EP3784998A1 - Spectrometre a imagerie pupillaire - Google Patents

Spectrometre a imagerie pupillaire

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Publication number
EP3784998A1
EP3784998A1 EP20710227.8A EP20710227A EP3784998A1 EP 3784998 A1 EP3784998 A1 EP 3784998A1 EP 20710227 A EP20710227 A EP 20710227A EP 3784998 A1 EP3784998 A1 EP 3784998A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spectrometer
mask
radiation
scene
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20710227.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Frédérick PASTERNAK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space SAS
Original Assignee
Airbus Defence and Space SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Defence and Space SAS filed Critical Airbus Defence and Space SAS
Publication of EP3784998A1 publication Critical patent/EP3784998A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0208—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0229—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using masks, aperture plates, spatial light modulators or spatial filters, e.g. reflective filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2823—Imaging spectrometer

Definitions

  • the invention relates to a pupil imaging spectrometer.
  • Spectrometers are instruments for spectral analysis of electromagnetic radiation, which are used for a large number of applications. Among these applications, spectral analyzes of radiation originating from areas of the Earth's surface are commonly performed, using spectrometers that are carried on board satellites orbiting the Earth.
  • a spectrometer comprises the following elements:
  • a radiation collecting optic which is adapted to form an image of a scene in an intermediate image plane, from radiation from the scene;
  • an assembly with a spectral spread function comprising a collimator, an imager and a spectrally active element which is adapted to deflect the radiation differently depending on a wavelength of this radiation, the spectrally active element being located between the collimator and the imager along a path of the radiation from the scene in the spectrometer;
  • the spectrally active element is a prism made of a dispersive material which is effective in the spectral range of analysis, or a grating which is suitable for this spectral range.
  • the optics for collecting radiation can be constituted by a telescope.
  • the spectrometer can be combined with a device for variable field orientation input optics of the spectrometer, or a device for scanning a scene, such as a single or dual axis steerable mirror, a steerable spectrometer stand, or an appropriate control function of the attitude control system and orbit of the satellite.
  • the mask most often has a single opening, in the form of a slit, the width of which helps to determine, along with other parameters of the spectrometer, its spatial and spectral resolutions.
  • the spectral dispersal power of the spectrally active element also helps determine the spectral resolution of the spectrometer.
  • the photodetector can be a matrix structure image sensor, with radiation intensity detection pixels which are located at intersections of rows and columns in a detection matrix. It can be such a CMOS type sensor.
  • the spectrometer is arranged so that the intermediate image plane is optically conjugated with the photosensitive surface of the photodetector through the assembly with a spectral spread function.
  • the spectrometer thus forms an image of a scene band on the photodetector, this scene band being limited by the slit of the mask in the intermediate image plane.
  • the slit of the mask thus has the function of a field diaphragm. It is oriented inside the intermediate image plane so that the scene strip which is thus imaged on the photodetector is perpendicular to the direction of the spectral spread which is produced by the spectrally active element.
  • a scan of the terrestrial area is performed so that the scene strip which is imaged moves on the photodetector parallel to the direction of the image.
  • spectral spread during the scan.
  • all the intensities which are captured by the pixels of the photodetector aligned along the direction of the spectral spread are relative to the same spatial sampling portion of the scene, for spectral sampling intervals - ie in length waveform - which are determined by the position of each pixel along the spectral spread direction.
  • the direction of the lines corresponds to a transverse direction in the scanning swath
  • the direction of the columns simultaneously corresponds to the direction of the scanning of the terrestrial area and to the direction of spectral spread.
  • the roles of the rows and the columns can be exchanged depending on the implementations of the matrix image sensor.
  • the luminosity of the spectra which are thus obtained for spatial sampling segments of the scene strip, successive in the transverse direction of the swath, depends on the size of the entrance pupil of the spectrometer.
  • This entrance pupil is generally determined by the radiation collection optics, and the spectrometer is arranged so that its exit pupil is located substantially at the level of the spectrally active element.
  • FIG. 1 a and [Fig. 1 b] show such a spectrometer as known from the prior art.
  • the references which are indicated in these figures have the following meanings:
  • collimator which may be a converging lens or a combination of several lenses or mirrors
  • spectrally active element for example a prism, it being understood that a deviation of the optical axis of the spectrometer which may be due to this spectrally active element is not shown, for the sake of clarity of the figures
  • imager which may consist of a converging lens or a combination of several lenses or mirrors
  • FIG. 1 a shows the formation of the spectrum which is captured for a spatial sampling segment in the length of the scene band delimited by the slit of the mask 2.
  • FIG. 1 b shows the formation of the images of three points of the scene strip, which are located at different places along the transverse direction of swath X, by rays of the same wavelength which pass against two edges opposites of the entrance pupil PE. These images are denoted ⁇ ⁇ , l 2 and l 3 .
  • the spectral response of the spectrometer for a scene sample depends not only on the characteristics of the spectrometer, but also on the illumination distribution in the scene sample.
  • the detection signal which is produced by each pixel of the photodetector may vary as the luminance distribution varies spatially within the scene sample which is conjugated with that pixel. Because of this, a reconstruction of the luminance profile of the scene from the signals which are produced by the pixels of the photodetector, using a theoretical spectral response established for a uniform distribution of luminance, generates radiometric errors.
  • mirror slot scrambler To avoid such errors, it is known to use a system called mirror slot scrambler. Such a system consists of two mirrors which are arranged facing each other from the intermediate image plane, these mirrors being parallel to one another and parallel to the optical axis of the spectrometer. Space between the two mirrors at the level of the intermediate image plane replaces the slit, and the mirrors reflect one or more times parts of the radiation beam which comes from the stage strip. These reflections have the effect of blurring the spatial content of the scene strip along the direction of spectral spreading, and therefore of homogenizing the spectral response of the spectrometer.
  • the mirror slit scrambling system generates an anamorphosis because the intermediate image plane is located at the entrance of the equivalent slit according to the y direction of spectral spreading, and at the exit of the equivalent slit according to the x d direction imagery.
  • An aim of the present invention is therefore to provide a new spectrometer, for which the spectral response is less or is not sensitive to the distribution of luminance within a spatial sample of the scene, and for which at least some of the drawbacks cited above are reduced.
  • a first aspect of the invention provides a spectrometer with collection optics, mask, assembly with spectral spreading function and photodetector as indicated above, but in which the mask comprises several openings which are offset within the intermediate image plane.
  • the spectrometer further comprises:
  • a pupillary imaging system which is arranged between the optics for collecting radiation and the assembly having a spectral spreading function along the path of the radiation coming from the scene in the spectrometer, the pupil imaging system being adapted to simultaneously form in an object plane of the spectral spread function array, which is optically conjugated with the photodetector, multiple intermediate images of the entrance pupil of the spectrometer with distinct beams of the radiation from the scene which pass through the apertures of the mask, a separate intermediate image of the entrance pupil being formed from the beam of each aperture of the mask, so that the spectral spread function assembly then forms a separate image of the pupil input of the spectrometer to the photodetector from each intermediate image of the entrance pupil, for each wavelength of an operating spectral range of the spec trometer.
  • the pupillary imaging system is such that any two images of the entrance pupil of the spectrometer formed from beams which pass through distinct openings of the mask, have between they have an offset component which is perpendicular to the direction of spectral spread of the spectrally active element.
  • the pupil imaging system produces the slit scrambler function. For this, it replaces, vis-à-vis the assembly having a spectral spread function and the photodetector, the slit used in the prior art by images of the entrance pupil of the spectrometer which are produced by beams. from separate sample areas of the stage. Simultaneously, for each spectrum which is formed on the photodetector corresponding to a distinct sampling zone of the scene, the opening of the mask in which this zone is imaged by the collection optics, serves as a pupil. A total or quasi-total interference function is thus obtained, with respect to inhomogeneities of luminance distribution that may exist within each spatial sample of the scene.
  • the pupil imaging system is also suitable for forming an image of each opening of the mask, through the collimator, at the level of the spectrally active element.
  • the spectrometer may further comprise a pupillary mask which is arranged in the object plane of the assembly with a spectral spread function, this pupil mask comprising several openings, with a separate opening which is separately dedicated to each opening of the mask of the intermediate image plane, the openings of the pupil mask determining the entrance pupil of the spectrometer as a common object which is conjugated by the pupil imaging system with all the openings of the pupil mask.
  • a pupillary mask which is arranged in the object plane of the assembly with a spectral spread function, this pupil mask comprising several openings, with a separate opening which is separately dedicated to each opening of the mask of the intermediate image plane, the openings of the pupil mask determining the entrance pupil of the spectrometer as a common object which is conjugated by the pupil imaging system with all the openings of the pupil mask.
  • the pupillary imaging system can comprise several optical subsystems which are dedicated one by one to the apertures of the mask, each optical subsystem being offset parallel to the plane of intermediate image so that a beam of the radiation which comes from the scene and which passes through one of the openings, then passes through the optical subsystem which is dedicated to this opening.
  • each optical subsystem can comprise two converging lenses which have equal focal lengths and a common optical axis, with a first of these two converging lenses which is substantially superimposed on the plane of intermediate image, and the second of the two converging lenses which is located downstream of the first in the direction of propagation of the radiation which comes from the scene, and at a distance from this first lens which is substantially equal to the focal length of the two lenses .
  • the common optical axis of the two converging lenses of each of the optical subsystems is parallel to the optical axis of the spectrometer.
  • the first converging lenses of all the optical subsystems can be microlenses formed in a first transparent plate which is common to all the optical subsystems.
  • the second converging lenses of all optical subsystems can be other microlenses formed in a second transparent plate which is also common to all optical subsystems.
  • the Pupillary imaging system can thus be simple to assemble and align within the spectrometer.
  • a further improvement may in addition consist, for such embodiments of the invention, in that the mask is at least partly formed on an entry face of the first transparent plate, facing towards the optics for collecting radiation. For this, one of the openings is located on each microlens which constitutes one of the first converging lenses.
  • each optical subsystem it is also possible to use a single converging lens, of the thick lens type, instead of the two lenses described above.
  • the optical subsystem is then formed by this single converging lens.
  • each converging lens of optical subsystem may be a microlens formed in a transparent plate which is common to all optical subsystems.
  • the photodetector can be a matrix image sensor, with a direction of columns or rows of this sensor which is parallel to the direction of spectral spread of the spectrally active element;
  • the pupillary imaging system can be such that the images of the entrance pupil of the spectrometer which are formed on the photodetector by the beams of radiation coming from the scene which pass through different apertures of the mask, do not overlap;
  • the radiation collection optics can be telecentric, so that the optical subsystems of the pupil imaging system can then be identical;
  • each opening of the mask can be rectangular, with a length and a width of this opening which are less than 3 mm (millimeter), preferably less than 1 mm.
  • a second aspect of the invention proposes a method of spectrometric analysis of a zone on the surface of the Earth, called an analysis zone, according to wherein a spectrometer which conforms to the first aspect of the invention is on board a satellite orbiting the Earth.
  • the method then comprises the following steps, performed on board the satellite:
  • each captured image containing, separately for each of several spatial sampling portions of the analysis area which are delimited by the openings of the mask, a spectrum of the part of the radiation which selectively comes from this spatial sampling portion of the analysis area.
  • FIG. 1 a and [Fig. 1 b], already described, are optical diagrams of a spectrometer as known from the prior art;
  • FIG. 2a] and FIG. 2b] correspond respectively to [Fig. 1 a] and [Fig. 1 b], for a spectrometer according to the invention
  • FIG. 3 shows a mask which can be used in the spectrometer of [Fig. 2a] and [Fig. 2b];
  • FIG. 4a symbolically shows a pupillary imaging system that can be used in the spectrometer of [Fig. 2a] and [Fig. 2b];
  • FIG. 4b corresponds to [Fig. 4a] for a particular embodiment of the pupillary imaging system
  • - [Fig. 5] shows an image as captured by a photodetector of a spectrometer according to [Fig. 2a], [Fig. 2b], [Fig. 3] and [Fig. 4b].
  • the photodetector 7 is a matrix image sensor, for example of the CMOS type.
  • a photodetector comprises radiation intensity detection pixels which are independent, and located at the intersections of rows and columns forming a matrix.
  • the photodetector 7 is oriented so that its row direction is parallel to the x direction, and its column direction is parallel to the y direction.
  • the terms “perpendicular” and “parallel” must be understood in the optical sense, that is to say that two directions are considered perpendicular (resp. Parallel) if the image of one through some of the optical components of the spectrometer is perpendicular (resp. parallel) to the other direction.
  • the spectrally active element 5 can be a prism.
  • the collimator 4 and the imager 6 can each be a converging lens or a combination of several lenses or mirrors.
  • the photosensitive surface of the image sensor 7 is located in the image focal plane of the imager 6.
  • the radiation collection optics 1 can be a telescope of a type known to those skilled in the art. It forms an image of a scene to be analyzed in the intermediate image plane PI. In a known manner, this collection optic 1, in particular a primary mirror of the telescope used, can determine the entrance pupil PE of the spectrometer 10.
  • a mask 2 with multiple apertures is used in the intermediate image plane PI, and a pupillary imaging optic is used so that images of the entrance pupil PE are formed on the photodetector 7, each image being formed with a part of the radiation which has passed through one of the openings of the mask 2.
  • each opening of the mask 2 has a pupil function for the radiation which has passed through this opening and which reaches the photodetector 7, and this radiation comes selectively from a spatial sampling portion of the scene, delimited by the corresponding opening of the mask 2.
  • the mask 2 can have a configuration of openings as shown in [Fig. 3].
  • the plurality of openings Oi, 0 2 , 0 3 , ... can be distributed so that no strip parallel to the Y axis exists between two successive openings in the X direction, without being cut by the one of those openings.
  • a swath is traveled, which appears continuous in the X direction between two lateral swath edges.
  • the openings Oi, 0 2 , 0 3 , ... can be distributed so that their projections on the direction X, parallel to the direction Y, do not overlap.
  • each of the openings Oi, 0 2 , 0 3 , ... can have a length L, parallel to the X direction, of about 500 ⁇ m (micrometer), and a width I, parallel to the Y direction, of 350 ⁇ m, and all openings Oi, 0 2 , 0 3 , ... can belong alternately to one of two rows each parallel to the X direction.
  • the pupillary imaging system 3 can comprise an optical subsystem which is constituted by two converging lenses 3i and 3 2 , these can be identical.
  • the two converging lenses 3i and 3 2 can be arranged along a common optical axis, which is further parallel to the optical axis Z of the spectrometer 10 and can pass through a center of the corresponding opening Oi, 0 2 , ... of the mask 2.
  • the converging lenses 3i and 3 2 of the same optical subsystem can have respective focal lengths which are equal, and equal to the separation distance d between the two lenses, in the thin lens approximation. Furthermore, the converging lens 3i of each optical subsystem, closest to the radiation collecting optics 1, can be superimposed or substantially superimposed on the intermediate image plane PI. It is then against the mask 2. Under these conditions, each optical sub-system forms an image of the entrance pupil PE of the spectrometer 10 which is located substantially at the level of the converging lens 3 2 of this optical sub-system.
  • the plane which contains all the images of the entrance pupil PE of the spectrometer 10 which are formed by all the optical subsystems of the pupil imaging system 3, is denoted PE '.
  • all the images thus formed in the plane PE ', of the entry pupil PE of the spectrometer 10, are distributed in the plane PE' according to a distribution which corresponds to that of the openings Oi, 0 2 , 0 3 ,. .. of mask 2 in the intermediate image plane PI.
  • FIG. 4b shows a possible embodiment of the pupillary imaging system 3, which corresponds to the optical principle illustrated by [FIG. 4a].
  • All the converging lenses 3-i, 3 2 can be identical, of the plano-convex type with their plane faces turned towards the outside of the system 3. Then, all the converging lenses 3i, belonging one-to-one to the subsystems system 3 optics, can be produced in the form of microlenses in a first plate transparent 3a, and all the convergent lenses 3 2 , also belonging one to one to the optical subsystems of the system 3, can be produced in the same way in the form of microlenses in a second transparent plate 3b.
  • the entry face FE of the microlens plate 3a which is flat
  • the exit face FS of the microlens plate 3b which is also flat, can be superimposed on the plane PE 'of the images of the entrance pupil PE.
  • the microlens plates 3a and 3b can be made of silica (Si0 2 ). Each microlens forming one of the converging lenses 3i or 3 2 can have a radius of curvature of 1.15 mm for its convex face and a thickness of 720 ⁇ m, corresponding to a focal length of 1.95 mm. The distance d between the plates 3a and 3b can then be 1.90 mm, and each microlens can have a diameter of 800 ⁇ m, parallel to the planes PI and PE '. Under these conditions, the entrance pupil PE can be chosen so that each of its images, as formed by any one of the optical subsystems of the pupil imaging system 3, has a length of about 420 ⁇ m depending on the size. x direction, and a width of about 130 ⁇ m in the y direction, in the PE 'plane.
  • the mask 2 as shown in [Fig. 3] and with the dimensions indicated above for the openings Oi, 0 2 , 0 3 , ... of the mask 2, can be separated from the converging lenses 3-
  • Such an embodiment for which all the openings Oi, 0 2 , 0 3 , ... of the mask 2 are identical, and all the optical subsystems of the pupillary imaging system 3 are identical, is particularly suitable when the radiation collection optic 1 is telecentric.
  • Those skilled in the art are familiar with such telecentric collection optics, so that it is not necessary to describe examples of them here.
  • the assembly with a spectral spreading function comprising the collimator 4, the spectrally active element 5 and the imager 6, listed in order according to the direction of propagation of the radiation inside the spectrometer 10, is arranged so that the object focal plane of the collimator 4 coincides with the PE 'plane of the images of the entrance pupil PE.
  • each image of the entrance pupil PE as it exists in the plane PE ', is re-imaged for each wavelength of radiation on the surface of the photodetector 7 through the assembly with a spread function spectral.
  • these pupillary images on the photodetector 7 are denoted PE-i, PE 2 , PE 3 , ... in [Fig. 2b] and [Fig. 5].
  • the spectrum Si extends from the pupillary image PE-i on the photodetector 7, and corresponds to a spatial sampling portion of the scene area located in the input optical field of the spectrometer 10, such as that delimited by the opening Oi of the mask 2.
  • the spectrum S 2 extends from the pupillary image PE 2 on the photodetector 7, and corresponds to another spatial sampling portion of the scene area as delimited by the opening 0 2 of the mask 2. Ditto for the spectrum S 3 with respect to the pupillary image PE 3 and the opening 0 3 of the mask 2, etc.
  • Each operating sequence of the photodetector 7 thus makes it possible to simultaneously acquire the spectra of several spatial samples of the scene, which are distinct. Such a faculty is called co-registration in the jargon of those skilled in the art.
  • the replacement which is carried out by the pupillary imaging system 3 on the photodetector 7, of the respective images of the openings Oi, 0 2 , 0 3 , ... of the mask 2 by the images PE-i, PE 2 , PE 3 , ... of the entrance pupil PE of the spectrometer 10, ensures homogenization of the distribution of luminance inside each spatial sampling portion of the scene which is delimited by one of the openings Ch, 0 2 , 0 3 , ... of mask 2. In this way, a luminance distribution within the scene can be reconstructed from images captured by photodetector 7, using a response function spectral set for uniform luminance conditions in the scene.
  • the pupillary imaging system 3 provides a function of total or almost total scrambling of luminance inhomogeneities which may exist within each spatial scene sample which is delimited by one of the openings Oi, 0 2 , 0 3 , ... of mask 2.
  • the focal length of the converging lenses 3i and 3 2 , and the position of the spectrally active element 5 between the collimator 4 and the imager 6, can be chosen so that the pupil imaging system 3 forms images of the apertures Oi, 0 2 , 0 3 , ... of the mask 2, through the collimator 4, in a plane PI 'which is roughly superimposed on the spectrally active element 5.
  • the invention can be reproduced by modifying secondary aspects of the embodiments which have been described in detail above, while retaining at least some of the cited advantages.
  • the apertures of the mask may have offsets along the Y axis which are different from those shown in [Fig. 3], and the pupillary imaging system may have different constitutions from that of [Fig. 4a] and [Fig. 4b].
  • all the numerical values which have been quoted are only for illustration, and can be changed depending on the application considered.

Landscapes

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Abstract

Un spectromètre (10) comprend une optique de collecte de rayonnement (1), un masque (2) à plusieurs ouvertures, un système d'imagerie pupillaire (3), un ensemble à fonction d'étalement spectral et un photodétecteur (7). Le système d'imagerie pupillaire forme des images (PE1, PE2, PE3,…) d'une pupille d'entrée (PE) du spectromètre sur le photodétecteur, à travers l'ensemble à fonction d'étalement spectral. De cette façon, une homogénéisation est obtenue pour la fonction de réponse spectrale du spectromètre, par rapport à des inhomogénéités de répartition de luminance pouvant exister à l'intérieur de chaque échantillon spatial de la scène.

Description

Description
Titre : SPECTROMETRE A IMAGERIE PUPILLAIRE Domaine technique
[0001] L’invention concerne un spectromètre à imagerie pupillaire. Technique antérieure
[0002] Les spectromètres sont des instruments d’analyse spectrale de rayonnements électromagnétiques, qui sont utilisés pour de très nombreuses applications. Parmi ces applications, des analyses spectrales de rayonnements qui proviennent de zones de la surface de la Terre sont couramment effectuées, en utilisant des spectromètres qui sont embarqués à bord de satellites en orbite autour de la Terre.
[0003] De façon connue, un spectromètre comprend les éléments suivants :
- une optique de collecte de rayonnement, qui est adaptée pour former une image d’une scène dans un plan d’image intermédiaire, à partir d’un rayonnement provenant de la scène ;
- un masque qui est disposé dans le plan d’image intermédiaire, avec au moins une ouverture pour transmettre du rayonnement à travers ce masque ;
- un ensemble à fonction d’étalement spectral, comprenant un collimateur, un imageur et un élément actif spectralement qui est adapté pour dévier le rayonnement différemment en fonction d’une longueur d’onde de ce rayonnement, l’élément actif spectralement étant situé entre le collimateur et l’imageur le long d’un trajet du rayonnement provenant de la scène dans le spectromètre ; et
- un photodétecteur qui est disposé dans un plan focal image de l’imageur.
[0004] De façon générale, l’élément actif spectralement est un prisme en un matériau dispersif qui est efficace dans le domaine spectral d’analyse, ou un réseau qui est adapté pour ce domaine spectral.
[0005] Pour les applications spatiales en particulier, l’optique de collecte de rayonnement peut être constituée par un télescope. Eventuellement, le spectromètre peut être combiné avec un dispositif d’orientation variable du champ optique d’entrée du spectromètre, ou un dispositif de balayage d’une scène, tel qu’un miroir orientable à un ou deux axes, un support orientable du spectromètre ou une fonction de commande appropriée du système de contrôle d’attitude et d’orbite du satellite.
[0006] Le masque possède le plus souvent une seule ouverture, en forme de fente dont la largeur contribue à déterminer, avec d’autres paramètres du spectromètre, ses résolutions spatiale et spectrale. Le pouvoir de dispersion spectrale de l’élément actif spectralement participe aussi à déterminer la résolution spectrale du spectromètre.
[0007] Le photodétecteur peut être un capteur d’image à structure matricielle, avec des pixels de détection d’intensité de rayonnement qui sont situés à des intersections de lignes et de colonnes dans une matrice de détection. Ce peut être un tel capteur de type CMOS.
[0008] De façon usuelle avant la présente invention, le spectromètre est agencé pour que le plan d’image intermédiaire soit conjugué optiquement avec la surface photosensible du photodétecteur à travers l’ensemble à fonction d’étalement spectral. Le spectromètre forme ainsi une image d’une bande de la scène sur le photodétecteur, cette bande de scène étant limitée par la fente du masque dans le plan d’image intermédiaire. La fente du masque possède ainsi une fonction de diaphragme de champ. Elle est orientée à l’intérieur du plan d’image intermédiaire pour que la bande de scène qui est ainsi imagée sur le photodétecteur soit perpendiculaire à la direction de l’étalement spectral qui est produite par l’élément actif spectralement. Alors, pour une application d’analyse spectrale d’une zone terrestre à partir d’un satellite, un balayage de la zone terrestre est effectué de sorte que la bande de scène qui est imagée se déplace sur le photodétecteur parallèlement à la direction de l’étalement spectral, pendant le balayage. A un instant donné, toutes les intensités qui sont saisies par des pixels du photodétecteur alignés selon la direction de l’étalement spectral sont relatives à une même portion d’échantillonnage spatial de la scène, pour des intervalles d’échantillonnage spectral - i.e. en longueur d’onde - qui sont déterminés par la position de chaque pixel le long de la direction d’étalement spectral. Ainsi, dans la matrice du capteur d’image, la direction des lignes correspond à une direction transversale dans la fauchée de balayage, et la direction des colonnes correspond simultanément à la direction du balayage de la zone terrestre et à la direction d’étalement spectral. Eventuellement, les rôles des lignes et des colonnes peuvent être échangés en fonction des mises en oeuvre du capteur d’image matriciel.
[0009] La luminosité des spectres qui sont ainsi obtenus pour des segments d’échantillonnage spatial de la bande de scène, successifs selon la direction transversale de la fauchée, dépend de la taille de la pupille d’entrée du spectromètre. Cette pupille d’entrée est déterminée en général par l’optique de collecte de rayonnement, et le spectromètre est agencé pour que sa pupille de sortie soit située sensiblement au niveau de l’élément actif spectralement.
[0010] [Fig. 1 a] et [Fig. 1 b] montrent un tel spectromètre tel que connu de l’art antérieur. Les références qui sont indiquées dans ces figures ont les significations suivantes :
10 spectromètre dans son ensemble
1 optique de collecte du rayonnement, représentée symboliquement mais qui peut être un télescope
2 masque avec fente
4 collimateur, pouvant être constitué par une lentille convergente ou une combinaison de plusieurs lentilles ou miroirs
5 élément actif spectralement, par exemple un prisme, étant entendu qu’une déviation de l’axe optique du spectromètre qui peut être due à cet élément actif spectralement n’est pas représentée, pour raison de clarté des figures
6 imageur, pouvant être constitué par une lentille convergente ou une combinaison de plusieurs lentilles ou miroirs
7 photodétecteur
B flèche de balayage de la zone de scène, par exemple du fait du défilement du satellite au-dessus de cette zone de scène
X direction transversale de fauchée pour le balayage B dans la zone de scene x direction d’imagerie à la surface du photodétecteur, conjuguée avec la direction de longueur de la fente du masque, et destinée à correspondre à la direction transversale de fauchée X
Y direction du balayage B dans la zone de scène
y direction d’étalement spectral à la surface du photodétecteur, destinée à être superposée à une direction conjuguée avec la direction de balayage Y
Z axe optique du spectromètre
PI plan d’image intermédiaire
PE pupille d’entrée du spectromètre
PS plan de pupille de sortie du spectromètre
[0011] [Fig. 1 a] montre la formation du spectre qui est saisi pour un segment d’échantillonnage spatial dans la longueur de la bande de scène délimitée par la fente du masque 2. Les rayons correspondant à trois longueurs d’onde distinctes, notées l-i, l2 et l3, sont représentés.
[0012] [Fig. 1 b] montre la formation des images de trois points de la bande de scène, qui sont situés à des endroits différents le long de la direction transversale de fauchée X, par des rayons d’une même longueur d’onde qui passent contre deux bords opposés de la pupille d’entrée PE. Ces images sont notées \^, l2 et l3.
[0013] Or la réponse spectrale du spectromètre pour un échantillon de scène dépend non seulement des caractéristiques du spectromètre, mais aussi de la répartition d’éclairement dans l’échantillon de scène. Autrement dit, le signal de détection qui est produit par chaque pixel du photodétecteur peut varier lorsque la répartition de luminance varie spatialement à l’intérieur de l’échantillon de scène qui est conjugué avec ce pixel. A cause de cela, une reconstruction du profil de luminance de la scène à partir des signaux qui sont produits par les pixels du photodétecteur, en utilisant une réponse spectrale théorique établie pour une répartition uniforme de luminance, génère des erreurs radiométriques.
[0014] Pour éviter de telles erreurs, il est connu d’utiliser un système appelé brouilleur de fente à miroirs. Un tel système est constitué par deux miroirs qui sont disposés en vis-à-vis à partir du plan d’image intermédiaire, ces miroirs étant parallèles l’un à l’autre et parallèles à l’axe optique du spectromètre. L’espace entre les deux miroirs au niveau du plan d’image intermédiaire remplace la fente, et les miroirs réfléchissent une ou plusieurs fois des parties du faisceau de rayonnement qui provient de la bande de scène. Ces réflexions ont pour effet de brouiller le contenu spatial de la bande de scène selon la direction d’étalement spectral, et donc d’homogénéiser la réponse spectrale du spectromètre.
[0015] Mais un tel système brouilleur de fente à miroirs possède une efficacité d’homogénéisation de la réponse spectrale qui est limitée, et présente en outre les inconvénients suivants :
- la largeur de fente étant en général très petite, de l’ordre de quelques dizaines de micromètres, le système brouilleur de fente à miroirs est difficile à fabriquer avec précision ;
- le mélange des réflexions multiples à l’intérieur du système brouilleur de fente à miroirs produit des interférences, qui génèrent elles-mêmes d’autres inhomogénéités difficilement maîtrisables ; et
- le système brouilleur de fente à miroirs génère une anamorphose car le plan d’image intermédiaire se trouve à l’entrée de la fente équivalente selon la direction y d’étalement spectral, et à la sortie de la fente équivalente selon la direction x d’imagerie.
Problème technique
[0016] Un but de la présente invention est alors de proposer un nouveau spectromètre, pour lequel la réponse spectrale est moins ou n’est pas sensible à la répartition de luminance à l’intérieur d’un échantillon spatial de la scène, et pour lequel certains au moins des inconvénients cités ci-dessus sont réduits.
Résumé de l’invention
[0017] Pour atteindre ce but ou un autre but, un premier aspect de l’invention propose un spectromètre à optique de collecte, masque, ensemble à fonction d’étalement spectral et photodétecteur comme indiqué ci-dessus, mais dans lequel le masque comprend plusieurs ouvertures qui sont décalées à l’intérieur du plan d’image intermédiaire. [0018] De plus, le spectromètre comprend en outre :
- un système d’imagerie pupillaire, qui est disposé entre l’optique de collecte de rayonnement et l’ensemble à fonction d’étalement spectral le long du trajet du rayonnement provenant de la scène dans le spectromètre, le système d’imagerie pupillaire étant adapté pour former simultanément dans un plan d’objet de l’ensemble à fonction d’étalement spectral, qui est conjugué optiquement avec le photodétecteur, des images intermédiaires multiples de la pupille d’entrée du spectromètre avec des faisceaux distincts du rayonnement provenant de la scène qui traversent les ouvertures du masque, une image intermédiaire séparée de la pupille d’entrée étant formée à partir du faisceau de chaque ouverture du masque, de sorte que l’ensemble à fonction d’étalement spectral forme ensuite une image séparée de la pupille d’entrée du spectromètre sur le photodétecteur à partir de chaque image intermédiaire de la pupille d’entrée, pour chaque longueur d’onde d’un domaine spectral de fonctionnement du spectromètre.
[0019] De plus, selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, le système d’imagerie pupillaire est tel que deux images quelconques de la pupille d’entrée du spectromètre formées à partir de faisceaux qui traversent des ouvertures distinctes du masque, possèdent entre elles une composante de décalage qui est perpendiculaire à la direction d’étalement spectral de l’élément actif spectralement.
[0020] Ainsi, dans un spectromètre conforme à l’invention, le système d’imagerie pupillaire produit la fonction de brouilleur de fente. Pour cela, il remplace, vis-à-vis de l’ensemble à fonction d’étalement spectral et du photodétecteur, la fente utilisée dans l’art antérieur par des images de la pupille d’entrée du spectromètre qui sont produites par des faisceaux provenant de zones d’échantillonnage séparées de la scène. Simultanément, pour chaque spectre qui est formé sur le photodétecteur correspondant à une zone distincte d’échantillonnage de la scène, l’ouverture du masque dans laquelle cette zone est imagée par l’optique de collecte, sert de pupille. Une fonction de brouillage total ou quasi-total est ainsi obtenue, par rapport à des inhomogénéités de répartition de luminance pouvant exister à l’intérieur de chaque échantillon spatial de la scène. [0021] Préférablement, le système d’imagerie pupillaire est aussi adapté pour former une image de chaque ouverture du masque, à travers le collimateur, au niveau de l’élément actif spectralement.
[0022] Possiblement, le spectromètre peut comprendre en outre un masque pupillaire qui est disposé dans le plan d’objet de l’ensemble à fonction d’étalement spectral, ce masque pupillaire comportant plusieurs ouvertures, avec une ouverture distincte qui est dédiée séparément à chaque ouverture du masque du plan d’image intermédiaire, les ouvertures du masque pupillaire déterminant la pupille d’entrée du spectromètre en tant qu’objet commun qui est conjugué par le système d’imagerie pupillaire avec toutes les ouvertures du masque pupillaire.
[0023] Dans des réalisations préférées de l’invention, le système d’imagerie pupillaire peut comprendre plusieurs sous-systèmes optiques qui sont dédiés un- à-une aux ouvertures du masque, chaque sous-système optique étant décalé parallèlement au plan d’image intermédiaire de sorte qu’un faisceau du rayonnement qui provient de la scène et qui traverse une des ouvertures, traverse ensuite le sous-système optique qui est dédié à cette ouverture.
[0024] Pour de telles réalisations de l’invention, chaque sous-système optique peut comprendre deux lentilles convergentes qui ont des longueurs focales égales et un axe optique commun, avec une première de ces deux lentilles convergentes qui est sensiblement superposée au plan d’image intermédiaire, et la seconde des deux lentilles convergentes qui est située en aval de la première dans le sens de propagation du rayonnement qui provient de la scène, et à une distance de cette première lentille qui est sensiblement égale à la longueur focale des deux lentilles. En outre, l’axe optique commun des deux lentilles convergentes de chacun des sous-systèmes optiques est parallèle à l’axe optique du spectromètre. Avantageusement alors, les premières lentilles convergentes de tous les sous- systèmes optiques peuvent être des microlentilles formées dans une première plaque transparente qui est commune à tous les sous-systèmes optiques. De même, les secondes lentilles convergentes de tous les sous-systèmes optiques peuvent être d’autres microlentilles formées dans une seconde plaque transparente qui est aussi commune à tous les sous-systèmes optiques. Le système d’imagerie pupillaire peut ainsi être simple à assembler et à aligner au sein du spectromètre. Un perfectionnement supplémentaire peut en plus consister, pour de telles réalisations de l’invention, en ce que le masque soit au moins en partie formé sur une face d’entrée de la première plaque transparente, tournée vers l’optique de collecte de rayonnement. Pour cela, une des ouvertures est située sur chaque microlentille qui constitue une des premières lentilles convergentes.
[0025] Au sein de chaque sous-système optique, il est aussi possible d’utiliser une seule lentille convergente, de type lentille épaisse, à la place des deux lentilles décrites précédemment. Le sous-système optique est alors constitué par cette lentille convergente unique. Dans ce cas, chaque lentille convergente de sous-système optique peut être une microlentille formée dans une plaque transparente qui est commune à tous les sous-systèmes optiques.
[0026] De façon générale pour l’invention, l’une au moins des caractéristiques additionnelles suivantes peut être reproduite optionnellement, seule ou en combinaison de plusieurs d’entre elles :
- le photodétecteur peut être un capteur d’image matriciel, avec une direction de colonnes ou de lignes de ce capteur qui est parallèle à la direction d’étalement spectral de l’élément actif spectralement ;
- le système d’imagerie pupillaire peut être tel que les images de la pupille d’entrée du spectromètre qui sont formées sur le photodétecteur par les faisceaux de rayonnement provenant de la scène qui traversent des ouvertures différentes du masque, ne se recouvrent pas ;
- l’optique de collecte de rayonnement peut être télécentrique, si bien que les sous-systèmes optiques du système d’imagerie pupillaire peuvent alors être identiques ; et
- chaque ouverture du masque peut être rectangulaire, avec une longueur et une largeur de cette ouverture qui sont inférieures à 3 mm (millimètre), de préférence inférieures à 1 mm.
[0027] Enfin, un second aspect de l’invention propose procédé d’analyse spectrométrique d’une zone à la surface de la Terre, dite zone d’analyse, suivant lequel un spectromètre qui est conforme au premier aspect de l’invention est à bord d’un satellite en orbite autour de la Terre.
[0028] Le procédé comprend alors les étapes suivantes, réalisées à bord du satellite :
- diriger un champ optique d’entrée du spectromètre vers la zone d’analyse, de sorte que du rayonnement provenant de cette zone d’analyse pénètre dans le spectromètre ;
- orienter le spectromètre de sorte qu’une direction de balayage de la zone d’analyse soit parallèle à la direction d’étalement spectral de l’élément actif spectralement ; et
- activer le photodétecteur pour saisir des images successives pendant le balayage de la zone d’analyse, chaque image saisie contenant, séparément pour chacune de plusieurs portions d’échantillonnage spatial de la zone d’analyse qui sont délimitées par les ouvertures du masque, un spectre de la partie du rayonnement qui provient sélectivement de cette portion d’échantillonnage spatial de la zone d’analyse.
Brève description des dessins
[0029] Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles :
- [Fig. 1 a] et [Fig. 1 b], déjà décrites, sont des schémas optiques d’un spectromètre tel que connu de l’art antérieur ;
- [Fig. 2a] et [Fig. 2b] correspondent respectivement à [Fig. 1 a] et [Fig. 1 b], pour un spectromètre conforme à l’invention ;
- [Fig. 3] représente un masque qui peut être utilisé dans le spectromètre de [Fig. 2a] et [Fig. 2b] ;
- [Fig. 4a] montre symboliquement un système d’imagerie pupillaire qui peut être utilisé dans le spectromètre de [Fig. 2a] et [Fig. 2b] ;
- [Fig. 4b] correspond à [Fig. 4a] pour un mode de réalisation particulier du système d’imagerie pupillaire ; et - [Fig. 5] montre une image telle que saisie par un photodétecteur d’un spectromètre conforme à [Fig. 2a], [Fig. 2b], [Fig. 3] et [Fig. 4b].
Description détaillée de l’invention
[0030] Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés dans ces figures ne correspondent ni à des dimensions réelles, ni à des rapports de dimensions réels. En outre, certains de ces éléments ne sont représentés que symboliquement dans certaines figures. Enfin, des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques. Notamment, les références déjà introduites en liaison avec [Fig. 1 a] et [Fig. 1 b] désignent, dans les autres figures, des éléments identiques à ceux déjà décrits ou des éléments qui ont des fonctions identiques à celles déjà décrites.
[0031] Dans le mode de réalisation de l’invention qui est illustré par [Fig. 2a], [Fig. 2b], [Fig. 3] et [Fig. 4b], le photodétecteur 7 est un capteur d’image matriciel, par exemple du type CMOS. D’une façon connue, un tel photodétecteur comprend des pixels de détection d’intensité de rayonnement qui sont indépendants, et situés aux intersections de lignes et de colonnes formant une matrice. On supposera que le photodétecteur 7 est orienté de sorte que sa direction de lignes soit parallèle à la direction x, et sa direction de colonne soit parallèle à la direction y. De façon générale dans l’invention, les termes «perpendiculaire» et «parallèle» doivent être compris au sens optique, c’est-à-dire que deux directions sont considérées perpendiculaires (resp. parallèles) si l’image de l’une à travers certains des composants optiques du spectromètre est perpendiculaire (resp. parallèle) à l’autre direction.
[0032] A titre d’illustration, l’élément actif spectralement 5 peut être un prisme. Le collimateur 4 et l’imageur 6 peuvent chacun être une lentille convergente ou une combinaison de plusieurs lentilles ou miroirs. La surface photosensible du capteur d’image 7 est située dans le plan focal image de l’imageur 6.
[0033] L’optique de collecte de rayonnement 1 peut être un télescope d’un type connu de l’Homme du métier. Elle forme une image d’une scène à analyser dans le plan d’image intermédiaire PI. De façon connue, cette optique de collecte 1 , notamment un miroir primaire du télescope utilisé, peut déterminer la pupille d’entrée PE du spectromètre 10.
[0034] Selon l’invention, un masque 2 à ouvertures multiples est utilisé dans le plan d’image intermédiaire PI, et une optique d’imagerie pupillaire est utilisée pour que des images de la pupille d’entrée PE soient formées sur le photodétecteur 7, chaque image étant formée avec une partie du rayonnement qui a traversé l’une des ouvertures du masque 2. Ainsi, vis-à-vis de l’ensemble à fonction d’étalement spectral et du photodétecteur 7, chaque ouverture du masque 2 possède une fonction de pupille pour le rayonnement qui a traversé cette ouverture et qui parvient au photodétecteur 7, et ce rayonnement provient sélectivement d’une portion d’échantillonnage spatial de la scène, délimitée par l’ouverture correspondante du masque 2.
[0035] Le masque 2 peut posséder une configuration d’ouvertures telle que représentée dans [Fig. 3]. Préférablement, la pluralité d’ouvertures O-i, 02, 03,... peut être répartie de sorte qu’aucune bande parallèle à l’axe Y n’existe entre deux ouvertures successives selon la direction X, sans être coupée par l’une de ces ouvertures. Ainsi, lors du balayage B de la scène parallèlement à la direction Y, une fauchée est parcourue, qui apparaît continue selon la direction X entre deux bords latéraux de fauchée. De plus, les ouvertures O-i, 02, 03,... peuvent être réparties de sorte que leurs projections sur la direction X, parallèlement à la direction Y, ne se recouvrent pas. Toutefois, une telle absence de recouvrement selon la direction X entre les ouvertures du masque n’est pas indispensable. A l’inverse, des recouvrements peuvent être désirés, notamment pour produire un sur-échantillonnage spatial. Les décalages entre ouvertures qui existent parallèlement à la direction Y n’ont pas d’effet sur les fonctions d’imagerie et d’analyse spectrale, en dehors de procurer le cas échéant une tenue mécanique suffisante au masque 2. Par exemple, chacune des ouvertures O-i, 02, 03,... peut avoir une longueur L, parallèlement à la direction X, de 500 pm (micromètre) environ, et une largeur I, parallèlement à la direction Y, de 350 pm, et toutes les ouvertures Oi, 02, 03,... peuvent appartenir en alternance à l’une de deux rangées chacune parallèle à la direction X.
[0036] Le principe optique d’un système d’imagerie pupillaire 3 qui peut être utilisé pour l’invention, est illustré par [Fig. 4a]. Pour chacune des ouvertures O-i, 02,... du masque 2, le système d’imagerie pupillaire 3 peut comprendre un sous- système optique qui est constitué par deux lentilles convergentes 3i et 32, celles-ci pouvant être identiques. Pour chacun des sous-systèmes optiques, les deux lentilles convergentes 3i et 32 peuvent être disposées selon un axe optique commun, qui est en outre parallèle à l’axe optique Z du spectromètre 10 et peut passer par un centre de l’ouverture correspondante Oi, 02,... du masque 2. Les lentilles convergentes 3i et 32 d’un même sous-système optique peuvent avoir des longueurs focales respectives qui sont égales, et égales à la distance d de séparation entre les deux lentilles, dans l’approximation de lentilles minces. En outre, la lentille convergent 3i de chaque sous-système optique, la plus proche de l’optique de collecte de rayonnement 1 , peut être superposée ou sensiblement superposée au plan d’image intermédiaire PI. Elle est alors contre le masque 2. Dans ces conditions, chaque sous-système optique forme une image de la pupille d’entrée PE du spectromètre 10 qui est située sensiblement au niveau de la lentille convergente 32 de ce sous-système optique. Le plan qui contient toutes les images de la pupille d’entrée PE du spectromètre 10 qui sont formées par tous les sous-systèmes optiques du système d’imagerie pupillaire 3, est noté PE’. En outre, toutes les images ainsi formées dans le plan PE’, de la pupille d’entrée PE du spectromètre 10, sont réparties dans le plan PE’ selon une répartition qui correspond à celle des ouvertures O-i, 02, 03,... du masque 2 dans le plan d’image intermédiaire PI.
[0037] [Fig. 4b] montre une réalisation possible du système d’imagerie pupillaire 3, qui correspond au principe optique illustré par [Fig. 4a]. Toutes les lentilles convergentes 3-i, 32 peuvent être identiques, de type plan-convexe avec leurs faces planes tournées vers l’extérieur du système 3. Alors, toutes les lentilles convergentes 3i, appartenant une-à-un aux sous-systèmes optiques du système 3, peuvent être réalisées sous forme de microlentilles dans une première plaque transparente 3a, et toutes les lentilles convergentes 32, appartenant aussi une-à- un aux sous-systèmes optiques du système 3, peuvent être réalisées de même sous forme de microlentilles dans une seconde plaque transparente 3b. Dans ces conditions, la face d’entrée FE de la plaque à microlentilles 3a, qui est plane, peut être superposée au plan d’image intermédiaire PI, et la face de sortie FS de la plaque à microlentilles 3b, qui est aussi plane, peut être superposée au plan PE’ des images de la pupille d’entrée PE.
[0038] Les plaques à microlentilles 3a et 3b peuvent être en silice (Si02). Chaque microlentille formant l’une des lentilles convergentes 3i ou 32 peut avoir un rayon de courbure de 1 ,15 mm pour sa face convexe et une épaisseur de 720 pm, correspondant à une longueur focale de 1 ,95 mm. La distance d entre les plaques 3a et 3b peut alors être de 1 ,90 mm, et chaque microlentille peut avoir un diamètre de 800 pm, parallèlement aux plans PI et PE’. Dans ces conditions, la pupille d’entrée PE peut être choisie pour que chacune de ses images telle que formée par l’un quelconque des sous-systèmes optiques du système d’imagerie pupillaire 3, ait une longueur d’environ 420 pm selon la direction x, et une largeur d’environ 130 pm selon la direction y, dans le plan PE’.
[0039] Le masque 2 tel que représenté dans [Fig. 3] et avec les dimensions indiquées plus haut pour les ouvertures O-i, 02, 03,... du masque 2, peut être séparé des lentilles convergentes 3-|. Mais il peut avantageusement être imprimé sur la face d’entrée FE de la plaque 3a.
[0040] Un tel mode de réalisation, pour lequel toutes les ouvertures Oi, 02, 03,... du masque 2 sont identiques, et tous les sous-systèmes optiques du système d’imagerie pupillaire 3 sont identiques, est particulièrement adapté lorsque l’optique de collecte de rayonnement 1 est télécentrique. L’Homme du métier connaît de telles optiques de collecte télécentriques, si bien qu’il n’est pas nécessaire d’en décrire des exemples ici.
[0041] L’ensemble à fonction d’étalement spectral, comprenant le collimateur 4, l’élément actif spectralement 5 et l’imageur 6, énumérés dans l’ordre selon le sens de propagation du rayonnement à l’intérieur du spectromètre 10, est disposé de sorte que le plan focal objet du collimateur 4 coïncide avec le plan PE’ des images de la pupille d’entrée PE. Ainsi, chaque image de la pupille d’entrée PE, telle qu’existant dans le plan PE’, est ré-imagée pour chaque longueur d’onde de rayonnement sur la surface du photodétecteur 7 à travers l’ensemble à fonction d’étalement spectral. Pour une même longueur d’onde, ces images pupillaires sur le photodétecteur 7 sont notées PE-i, PE2, PE3,... dans [Fig. 2b] et [Fig. 5]. Leurs décalages selon les directions x et y correspondent aux décalages des ouvertures O-i, 02, 03,... du masque 2 et des sous-systèmes optiques du système d’imagerie pupillaire 3 parallèlement aux directions X et Y. A partir de chacune de ces images pupillaires PE-i, PE2, PE3,..., l’ensemble à fonction d’étalement spectral produit un spectre selon la direction y, dite direction d’étalement spectral. Ainsi, le spectre Si s’étend à partir de l’image pupillaire PE-i sur le photodétecteur 7, et correspond à une portion d’échantillonnage spatial de la zone de scène située dans le champ optique d’entrée du spectromètre 10, telle que délimitée par l’ouverture Oi du masque 2. De même, le spectre S2 s’étend à partir de l’image pupillaire PE2 sur le photodétecteur 7, et correspond à une autre portion d’échantillonnage spatial de la zone de scène telle que délimitée par l’ouverture 02 du masque 2. Idem pour le spectre S3 par rapport à l’image pupillaire PE3 et l’ouverture 03 du masque 2, etc. Chaque séquence de fonctionnement du photodétecteur 7 permet ainsi d’acquérir simultanément les spectres de plusieurs échantillons spatiaux de la scène, qui sont distincts. Une telle faculté est appelée co-registration dans le jargon de l’Homme du métier.
[0042] L’orientation du balayage B est en outre rappelée dans la figure [Fig. 5], telle qu’elle apparaît au niveau du masque 2 et du photodétecteur 7.
[0043] Le remplacement qui est effectué par le système d’imagerie pupillaire 3 sur le photodétecteur 7, des images respectives des ouvertures O-i, 02, 03,... du masque 2 par les images PE-i, PE2, PE3,... de la pupille d’entrée PE du spectromètre 10, assure une homogénéisation de la répartition de luminance à l’intérieur de chaque portion d’échantillonnage spatial de la scène qui est délimitée par l’une des ouvertures Ch, 02, 03,... du masque 2. De cette façon, une répartition de luminance à l’intérieur de la scène peut être reconstruite à partir d’images saisies par le photodétecteur 7, en utilisant une fonction de réponse spectrale établie pour des conditions de luminance uniforme dans la scène. Autrement dit, le système d’imagerie pupillaire 3 assure une fonction de brouillage total ou quasi-total d’inhomogénéités de luminance qui peuvent exister à l’intérieur de chaque échantillon spatial de scène qui est délimité par l’une des ouvertures O-i, 02, 03,... du masque 2.
[0044] Avantageusement en outre, la longueur focale des lentilles convergentes 3i et 32, et la position de l’élément actif spectralement 5 entre le collimateur 4 et l’imageur 6, peuvent être choisies pour que le système d’imagerie pupillaire 3 forme des images des ouvertures Oi, 02, 03,... du masque 2, à travers le collimateur 4, dans un plan PI’ qui est à peu près superposé à l’élément actif spectralement 5.
[0045] Il est entendu que l’invention peut être reproduite en modifiant des aspects secondaires des modes de réalisation qui ont été décrits en détail ci-dessus, tout en conservant certains au moins des avantages cités. Notamment, les ouvertures du masque peuvent avoir des décalages selon l’axe Y qui sont différents de ceux montrés dans [Fig. 3], et le système d’imagerie pupillaire peut avoir des constitutions différentes de celle de [Fig. 4a] et [Fig. 4b]. En outre, toutes les valeurs numériques qui ont été citées ne l’ont été qu’à titre d’illustration, et peuvent être changées en fonction de l’application considérée.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Spectromètre (10) comprenant :
- une optique de collecte de rayonnement (1 ), qui est adaptée pour former une image d’une scène dans un plan d’image intermédiaire (PI), à partir d’un rayonnement provenant de la scène ;
- un masque (2) qui est disposé dans le plan d’image intermédiaire (PI), avec au moins une ouverture pour transmettre du rayonnement à travers ledit masque ;
- un ensemble à fonction d’étalement spectral, comprenant un collimateur (4), un imageur (6) et un élément actif spectralement (5) qui est adapté pour dévier le rayonnement différemment en fonction d’une longueur d’onde dudit rayonnement, l’élément actif spectralement étant situé entre le collimateur et l’imageur le long d’un trajet du rayonnement provenant de la scène dans le spectromètre ; et
- un photodétecteur (7) qui est disposé dans un plan focal image de l’imageur
(6),
le spectromètre étant caractérisé en ce que le masque (2) comprend plusieurs ouvertures (O-i, 02, 03,...) qui sont décalées à l’intérieur du plan d’image intermédiaire (PI),
et en ce que le spectromètre comprend en outre :
- un système d’imagerie pupillaire (3), qui est disposé entre l’optique de collecte de rayonnement (1 ) et l’ensemble à fonction d’étalement spectral le long du trajet du rayonnement provenant de la scène dans le spectromètre, le système d’imagerie pupillaire étant adapté pour former simultanément dans un plan d’objet de l’ensemble à fonction d’étalement spectral, qui est conjugué optiquement avec le photodétecteur (7), des images intermédiaires multiples d’une pupille d’entrée (PE) du spectromètre (10) avec des faisceaux distincts du rayonnement provenant de la scène qui traversent les ouvertures (Oi, 02, 03,...) du masque (2), une image intermédiaire séparée de ladite pupille d’entrée étant formée à partir du faisceau de chaque ouverture du masque, de sorte que l’ensemble à fonction d’étalement spectral forme ensuite une image séparée (PE-i, PE2, PE3,...) de la pupille d’entrée du spectromètre sur le photodétecteur à partir de chaque image intermédiaire de ladite pupille d’entrée, pour chaque longueur d’onde d’un domaine spectral de fonctionnement du spectromètre,
le système d’imagerie pupillaire (3) étant tel que deux images (PE-i, PE2, PE3,...) quelconques de la pupille d’entrée (PE) du spectromètre (10) formées à partir de faisceaux qui traversent des ouvertures (O-i, 02, 03,...) distinctes du masque (2), possèdent une composante de décalage qui est perpendiculaire à une direction d’étalement spectral (y) de l’élément actif spectralement (5).
[Revendication 2] Spectromètre (10) selon la revendication 1 , dans lequel le système d’imagerie pupillaire (3) est aussi adapté pour former une image de chaque ouverture (Oi, 02, 03,...) du masque (2), à travers le collimateur (4), au niveau de l’élément actif spectralement (5).
[Revendication 3] Spectromètre (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le système d’imagerie pupillaire (3) comprend plusieurs sous-systèmes optiques qui sont dédiés un-à-une aux ouvertures (Oi, 02, 03,...) du masque (2), chaque sous- système optique étant décalé parallèlement au plan d’image intermédiaire (PI) de sorte qu’un faisceau du rayonnement provenant de la scène qui traverse une des ouvertures du masque, traverse ensuite le sous-système optique qui est dédié à ladite ouverture.
[Revendication 4] Spectromètre (10) selon la revendication 3, dans lequel chaque sous-système optique est constitué par une lentille convergente unique, chaque lentille convergente de sous-système optique pouvant être une microlentille formée dans une plaque transparente qui est commune à tous lesdits sous-systèmes optiques.
[Revendication 5] Spectromètre (10) selon la revendication 3, dans lequel chaque sous-système optique comprend deux lentilles convergentes (3-i, 32) qui ont des longueurs focales égales et un axe optique commun, avec une première (3i) desdites deux lentilles convergentes qui est sensiblement superposée au plan d’image intermédiaire (PI), et la seconde (32) desdites deux lentilles convergentes qui est située en aval de ladite première lentille convergente, selon un sens de propagation du rayonnement qui provient de la scène, et à une distance (d) de ladite première lentille qui est sensiblement égale à la longueur focale desdites deux lentilles, l’axe optique commun des deux lentilles convergentes (3i, 32) de chacun des sous-systèmes optiques étant parallèle à un axe optique (Z) du spectromètre.
[Revendication 6] Spectromètre (10) selon la revendication 5, dans lequel les premières lentilles convergentes (3i) de tous les sous-systèmes optiques sont des microlentilles formées dans une première plaque transparente (3a) qui est commune à tous lesdits sous-systèmes optiques, et les secondes lentilles convergentes (32) de tous les sous-systèmes optiques sont d’autres microlentilles formées dans une seconde plaque transparente (3b) qui est aussi commune à tous lesdits sous-systèmes optiques.
[Revendication 7] Spectromètre (10) selon la revendication 6, dans lequel le masque (2) est au moins en partie formé sur une face d’entrée (FE) de la première plaque transparente (3a), tournée vers l’optique de collecte de rayonnement (1 ), avec une des ouvertures (Oi, 02, 03,...) située sur chaque microlentille qui constitue une des premières lentilles convergentes (3-i).
[Revendication 8] Spectromètre (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le photodétecteur (7) est un capteur d’image matriciel, avec une direction de colonnes ou de lignes dudit capteur d’image matriciel qui est parallèle à la direction d’étalement spectral (y) de l’élément actif spectralement (5).
[Revendication 9] Spectromètre (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système d’imagerie pupillaire (3) est tel que les images (P-i, P2, P3,...) de la pupille d’entrée (PE) du spectromètre qui sont formées sur le photodétecteur (7) par les faisceaux de rayonnement provenant de la scène qui traversent des ouvertures (O1, 02, 03,...) différentes du masque (2), ne se recouvrent pas.
[Revendication 10] Spectromètre (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’optique de collecte de rayonnement (1 ) est télécentrique. [Revendication 11] Spectromètre (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque ouverture (Oi, 02, 03,...) du masque (2) est rectangulaire, avec une longueur (L) et une largeur (I) de ladite ouverture qui sont inférieures à 3 mm, de préférence inférieures à 1 mm. [Revendication 12] Procédé d’analyse spectrométrique d’une zone à la surface de la Terre, dite zone d’analyse, suivant lequel un spectromètre (10) qui est conforme à l’une quelconque des revendications précédentes est à bord d’un satellite en orbite autour de la Terre, ledit procédé comprenant les étapes suivantes, réalisées à bord du satellite :
- diriger un champ optique d’entrée du spectromètre vers la zone d’analyse, de sorte que du rayonnement provenant de ladite zone d’analyse pénètre dans le spectromètre (10) ;
- orienter le spectromètre (10) de sorte qu’une direction de balayage (B) de la zone d’analyse soit parallèle à la direction d’étalement spectral (y) de l’élément actif spectralement (5) ; et
- activer le photodétecteur (7) pour saisir des images successives pendant le balayage de la zone d’analyse, chaque image saisie contenant, séparément pour chacune de plusieurs portions d’échantillonnage spatial de la zone d’analyse qui sont délimitées par les ouvertures (O-i, 02, 03,...) du masque (2), un spectre de la partie du rayonnement qui provient sélectivement de ladite portion d’échantillonnage spatial de la zone d’analyse.
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