BR102013027425A2

BR102013027425A2 - Matriz de imagem focal multiespectral

Info

Publication number: BR102013027425A2
Application number: BRBR102013027425-9A
Authority: BR
Inventors: Thomaz Baby Sebastian; Benjamin Thomas Occhipinti; Eric Daniel Buehler; Sarah Christine Maas Stotz
Original assignee: Ge Aviat Systems Llc
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2015-05-26
Also published as: CA2831805A1; JP2014095702A; US8975594B2; EP2730900A3; US20140132946A1; CN103808409B; EP2730900A2; JP6348271B2; CN103808409A

Abstract

Matriz de imagem focal multiespectral. Trata-se de uma matriz de imagem focal multiespectral 10 que compreende, dentre outras coisas, pelo menos dois sensores (28, 30), em que cada sensor é adaptado para detectar uma imagem em uma sensibilidade espectral predeterminada diferente; uma primeira lente (14) para focalizar bandas espectrais de captura; um filtro espectral (20, 22) entre a lente (14) e os sensores (28, 30) para subdividir as bandas espectrais incidentes e uma segunda lente (24, 26) para direcionar e focalizar as bandas espectrais incidentes subdivididas em cada um dos sensores (28, 30).

Description

“MATRIZ DE IMAGEM FOCAL MULTIESPECTRAL” Antecedentes da Invenção Sistemas de imageamento multiespectral coletam e registram energia eletromagnética em múltiplas bandas espectrais distintas, inclusive a luz do comprimento de onda visível e infravermelho próximo (VNIR), ultravioleta (UV) e infravermelho (IR) do espectro. O conjunto de imagens resultante é exibida através da combinação de informações de banda espectral em um ou muitos canais para formar uma representação em escala de cinza ou colorida da imagem. Dispositivos de imageamento multiespectral são uma classe de espectrômetros que registram, de forma simultânea, energia em muitas bandas espectrais distintas em um sensor de imagem em uma profusão de elementos de figuração espacial, chamados de pixels. Os imageadores de banda larga padrão registram um valor em cada pixel para toda a energia incidente detectada através de um espectro amplo e criam uma imagem em duas dimensões espaciais a partir de uma matriz bidimensional de detectores. Os dispositivos de imageamento multiespectral se diferem dos imageadores padrões de banda larga através da criação de uma imagem com uma dimensão espectral adicional. Cada pixel multiespectral pode ter dezenas ou centenas de valores de comprimento de banda registrados, sendo que cada valor é considerado um subpixel. Uma matriz de imagem focal é um tipo de dispositivo de imageamento em que a matriz bidimensional de elementos detectores captura, em um plano focal, a energia em bandas espectrais selecionadas de modo que uma imagem possa ser construída, de forma direta, a partir dos pixels e subpixels.

Breve Descrição da Invenção Um aspecto da invenção se refere a uma matriz de imagem focal multiespectral. A matriz de imagem focal multiespectral compreende pelo menos dois sensores, em que cada sensor é adaptado para detectar uma imagem em uma sensibilidade espectral predeterminada diferente; uma primeira lente para focalizar bandas espectrais incidentes; um filtro espectral entre a lente e os pelo menos dois sensores em que o filtro espectral é configurado para subdividir as bandas espectrais incidentes; e uma segunda lente é configurada para direcionar e focalizar as bandas espectrais incidentes subdivididas em cada um dos pelo menos dois sensores.

Breve Descrição dos Desenhos Nos desenhos; A Figura 1 é uma vista esquemática de uma matriz de imagem focal multiespectral, de acordo com uma realização da presente invenção. A Figura 2 é uma vista esquemática de uma matriz de imagem focal multiespectral, de acordo com outra realização da presente invenção. A Figura 3 é uma vista esquemática de uma matriz de imagem focal multiespectral, ainda de acordo com outra modalidade da invenção. A Figura 4 é uma vista esquemática de um detector de material misturado, de acordo com uma realização da presente invenção. A Figura 5 é uma vista esquemática de um detector de material misturado de acordo com outra realização da presente invenção. A Figura 6 é uma vista esquemática de uma matriz de imagem focal multiespectral com um detector de material misturado da Figura 4 e da Figura 5, de acordo com uma realização da presente invenção.

Descrição Das Realizações Da Invenção Nos antecedentes e na seguinte descrição, para os propósitos de explicação, inúmeros detalhes específicos são apresentados a fim de fornecer um entendimento completo da tecnologia descrita no presente documento. Será evidente para um versado na técnica, no entanto, que as realizações exemplificativas podem ser praticadas sem esses detalhes específicos. Em outros exemplos, estruturas e dispositivos são mostrados em forma de diagrama a fim de facilitar a descrição das realizações exemplificativas.

As realizações exemplificativas são descritas em referência aos desenhos. Esses desenhos ilustram determinados detalhes de realizações específicas que implantam a tecnologia descrita no presente documento. No entanto, os desenhos não devem ser interpretados como imposição de quaisquer limitações que podem estar presente nos desenhos.

Os efeitos técnicos da matriz de imagem focal multiespectral revelados nas realizações incluem reduzir, de forma ótima, a complexidade de um sistema de captação que necessita reunir tanto o visível quanto a luz de infravermelho. A consolidação de sensores reduz a complexidade óptica e permite a criação de um único semicondutor de multifunção. Consequentemente, um dispositivo de imageamento multiespectral que implanta a matriz de imagem focal revelada nas realizações pode ser construído em um fator de forma menor do que a sua contraparte convencional e com peso diminuído e exigências de potência. Adicionalmente, a integração de tipos de sensores diferentes em um único semicondutor, conforme revelado nas realizações da atual invenção, conservam a potência total de luz disponível para o sistema que é tipicamente perdida devido a complexas técnicas de divisão de luz. Através da integração de sensores com sensibilidades espectrais diferentes em um único circuito integrado semicondutor, o dispositivo de imagem espectral incorporado na presente invenção pode formar, de forma substancial, conjunto de imagens de gama dinâmica em tempo real. Por fim, as realizações da matriz de imagem focal multiespectral mantêm coerência de amostragem. A Figura 1 ilustra uma matriz de imagem focal multiespectral 10, de acordo com uma realização da presente invenção. A matriz de imagem focal multiespectral 10 detecta uma imagem de um objeto 12 baseada nas intensidades de uma série de larguras de banda da energia eletromagnética refletida ou radiada a partir do objeto 12. A matriz de imagem focal multiespectral 10 inclui elementos para isolar e detectar bandas espectrais com sensibilidade espectral variante. A sensibilidade espectral é a eficácia relativa da detecção de luz como uma função do comprimento de onda da luz. A largura de banda da luz detectada é determinada através do intervalo dos comprimentos de banda em que a sensibilidade espectral não é zero. Os elementos da matriz de imagem focal multiespectral que podem afetar a sensibilidade espectral da luz incidente detectada incluem filtros espectrais 20, 22, lentes tais como matriz de microlentes 24, 26, e sensores 28, 30. Os sensores são, preferencialmente, sensores de material misturado capazes de detectar luz nos comprimentos de banda de porções múltiplas dos espectros de VNIR, UV e IR. Alternativamente, cada sensor pode ser capaz de detectar a luz em comprimentos de banda de uma única porção dos espectros de VNIR, UV e IR. Nessa implantação, espectros adicionais podem ser detectados através da adição de sensores adicionais. Adicionalmente, a matriz de imagem focal multiespectral 10 inclui elementos ópticos de imageamento que podem incluir uma lente 14 e um espelho 16. Entende-se que o número e arranjo dos elementos ópticos na matriz de imagem focal multiespectral podem se diferir, em dependência da implantação. A matriz 10 inclui uma abertura de entrada tal como uma lente 14. A lente 14 é configurada para coletar energia eletromagnética incidente. Conforme mostrado na Figura 1, a energia eletromagnética é transmitida através das lentes 14 a um espelho16. A energia eletromagnética é refletida pelo espelho 16 e passa através de um filtro espectral 22. Devido à resposta do comprimento de onda do filtro espectral variar como uma função de localização, o filtro espectral 22 é configurado para subdividir a energia eletromagnética de banda larga em uma série de bandas espectrais.

As bandas espectrais subdividas de energia eletromagnética, então, chegam à matriz de microlente 26. Cada microlente da matriz de microlente 26 direciona e focaliza as bandas espectrais subdividas de energia eletromagnética no sensor 28, conforme mostrado pela série de raios tais como 32 e 34 a partir da matriz de microlente 26 até o sensor 28. O sensor 28 é posicionado em um plano de imagem 40 ao filtro espectral 22. O sensor 28 é uma matriz de detectores em que cada detector pode ser configurado para detectar energia eletromagnética de uma banda espectral com uma sensibilidade espectral predeterminada. A configuração do filtro espectral 22, da matriz de microlente 26 e do sensor 28 é de modo que cada detector na matriz irá detectar a energia eletromagnética de uma banda espectral particular que corresponde a um segmento do objeto imageado 12. Dessa maneira, o sensor 28 inclui elementos detectores dispostos para formar um pixel multiespectral do objeto imageado 12. A série de elementos detectores do sensor 28 que detecta a energia eletromagnética incidente de reflexo ou de radiação de uma área particular de um objeto imageado 12 forma um pixel multiespectral.

Conforme mostrado na Figura 1, um acionador 36, tal como uma suspensão cardan, pode mover o espelho 16 a uma segunda posição 18. Alternativamente, um espelho deformável pode ser implantado para mover de um primeiro alinhamento a um segundo alinhamento para afetar o redirecionamento do caminho óptico da primeira posição do espelho 16 à segunda posição do espelho 18. O caminho óptico da energia eletromagnética pode ser procedido, por meio de uma propagação de espaço livre ou um tubo de luz, do espelho em 18 e um segundo filtro espectral 20. Como o primeiro filtro espectral 22, o segundo filtro espectral 20 é configurado para subdividir a energia eletromagnética de banda larga em uma série de bandas espectrais. As bandas espectrais subdividas de energia eletromagnética, então, chegam em uma segunda matriz de microlente 24 e são imageadas em um segundo sensor 30. O segundo sensor 30 é posicionado em um plano de imagem 42.

Os elementos redundantes do segundo filtro espacial 20, da segunda matriz de microlente 24 e do segundo sensor 30 permitem um formador de imagem altamente configurável. O segundo filtro espectral 20 pode ser configurado para ter uma resposta de comprimento de onda diferente do primeiro filtro espectral 22. De forma semelhante, o segundo sensor 30 pode consistir em uma matriz de detectores em que cada detector é configurada para detectar uma série de bandas espectrais com uma sensibilidade espectral diferente dos detectores análogos do primeiro sensor 28. Dessa maneira, a matriz de imagem focal multiespectral 10 pode alcançar uma resolução espectral maior, ou seja, detectar um maior número de bandas espectrais por pixel, e depois, usar um único caminho óptico do espelho 16 até o primeiro sensor 28 por meio do primeiro filtro espectral 22 e da primeira matriz de microlente 26.

Alternativamente, a matriz de imagem focal multiespectral 10 pode alcançar uma gama dinâmica maior, ou seja, um limite expandido de iluminação detectável, e depois, usar um único sensor através do uso de dois sensores 28 e 30 com sensibilidades espectrais diferentes para a mesa largura de banda espectral. Adicionalmente, de acordo com uma realização da presente invenção, a matriz de imagem focal multiespectral 10 pode aumentar, adicionalmente, o imageamento de alta gama dinâmica (HDR) através da modificação do momento da articulação de espelho. Por exemplo, O espelho em 16 passaria um tempo, relativamente curto, em uma primeira posição 16 para possibilitar que o sensor 28 capture a variação de iluminação da cena em regiões claras da imagem e um tempo, relativamente mais longo, em uma segunda posição 18 para possibilitar que o sensor 30 capture a variação da iluminação da cena nas regiões escuras da imagem. A Figura 2 ilustra uma matriz de imagem focal multiespectral 100, de acordo com outra realização da presente invenção. A abertura de entrada inclui as lentes 14 para focalizar a luz incidente. A luz passa através de um filtro espectral 110 que é configurado para subdividir as bandas espectrais incidentes.

As bandas espectrais subdividas de energia eletromagnética, então, chegam em uma matriz de microlente 112. Cada microlente da matriz de microlente 112 direciona e focaliza as bandas espectrais subdividas de energia eletromagnética em um dentre os três sensores 114, 116 e 118. Dessa maneira, a matriz de microlente 112 atua na mesma capacidade que o espelho atuante 16, 18 na Figura 1. Uma primeira subsérie de microlentes na matriz de microlente 112 pode direcionar e focalizar as bandas espectrais incidentes subdivididas a um primeiro sensor 114 posicionado em um plano de imagem 120. De forma semelhante, a segunda e terceira subséries de microlentes da matriz de microlente 112 podem direcionar e focalizar as bandas espectrais incidentes subdivididas aos segundo e terceiro sensores 116, 118 posicionados, respectivamente, nos planos de imagem 122 e 124. Conforme na realização da Figura 1, cada sensor pode consistir em uma matriz de detectores configurada para detectar uma diferente série de sensibilidades espectrais predeterminadas, assim a resolução espectral ou a gama dinâmica da matriz de imagem focal multiespectral 100 é aumentada. A Figura 3 ilustra uma matriz de imagem focal multiespectral, ainda de acordo com a um realização da presente invenção. Conforme nas Figuras 1 e 2, a abertura de entrada inclui a lente 14 para focalizar luz incidente. Conforme na Figura 2, a luz passa através de um filtro espectral 110 que é configurado para subdividir as bandas espectrais incidentes e as bandas espectrais subdividas de energia eletromagnética, então, chega em uma lente tal como a matriz de microlente 112. Cada microlente da matriz de microlente 112 direciona e focaliza as bandas espectrais subdividas de energia eletromagnética em um dentre os três sensores 210, 214, 216, cada um posicionado em um plano de imagem 226, 228 e 230. Nessa realização da presente invenção, o caminho óptico para os sensores 214 e 216 incluem uma reflexão dos espelhos 220 e 218, respectivamente.

Conforme na realização da Figura 2, os sensores 210, 214 e 216 podem ser configurados para afetar sensibilidades espectrais diferentes. Os espelhos 218, 220 são segurados, de forma estática, através das montagens 222 e 224. Como resultado, sem a exigência de mover um espelho de posição a posição, os três sensores 210, 214 e 216 podem detectar, de forma simultânea, a imagem. No entanto, os espelhos 218 e 220 podem ser movidos para configurar a quantidade de tempo em que a luz atinge o sensor 214, 216 para aumentar imageamento HDR conforme revelado anteriormente.

Para possibilitar as realizações da invenção, o sensor, conforme em 28 e 30 na realização da Figura 1, 114, 116 e 118 na realização da Figura 2 e 210, 214 e 216 na realização da Figura 3, pode incluir elementos detectores com sensibilidades espectrais diferentes ou espelhos regulados com tempos de ativação diferentes. A Figura 4 ilustra um sensor de material misturado 300, de acordo com uma realização da presente invenção, capaz de responder a uma série de bandas espectrais que variam do espectro de IR através do VNIR e no UV. O sensor 300 é um semicondutor de imageamento de matriz de imagem focal de material misturado. O semicondutor tem uma ou mais instâncias de uma matriz de detector VNIR 310, uma matriz de detector IR 312, e uma matriz de detector UV 314. Os diferentes tipos de detectores são integrados em um único semicondutor e são complanares. Cada uma das matrizes de detector 310, 312, e 314 é feita de um número de elementos detectores que irão compreende os subpixels da imagem. Cada elemento é responsivo a uma banda espectral que pode ser uma subsérie da banda espectral para a matriz de detector. Por exemplo, a matriz de detector VNIR 310 é mostrada na Figura 4 a ser feita de nove elementos de subpixel tais como 316 e 318. Cada um dos nove elementos pode ser responsivo a uma sub-banda diferente no espectro de VNIR. Em dependência da implantação, cada um dos elementos de matriz de uma matriz de detector particular pode ser responsivo a uma sub-banda espectral único aos subpixels na matriz de detector particular. No entanto, em algumas implantações, cada um dos subpixels na matriz de detector pode ser responsivo à mesma banda espectral. Nessas implantações, um filtro espectral, tal como 22 na realização da Figura 1, pode filtrar a banda espectral de energia eletromagnética incidente em um subpixel particular. Em uma realização da presente invenção, as bandas espectrais filtradas, se através da configuração do filtro espectral ou do sensor de material misturado ou da combinação de ambos, são contíguas para renderizar a matriz de imagem focal multiespectral em um dispositivo de imageamento hiperespectral.

Em outra realização do sensor de material misturado, conforme mostrado na Figura 5, elementos da matriz de detector VNIR 310, da matriz de detector IR 312 e da matriz de detector UV 314 são postos em mosaico em um padrão simples que distribui, de forma uniforme, as matrizes de detector de luz diferentes 310, 312 e 314. Os elementos de matriz de detector IR 312, fisicamente maiores, podem ser empilhados, de forma alternativa, com uma combinação dimensionável comparável de elementos de matriz de detector UV 314 e elementos de matriz de detector VNIR 310. Conforme mostrado na Figura 5, a matriz de detector VNIR 310 é mostrada para ser feita de doze elementos de subpixel. Cada um dos doze elementos pode ser responsivo a uma sub-banda diferente no espectro de VNIR. Outras configurações das matrizes de detector são possíveis, em dependência da implantação. Embora uma configuração mostrada na Figura 5 possa resultar em uma amostra uniforme, de forma espacial, da cena para as diferentes bandas espectrais, outras configurações podem ser desejadas em dependência de parâmetros de modelagem óptica específicos.

Muitos materiais semicondutores são conhecidos para serem usados na fabricação de detectores de imagem. Em qualquer outra realização da presente invenção, esses materiais podem ser combinados em um único circuito integrado. Por exemplo, os detectores de banda de UV e VNIR 310, 314 podem ser baseados em variantes de dispositivos de carga acoplada (CCD) ou detectores de semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS). Os detectores de IR 312 podem ser um fotodetector construído por telureto, índio, ou outros metais e incorporados com os detectores de VNIR e UV 310, 314. Quando se empilha os tipos de detector no mesmo semicondutor com um substrato comum para os tipos de detector, tal como silicone, os detectores são criados no mesmo wafer de base com uso de múltiplas etapas de corrosão e dopagem eletrônica para produzir um fotodetector com comprimento de onda misturado com camadas. Por exemplo, o detector de UV 314 pode ser construído nas drenas de porta do detector de VNIR em base em CCD 310. A Figura 56 ilustra uma matriz de imagem focal multiespectral com um detector de material misturado da realização da Figura 4 ou da Figura 5, de acordo com uma realização da presente invenção. Embora quaisquer realizações da matriz de imagem focal multiespectral nas Figuras 1 a 3 possam ser implantadas com um sensor de material misturado 300 exemplificado na Figura 4 ou na Figura 5, a matriz de imagem focal multiespectral 400 com um detector de material misturado na Figura 5 demonstra uma realização particularmente simples da presente invenção. A abertura de entrada inclui a lente 14 para coletar luz incidente. A luz passa através do filtro espectral 110 que é configurado para subdividir as bandas espectrais incidentes. As bandas espectrais subdividas de energia eletromagnética, então, chegam em uma lente, tal como matriz de microlente 112. Cada microlente da matriz de microlente 112 direciona e focaliza as bandas espectrais subdividas de energia eletromagnética no sensor de material misturado 410. A matriz de microlente 112 é usada para direcionar e focalizar a luz incidente no sensor de material misturado 410 para cada um dos detectores, tais como 310, 312 e 314, da realização da Figura 4 ou da Figura 5, assim cobertura determinista e atribuição física de pixels são asseguradas. O sensor 410 é posicionado em um plano de imagem 412. Essa descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, inclusive o melhor modo, e também para possibilitar que qualquer pessoa versada na técnica pratique a invenção, inclusive fabricar e usar quais dispositivos e sistemas e efetuar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido através das reivindicações anexas e podem incluir outros exemplos que ocorrem para aqueles versados na técnica. Tais outros exemplos são destinados a estarem dentro do escopo das reivindicações se os mesmos tiverem elementos estruturais que não diferem da linguagem literal das reivindicações, ou se os mesmo incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.

Claims

1. MATRIZ DE IMAGEM FOCAL MULTIESPECTRAL, que compreende: pelo menos dois sensores, em que cada sensor é adaptado para detectar uma imagem em uma sensibilidade espectral predeterminada diferente; uma primeira lente para capturar bandas espectrais incidentes; um filtro espectral entre as lentes e os pelo menos dois sensores em que o filtro espectral é configurado para subdividir as bandas espectrais incidentes; e e uma segunda lente configurada para direcionar e focalizar as bandas espectrais incidentes subdivididas em cada um dos pelo menos dois sensores.

2. MATRIZ, de acordo com a reivindicação 1, em que os pelo menos dois sensores estão em um único circuito integrado.

3. MATRIZ, de acordo com a reivindicação 1, em que a segunda lente é uma matriz de microlente.

4. MATRIZ, de acordo com a reivindicação 3, em que o filtro espectral está entre a lente e a matriz de microlente.

5. MATRIZ, de acordo com a reivindicação 3, que compreende adicionalmente um tubo de luz entre a matriz de microlente e cada um dos pelo menos dois sensores.

6. MATRIZ, de acordo com a reivindicação 3, que compreende adicionalmente um espelho fixo para direcionar a luz da matriz de microlente para cada um dos pelo menos dois sensores.

7. MATRIZ, de acordo com a reivindicação 1, que compreende adicionalmente um espelho atuante entre a lente e o filtro espectral.

8. MATRIZ, de acordo com a reivindicação 1, que compreende adicionalmente um espelho deformável entre a lente e o filtro espectral.

9. MATRIZ, de acordo com a reivindicação 1, em que os pelo menos dois sensores são coplanares.

10. MATRIZ, de acordo com a reivindicação 1, em que a sensibilidade espectral predeterminada é maximizada em pelo menos um dentre o visível e infravermelho próximo (VNIR), ultravioleta (UV) e infravermelho (IR).

11. MATRIZ, de acordo com a reivindicação 1, em que as bandas espectrais incidentes são contíguas.