo (DOE) que proporcione un dn/dT negativo para compensar el dn/dT positivo de los elementos refractivos
IRmodules integra lentes atermalizadas pasivamente con todos los módulos de la serie SPECTRA como estándar. El conjunto lente-cuerpo está ajustado para el rango de temperatura operativo especificado (típicamente -40°C a +70°C) sin necesidad de control activo de enfoque.
Elección de la Distancia Focal: Guía Rápida
| Aplicación | Distancia Focal Típica | Formato | HFOV Aproximado |
|---|---|---|---|
| Inspección aérea amplia con UAV | 9–13 mm | 640×512 | 35–50° |
| ISR estándar con UAV | 19–25 mm | 640×512 | 17–23° |
| Estación terrestre de rango medio | 50–75 mm | 640×512 | 6–9° |
| Vigilancia de largo alcance | 100–200 mm | 1280×1024 | 4–8° |
| Mira para vehículo/arma | 35–50 mm | 640×512 | 9–13° |
La distancia focal determina todo lo que sigue: campo de visión, rendimiento en alcance, tamaño de la lente y costo. Tome esta decisión correctamente desde el inicio y la integración óptica será manejable. Si se equivoca, tendrá que rediseñar la carcasa a mitad de producción.
