EP4649291A1 - Système optique d'imagerie hyperspectrale - Google Patents

Système optique d'imagerie hyperspectrale

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Publication number
EP4649291A1
EP4649291A1 EP24700136.5A EP24700136A EP4649291A1 EP 4649291 A1 EP4649291 A1 EP 4649291A1 EP 24700136 A EP24700136 A EP 24700136A EP 4649291 A1 EP4649291 A1 EP 4649291A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spectral
telescope
upstream
sub
filter
Prior art date
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Pending
Application number
EP24700136.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Guillaume BUTEL
Claude Israbian
Nicolas Tetaz
Benjamin FRANCESCONI
Christian Imbert
Vincent COSTE
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.)
Centre National dEtudes Spatiales CNES
Thales SA
Original Assignee
Centre National dEtudes Spatiales CNES
Thales SA
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 Centre National dEtudes Spatiales CNES, Thales SA filed Critical Centre National dEtudes Spatiales CNES
Publication of EP4649291A1 publication Critical patent/EP4649291A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • G01J3/021—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using plane or convex mirrors, parallel phase plates, or particular reflectors
    • 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
    • G01J2003/2826—Multispectral imaging, e.g. filter imaging

Definitions

  • Hyperspectral imaging optical system Technical field: [0001] The present invention relates to the field of hyperspectral imagers and in particular that of hyperspectral imagers of the pushbroom type (or moving linear field).
  • hyperspectral imaging system is an imaging system making it possible to simultaneously image at least 60 distinct spectral bands.
  • a "multispectral imaging system” typically images ten or fewer spectral bands simultaneously.
  • Hyperspectral imaging system There are several types of hyperspectral imaging system which differ by the method of acquisition of the different points of the scene to be observed (point by point, line by line or full field) and by the method used to decompose the light collected by the imaging system at several wavelengths (diffraction, refraction, interferometry, etc.).
  • Pushbroom type imaging systems are most commonly used in the field of remote imaging and in airborne systems. They are typically used in situations in which there is relative movement between a scene to be observed and the imaging device. This movement may be due to the fact that the device is mounted on a vehicle, aircraft or satellite moving above a zone of interest, the device being oriented so that the zone of interest intercepts the field of interest. view of the device.
  • FIG. 1A schematically illustrates a pushbroom type hyperspectral imager P of the prior art comprising a telescope optical system T and a spectro-imager SP.
  • Figure 1B illustrates in more detail the different elements of an SP spectro-imager known from the prior art.
  • the spectro-imager SP includes a slit F placed in the image focal plane ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ of the telescope T which collects the light L coming from the scene to be observed Obj.
  • the T telescope is an optical system known in itself and adapted to produce the image of an object located at infinity in relation to the focal length of the telescope. In known manner, it can consist of a plurality of off-axis parabolas and/or mirrors or even lenses. [0006] In the example illustrated in Figure 1A, the relative movement of the scene with respect to the imager P is done in direction A, perpendicular to the direction of the slot F, called direction B.
  • the spectro-imager SP comprises an optical collimation system Col adapted to collimate the LF portion of the light passing through the slit F.
  • the optical collimation system is arranged so that its object focal plane ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ ⁇ is confused with the plane containing the slit F and the focal image plane ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ of the telescope T.
  • spectro-imagers can use concentric optical assemblies of the Dyson type or Offner in which the beam is not collimated at the dispersive element.
  • a dispersive optical element Disp is adapted to spread the spectral information by deflecting the rays according to their wavelength.
  • This dispersive optical element can be a prism, a diffraction grating or even a 3 combination of dispersive optical elements in disjoint or grouped transmission.
  • the dispersive element has a dispersion axis in direction A. Thus, after crossing the dispersive element, the angle of deviation of the rays of the LF portion reflects their wavelength.
  • An optical imaging system O located downstream of the telescope on the optical path is adapted to spatially separate the different wavelengths and focus the LF portion which has passed through the dispersive optical element onto a matrix detector Det placed in the image focal plane of the imaging optical system O.
  • the image focal plane of the telescope containing the slit F is therefore the conjugate of the image focal plane of the imaging optical system O containing the matrix detector.
  • the optical imaging system O makes it possible to produce a plurality of thumbnails ⁇ ⁇ ⁇ of the slot F corresponding to the restricted FOV field of view portion of the scene to be observed, each associated with a distinct spectral band.
  • the matrix detector is typically arranged so that each thumbnail ⁇ ⁇ ⁇ is oriented along an axis ⁇ ("column") of the pixel matrix of the detector, the optical imaging system being adapted so that the thumbnails ⁇ ⁇ ⁇ are aligned along an axis ⁇ (“line”), perpendicular to the axis ⁇ .
  • each column of the detector is exposed to radiation corresponding to the same linear field of view but at different wavelengths.
  • Each line of the detector records the spectrum from each point in the imaged FOV field of view.
  • Hyperspectral instruments known to those skilled in the art and based on dispersive systems present constraints of signal to noise ratio, flexibility of the chosen bands, and stray light.
  • the invention aims to overcome certain problems of the prior art by developing an optical hyperspectral imaging system comprising more than 60 spectral filters arranged in the image focal plane of the telescope observing a moving scene.
  • an optical hyperspectral imaging system comprising more than 60 spectral filters arranged in the image focal plane of the telescope observing a moving scene.
  • the system of the invention via the modularity of the filters allows a very good signal-to-noise ratio in all spectral bands, total flexibility of the chosen bands and controlled stray light.
  • an object of the invention is an optical system for hyperspectral imaging comprising: - an optical system called a telescope adapted to collect light coming from a scene to be observed passing along a direction A so as to form a so-called intermediate image in an image focal plane of said telescope, - at least a hyperspectral detection assembly of at least a portion of the light collected by said telescope and comprising: - a filter assembly comprising ⁇ > 60 upstream spectral filters arranged near the image focal plane of said telescope, each upstream spectral filter being band-passed to an upstream spectral band distinct from the others and being arranged so as to spectrally filter a respective sub-beam associated with a field of view of the observed scene, - an optical system called imaging objective, an object focal plane of said imaging objective being coincident with the image focal plane of said telescope - a matrix detector adapted to acquire an image of the intermediate image by the imaging objective, - the imaging objective being configured to form ⁇ spectr
  • the upstream spectral filters and said sub-regions extending in a main direction ⁇ substantially perpendicular to an optical axis of the imaging objective and substantially perpendicular to said direction A.
  • a so-called lateral dimension of each upstream spectral filter in the direction ⁇ is adapted so as to obtain a signal-to-noise ratio greater than a predetermined value in the sub-image associated with said upstream spectral filter.
  • each of the sub-regions comprises a number of pixels in direction A determined as a function, on the one hand, of a magnification of said imaging objective and, on the other hand, of a so-called lateral dimension according to the direction ⁇ of the upstream spectral filter filtering said spectral band.
  • the telescope has an aperture number greater than 5, preferably greater than 7, still preferably greater than 10.
  • a so-called lateral dimension of each upstream spectral filter in the direction ⁇ ⁇ is greater than 50 ⁇ ⁇ , preferably greater than 80 ⁇ ⁇ .
  • the objective imager has a magnification of less than 1 in order to obtain a ground resolution of approximately 20 ⁇ for said system.
  • the upstream spectral filters form a single-piece structure, the upstream spectral filters being stuck together.
  • the upstream spectral filters are separated by a distance less than 25 ⁇ ⁇ , preferably less than 10 ⁇ ⁇ .
  • the upstream spectral filters are attached or attached to a plate transparent to said light.
  • the system comprises ⁇ > 100 upstream spectral filters, preferably ⁇ > 200 upstream spectral filters so that said set of filters transmits a spectral band called total spectral band ranging from 400 ⁇ ⁇ ⁇ to 2500 ⁇ ⁇ .
  • the hyperspectral detection assembly further comprises ⁇ downstream spectral filters located near the detector and band-passes to a downstream spectral band distinct from the others, a downstream spectral filter being arranged so as to filtering a sub-beam associated with an upstream spectral filter, a downstream spectral band of a downstream spectral filter having a non-zero overlap with the upstream spectral band of the associated upstream spectral filter.
  • the system comprises a plurality ⁇ > 1 of hyperspectral detection assemblies each adapted to transmit and detect a spectral band called total spectral band different from the others, said system comprising a dichroic separator arranged on the optical path of the light to spatially separate said light collected by the telescope into ⁇ beams having different spectral ranges and to direct each of said ⁇ beams towards a hyperspectral detection assembly adapted to detect said spectral range of said beam.
  • FIG. 6 and [Fig.7] a schematic view of an optical hyperspectral imaging system according to embodiments of the invention.
  • Figures 2A and 2B present a schematic view of a pushbroom type hyperspectral imaging optical system 1 according to the invention.
  • Figure 2A illustrates the arrangement of system 1 in relation to the scene to be observed Obj.
  • Figure 2B is a more detailed schematic representation of the different elements of system 1 according to a plan ⁇ ⁇ .
  • system 1 comprises an optical system called a telescope T adapted to collect light L from the scene to be observed Obj.
  • the telescope T is a catadioptric system known in itself adapted to produce the image of an object located at infinity with respect to the focal distance of the system in the focal plane image ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ of the telescope. In known manner, it can consist of a plurality of off-axis parabolas and/or mirrors or even lenses. As an illustrative example, in the embodiment of Figure 2B, the telescope comprises two off-axis parabolas and a mirror. [0035] To acquire a hyperspectral image of the scene Obj, the system 1 comprises a set ED for hyperspectral detection of at least a portion of the light L collected by the telescope of the system 1.
  • Figure 2C is a schematic representation according to the plan ⁇ ⁇ which details more precisely the ED hyperspectral detection assembly which notably includes an OI imaging objective and a Det matrix detector.
  • the image of the scene formed by the telescope is called intermediate image ⁇ ⁇ because the ED hyperspectral detection assembly of system 1 includes an imaging objective OI with an object focal plane ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ ⁇ confused with the image focal plane ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ of the telescope.
  • the imaging objective OI produces the image of this intermediate image ⁇ ⁇ on the detector Det.
  • the matrix detector Det is a CCD, CMOS sensor or any matrix detector known from the prior art.
  • the imaging lens comprises two distinct optical groups, a first group O1 producing the image of the intermediate image, called the first image , at infinity and a second group O2 producing the image of the first image in the focal plane image of the second group ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ .
  • the imaging objective comprises a different number of lens groups.
  • system 1 can be on board a vehicle or aircraft moving in a manner so that the scene to be observed Obj is fixed, intercepts the field of view ⁇ ⁇ ⁇ of the telescope T.
  • system 1 can be fixed and the scene to be observed Obj can move across the field of view, for example on a treadmill. Subsequently, we consider that the terms “direction A” and “direction of scrolling” are equivalent.
  • the system 1 of the invention differs from the hyperspectral pushbroom devices of the prior art at least in that the ED assembly comprises an EF filter assembly allowing hyperspectral operation of the system 1.
  • the assembly of EF filter includes ⁇ > 60 upstream spectral filters ⁇ 1 ... ⁇ ⁇ arranged near the image focal plane ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ of the telescope.
  • the upstream spectral filters are arranged in the image focal length ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ of the telescope in order to reduce the vignetting produced by each filter.
  • system 1 of the invention does not include a slot F in the image focal plane of the telescope.
  • Each upstream spectral filter ⁇ ⁇ is band-passed to an upstream spectral band ⁇ ⁇ ⁇ distinct from the others and is arranged so as to spectrally filter a respective sub-beam ⁇ ⁇ ⁇ associated with a field of FOV i view of the observed scene.
  • the sub-beam ⁇ ⁇ ⁇ presents spectral information only on the spectral band ⁇ ⁇ ⁇ .
  • the imaging objective OI is adapted to form ⁇ spectrally distinct sub-images ⁇ ⁇ corresponding respectively to the ⁇ fields of view ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ of the associated scene to the ⁇ under bundles ⁇ ⁇ ⁇ .
  • Each of the ⁇ sub-images ⁇ ⁇ is formed on a sub-region ⁇ ⁇ of the detector distinct from the others.
  • each sub-image ⁇ ⁇ only a restricted portion of the scene is observed (corresponding to the field of view FOV i of each sub-image).
  • the set of fields of view FOV i associated with each sub-beam ⁇ ⁇ ⁇ corresponds to the field of view of the telescope FOV.
  • the size of each sub-image ⁇ ⁇ depends on the size of the associated filter ⁇ ⁇ and the magnification of the imaging objective.
  • the dimension according to direction A of each sub-region ⁇ ⁇ is adapted according to the dimension of the associated sub-image ⁇ ⁇ .
  • this dimension can also be adapted as a function of the temporal averaging necessary in order to adjust the signal-to-noise ratio of the spectral band associated with the sub-region ⁇ ⁇ (see below).
  • the dimension of the filters ⁇ ⁇ in direction A (and the dimension of the associated sub-regions ⁇ ⁇ in direction A) is not necessarily identical for each filter. Indeed, these dimensions can be different to optimize the signal to noise ratio (SNR) in the different bands ⁇ ⁇ ⁇ . [0041] Given the small field of view imaged in the sub-images, it is necessary to acquire several of them in order to reconstruct a relevant hyperspectral image of the scene Obj.
  • each of the sets of subimages ⁇ ( ⁇ ) ⁇ 1 ( ⁇ ) ... ⁇ ⁇ ( ⁇ ) corresponding to a portion of the scene different from the others and imaged by the system at indicated times ⁇ ⁇ [1, ⁇ ] different from the others when the scene scrolls in direction A.
  • the filters make it possible to optimize the signal-to-noise ratio (SNR) in all the upstream spectral bands separately and allow total flexibility of the chosen upstream spectral bands (see below).
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the use of a dispersive element requires using the same matrix detector over the entire spectrum because each line of the detector records the spectrum from each point of the imaged field of view.
  • the filters of the invention make it possible to reduce parasitic noise. Indeed, performing spectral filtering in the focal image plane of the telescope greatly reduces the noise associated with diffuse reflections caused by crossing the imaging objective and detected by the detector because each sub-beam is spectrally filtered before crossing the imaging lens.
  • the set of EF filters comprises ⁇ > 100 upstream spectral filters, preferably ⁇ > 200 upstream spectral filters so that the set of EF filters transmits a spectral band called the total spectral band ranging from 400 ⁇ ⁇ to 2500 ⁇ ⁇ .
  • system 1 of the invention makes it possible to carry out hyperspectral imaging covering the visible domain up to the SWIR domain (for Short Wavelength Infrared in English).
  • the telescopes have a low aperture number ⁇ ( ⁇ -number in English, also noted ⁇ /# ) – typically less than 3 – in order to maximize the signal ratio on sub-image noise.
  • a low opening number allows a greater flow to be collected.
  • the inventors realized that, in the invention, the use of a number ⁇ > 60 filters near the plane ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ with a telescope having an aperture number less than 5 produced a beam in the image focal plane which was of too large a transverse dimension and induced too much vignetting in the sub-images.
  • MP a preferred embodiment, denoted MP, in which the telescope T of the invention has an aperture number ⁇ ⁇ greater than 5, preferably greater than 7 and still preferably greater to 10.
  • the lateral dimension h ⁇ of each upstream spectral filter ⁇ ⁇ is greater than 50 ⁇ ⁇ , preferably greater than 80 ⁇ ⁇ still preferably greater than 90 ⁇ ⁇ to reduce vignetting of the FF beam by the filters upstream spectral.
  • the lateral dimension h ⁇ of each upstream spectral filter ⁇ ⁇ is between 90 ⁇ ⁇ and 750 ⁇ ⁇ , this lateral dimension h ⁇ being preferably chosen according to the spectral density of power of light L in the upstream spectral band ⁇ ⁇ filtered by the upstream spectral filter ⁇ ⁇ .
  • the imaging objective has a magnification G adapted as a function of the aperture number of the telescope T in order to obtain a predetermined ground resolution in the system of the invention.
  • the ground resolution also called GSD for Ground Sampling Distance in English
  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ [0051] with ⁇ the distance between the scene and system 1 (see figure 2A), ⁇ ⁇ the image focal length of the telescope T, ⁇ the pixel pitch of the detector according to the direction A and ⁇ the magnification of the imaging objective.
  • the magnification G of the imaging objective is less than 1 to compensate for the relatively high aperture number ⁇ ⁇ so as to obtain a predetermined ground resolution in the system of the invention.
  • the imaging objective has a magnification less than 1 in order to obtain a ground resolution of approximately 20 ⁇ in system 1.
  • a magnification ⁇ ⁇ 0.8 of the imaging objective for an aperture number ⁇ ⁇ > 7 of the T telescope, we have a magnification ⁇ ⁇ 0.8 of the imaging objective.
  • the upstream spectral filters are all arranged in the image focal plane ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ of the telescope.
  • the shape of the upstream spectral filters is rectangular and they extend in the main direction ⁇ substantially perpendicular to the optical axis AO OI of the imaging objective OI and substantially perpendicular to the direction A.
  • each sub-region ⁇ ⁇ extends in the main direction ⁇ .
  • the upstream spectral filters are square, elliptical or even circular in shape.
  • this optimization of the SNR is carried out via the lateral dimension h ⁇ of each upstream spectral filter ⁇ ⁇ in the direction ⁇ .
  • the lateral dimension h ⁇ of each upstream spectral filter ⁇ ⁇ transmitting this spectral band because this allows transmission of the sub-beam ⁇ ⁇ ⁇ with a higher photon flux in this spectral band.
  • the lateral dimension h ⁇ is adapted so as to obtain a signal-to-noise ratio greater than a predetermined value in the sub-image ⁇ ⁇ associated with the filter ⁇ ⁇ .
  • This embodiment is particularly interesting when the power spectral density of the light L in an upstream spectral band ⁇ ⁇ filtered by the upstream spectral filter ⁇ ⁇ is low. This may for example be the case when the user of the device requires a low spectral resolution (i.e. a bandwidth ⁇ ⁇ ), for example 10 ⁇ ⁇ , in a given spectral band for a specific use.
  • the filters ⁇ 1 ... ⁇ ⁇ transmit adjacent spectral bands ⁇ 1 ... ⁇ ⁇ with a central frequency increasing from filter ⁇ 1 to filter ⁇ ⁇ .
  • the lateral dimension of the filters decreases from the first filter ⁇ 1 to the filter ⁇ ⁇ for example because the light L has a decreasing power spectral density from band ⁇ 1 to band ⁇ ⁇ .
  • the improvement of the SNR in the upstream spectral band ⁇ ⁇ is carried out by temporal averaging in the sub-region ⁇ ⁇ associated with ⁇ ⁇ .
  • the number of pixels in direction A of the sub-region ⁇ ⁇ associated with this band depends on the magnification of the OI imaging objective and depends on the lateral dimension h ⁇ of the upstream spectral filter ⁇ ⁇ transmitting the band ⁇ ⁇ .
  • the second embodiment makes it possible to improve the SNR for example when the power spectral density of the light L in an upstream spectral band ⁇ ⁇ transmitted by the upstream spectral filter ⁇ ⁇ is weak.
  • the number of lines depending on the direction may be different between the sub-regions ⁇ ⁇ depending on the specificities of the associated ⁇ ⁇ bands.
  • the subregions ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ associated with the filters ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ respectively present more lines according to the direction A that the sub-region ⁇ 1 associated with the filter ⁇ 1 in order to allow temporal averaging of the sub-images ⁇ ⁇ ( ⁇ ) and ⁇ ⁇ ( ⁇ ) and thus improve the SNR in the bands spectral ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ .
  • the first and second embodiment allow, via the use of filters, great modularity of the device 1 depending on the type of illumination and the imaged scene by optimizing the SNR on each of the spectral bands. This constitutes an advantage compared to the pushbroom type hyperspectral devices of the prior art using dispersive elements in which the detection of the different spectral bands could not be optimized separately.
  • Figure 4 illustrates an embodiment in which the upstream spectral filters form a single-piece structure. That is to say that the upstream regions ⁇ ⁇ are stacked on top of each other in direction A.
  • FIG. 5 illustrates an embodiment in which the upstream spectral filters are attached or attached to a transparent plate LT to the light L collected by the telescope.
  • transparent we mean here a transmission greater than 99%.
  • the advantage of this embodiment is to allow the deposition of the upstream spectral filters directly on the LT blade and therefore to manufacture the EF assembly in a single step.
  • FIG. 6 schematically illustrates an embodiment of the invention, in which the hyperspectral detection ED assembly further comprises ⁇ downstream spectral filters ⁇ 2 ⁇ , located near the detector and bandpass at a downstream spectral band ⁇ ⁇ 2 ⁇ distinct from the others.
  • Each downstream spectral filter ⁇ 2 ⁇ is arranged so as to filter a sub-beam ⁇ ⁇ ⁇ associated with an upstream spectral filter ⁇ ⁇ .
  • a downstream spectral band ⁇ ⁇ 2 ⁇ of a downstream spectral filter has a non-zero overlap with the upstream spectral band ⁇ ⁇ ⁇ of the associated upstream spectral filter.
  • the associated upstream ⁇ ⁇ and downstream ⁇ 2 ⁇ spectral filter are band-passed to a common spectral portion of the collected light.
  • the subimage ⁇ ⁇ is representative of the spectral information of the observed scene associated with this field of view and this common spectral portion.
  • the spectral bandwidth of the portion reflected by each downstream spectral filter can be very low or even zero if the associated upstream and downstream spectral bands are identical.
  • the spectral band of the reflected portion is not zero, when the portion reflected by each downstream spectral filter is reflected on the different components of the imaging objective, it will be spectrally filtered by the others regions ⁇ of the EF filter assembly and will therefore not be detected by the Det detector.
  • the regions ⁇ ⁇ ⁇ are each bandpass at a distinct downstream bandwidth of the spectral band
  • FIG. 7 schematically illustrates an embodiment of the invention in which the system 1 comprises a plurality ⁇ > 1 of hyperspectral detection sets ED, ED' each adapted to transmit and detect a different so-called total spectral band others.
  • the system comprises a dichroic separator MD – for example one or more dichroic mirrors – arranged on the optical path of the beam FF to spatially separate it into ⁇ beams having different spectral ranges and to direct each of the ⁇ beams towards a hyperspectral detection assembly adapted to detect the spectral range of this beam.
  • the system 1 comprises two channels separated by a plate or a dichroic mirror MD and two sets ED, ED' of hyperspectral detection
  • the embodiment of Figure 7 makes it possible to maximize the detection efficiency of the detector Det, Det' of each hyperspectral detection assembly ED, ED'. Indeed, the detector of the hyperspectral detection assembly is optimized specifically for the spectral range of the beam directed in this assembly.

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Abstract

Système optique d'imagerie hyperspectrale (1) comprenant: - un système optique dit téléscope (T) adapté pour collecter une lumière (L) issue d'une scène à observer défilant selon une direction A de manière à former une image dite intermédiaire dans un plan focal image (PF im,t ) dudit télescope, - au mois un ensemble (ED) de détection hyperspectral d'au moins une portion de la lumière (L) collectée par ledit telescope et comprenant: - un ensemble de filtre (EF) comprenant n > 60 filtres spectraux amonts (R i ) disposés a proximité du plan focal image (PF im,t ) dudit télescope, chaque filtre spectral amont étant passe bande à une bande spectrale amont (Δλ i ) distincte des autres et étant agencé de manière à filtrer spectralement un sous faisceau (SF i ) respectif associé à un champ de vue (FOVi) de la scène observée, - un système optique dit objectif imageur (OI), un plan focal objet (PF o,Ol ) dudit objectif imageur étant confondu avec le plan focal image dudit télescope - un détecteur (Det) matriciel adapté pour acquérir une image de l'image intermédiaire par l'objectif imageur, l'objectif imageur étant configuré pour former n sous-images (l i ) spectralement distinctes correspondant auxdits n champs de vue (FOV i ) de la scène associés aux n sous faiceaux (SF i ), chacune des n sous-images étant formée sur une sous-région (P i ) du détecteur distincte des autres.

Description

DESCRIPTION Titre de l'invention : Système optique d’imagerie hyperspectrale Domaine technique : [0001] La présente invention concerne le domaine imageurs hyperspectraux et en particulier celui des imageurs hyperspectraux de type pushbroom (ou à champ linéaire défilant). Technique antérieure : [0002] Un système d’imagerie hyperspectral permet d’acquérir une image tridimensionnelle d’une scène à observer : deux dimensions spatiales classiques et une dimension spectrale qui correspond à la décomposition dans le domaine spectral de chaque point de l’objet imagé. Pour clarification, on entend ici par « système d’imagerie hyperspectral » un système d’imagerie permettant d’imager simultanément à minima 60 bandes spectrales distinctes. Par opposition, un « système d’imagerie multispectral », image typiquement dix bandes spectrales simultanément ou moins. [0003] Il existe plusieurs types de système d’imagerie hyperspectral qui diffèrent par la méthode d’acquisition des différents points de la scène à observer (point par point, ligne par ligne ou plein champ) et par la méthode utilisée pour décomposer la lumière collectée par le système d’imagerie selon plusieurs longueurs d’onde (diffraction, réfraction, interférométrie…). [0004] Les systèmes d’imagerie de type pushbroom sont les plus communément utilisés dans le domaine de l’imagerie à distance et dans les systèmes aéroportés. Ils sont typiquement utilisés dans des situations dans lesquelles il existe un déplacement relatif entre une scène à observer et le dispositif d’imagerie. Ce déplacement peut être dû au fait que le dispositif est monté sur un véhicule, aéronef ou satellite se déplaçant au-dessus d’une zone d’intérêt, le dispositif étant orienté de manière à ce que la zone d’intérêt intercepte le champ de vue du dispositif. Alternativement le défilement est effectué avec un miroir de scan. Alternativement, le dispositif peut être fixe et la zone d’intérêt peut se déplacer au travers du champ de vue, par exemple sur un tapis roulant. L’image hyperspectrale acquise par un imageur pushbroom est en général une image en bandes obtenue par l’imagerie d’une unique bande (champ linéaire) de la scène à observer dans le champ de vue, le déplacement relatif permettant d’obtenir successivement une pluralité de bande continues. [0005] La figure 1A illustre schématiquement un imageur hyperspectral de type pushbroom P de l’art antérieur comprenant un système optique télescope T et un spectro-imageur SP. La figure 1B illustre plus en détail les différents éléments d’un spectro-imageur SP connu de l’art antérieur. Typiquement, le spectro-imageur SP comprend une fente F placée dans le plan focal image ^^ ^^ ^^, ^^ du télescope T qui collecte la lumière L issue de la scène à observer Obj. Le télescope T est un système optique connu en soi et adapté pour réaliser l’image d’un objet situé à l’infini par rapport à la distance focale du télescope. De manière connue, il peut être constitué d’une pluralité de paraboles hors axe et/ou de miroirs ou encore de lentilles. [0006] Dans l’exemple illustré dans la figure 1A, le déplacement relatif de la scène par rapport à l’imageur P se fait selon la direction A, perpendiculaire à la direction de la fente F, appelée direction B. Ainsi, seule une portion restreinte FOV du champ de vue de la scène à observer, dit champ linéaire traverse la fente F pour être imagé sur le détecteur Det du spectro-imageur SP. L’image de la portion de la scène observée au travers de la fente est appelée image linéaire. [0007] Le spectro-imageur SP comprend un système optique de collimation Col adapté pour collimater la portion LF de la lumière traversant la fente F. Le système optique de collimation est agencé de manière à ce que son plan focal objet ^^ ^^ ^^, ^^ ^^ ^^ soit confondu avec le plan contenant la fente F et le plan focal image ^^ ^^ ^^, ^^ du télescope T. Alternativement, des spectro-imageurs peuvent utiliser des montages optiques concentriques de types Dyson ou Offner dans lequel le faisceau n’est pas collimaté au niveau de l’élément dispersif. [0008] Un élément optique dispersif Disp est adapté pour étaler l’information spectrale en déviant les rayons selon leur longueur d’onde. Cet élément optique dispersif peut être un prisme, un réseau de diffraction ou encore une 3 combinaison d’éléments optique dispersifs en transmission disjoints ou regroupés. L’élément dispersif possède un axe de dispersion selon la direction A. Ainsi, après la traversée de l’élément dispersif, l’angle de déviation des rayons de la portion LF traduit leur longueur d’onde. Un système optique imageur O situé en aval du télescope sur le trajet optique est adapté pour séparer spatialement les différentes longueurs d’onde et focaliser la portion LF qui a traversé l’élément optique dispersif sur un détecteur matriciel Det placé dans le plan focal image du système optique imageur O. Le plan focal image du télescope contenant la fente F est donc le conjugué du plan focal image du système optique imageur O contenant le détecteur matriciel. Ainsi, le système optique imageur O permet de réaliser une pluralité d’imagettes ^^ ^^ ^^ de la fente F correspondant à la portion restreinte champ de vue FOV de la scène à observer, chacune associée à une bande spectrale distinctes. [0009] Sans fente F dans le plan focal objet du collimateur, le faisceau étant angulairement étendu dans la direction de dispersion, après traversée de l’élément optique dispersif, il existerait un recouvrement spatial sur le détecteur Det des différentes longueurs d’onde associées à différents points de la scène. Il serait alors impossible de traduire spatialement, sur le détecteur matriciel, l’information hyperspectrale de la scène imagée. La fente F imagée sur le détecteur Det permet donc une séparation spatiale des longueurs d’onde sur le détecteur en imageant une ligne entière de la scène à observer Obj. [0010] Le détecteur matriciel est typiquement agencé de manière à ce que chaque imagette ^^ ^^ ^^ soit orientée selon un axe ^^ (« colonne ») de la matrice de pixels du détecteur, le système optique imageur étant adapté pour que les imagettes ^^ ^^ ^^ soient alignées selon un axe ^^ (« ligne »), perpendiculaire à l’axe ^^. Ainsi, en l’absence de distorsion, chaque colonne du détecteur est exposée au rayonnement correspondant au même champ de vue linéaire mais à différentes longueurs d’onde. Chaque ligne du détecteur enregistre le spectre de chaque point du champ de vue FOV imagé. [0011] Les instruments hyperspectraux connus de l’homme de l’art et basés sur des systèmes dispersifs présentent des contraintes de rapport signal sur bruit, de flexibilité des bandes choisies, et de lumière parasite. Il n’est par exemple pas possible d’optimiser le rapport signal sur bruit d’une bande spectrale particulière par rapport à d’autre car toutes les bandes spectrales sont séparées et détectées de la même manière. [0012] L’invention vise à pallier certains problèmes de l’art antérieur en développant un système optique d’imagerie hyperspectrale comprenant plus de 60 filtres spectraux disposés dans le plan focal image du télescope observant une scène défilante. Ainsi, le système de l’invention via la modularité des filtres permet un très bon rapport signal sur bruit dans toutes les bandes spectrales, une flexibilité totale des bandes choisies et une lumière parasite maitrisée. Résumé de l’invention : [0013] A cet effet, un objet de l’invention est un système optique d’imagerie hyperspectrale comprenant : - un système optique dit téléscope adapté pour collecter une lumière issue d’une scène à observer défilant selon une direction A de manière à former une image dite intermédiaire dans un plan focal image dudit télescope, - au mois un ensemble de détection hyperspectral d’au moins une portion de la lumière collectée par ledit telescope et comprenant: - un ensemble de filtre comprenant ^^ > 60 filtres spectraux amonts disposés a proximité du plan focal image dudit télescope, chaque filtre spectral amont étant passe bande à une bande spectrale amont distincte des autres et étant agencé de manière à filtrer spectralement un sous faisceau respectif associé à un champ de vue de la scène observée, - un système optique dit objectif imageur, un plan focal objet dudit objectif imageur étant confondu avec le plan focal image dudit télescope - un détecteur matriciel adapté pour acquérir une image de l’image intermédiaire par l’objectif imageur, - l’objectif imageur étant configuré pour former ^^ sous-images spectralement distinctes correspondant auxdits ^^ champs de vue de la scène associés aux ^^ sous faiceaux, chacune des ^^ sous-images étant formée sur une sous-région du détecteur distincte des autres. [0014] Selon un mode de réalisation particulier, les filtres spectraux amonts et lesdites sous-régions s’étendant selon une direction principale ^^ sensiblement perpendiculaire à un axe optique de l’objectif imageur et sensiblement perpendiculaire à ladite direction A. [0015] Selon un mode de réalisation particulier, une dimension dite latérale de chaque filtre spectral amont selon la direction ^^ est adaptée de manière à obtenir un rapport signal sur bruit supérieur à une valeur prédéterminée dans la sous image associée audit filtre spectral amont. [0016] Selon un mode de réalisation particulier, chacune des sous régions comprend un nombre de pixels selon la direction A déterminé en fonction d’une part, d’un grandissement dudit objectif imageur et d’autre part d’une dimension dite latérale selon la direction ^^ du filtre spectral amont filtrant ladite bande spectrale. [0017] Selon un mode de réalisation particulier, le téléscope présente un nombre d’ouverture supérieur à 5, préférentiellement supérieur à 7, encore préférentiellement supérieur à 10. De manière préférentielle, une dimension dite latérale de chaque filtre spectral amont selon la direction ^^ est supérieure à 50 ^^ ^^, préférentiellement supérieure à 80 ^^ ^^. [0018] Selon un mode de réalisation particulier, le grandissement de l’objectif imageur ^^ est déterminé en fonction en fonction de la résolution au sol ^^ ^^ ^^ prédéterminée selon la formule suivante : ^^ ^^ ^^ = , avec ^^ la distance entre la scène et le système, ^^ ^^ la distance focale image du télescope T, ^^ le pas pixel du détecteur selon la direction A. [0019] Selon un mode de réalisation particulier, l’objectif imageur présente un grandissement inférieur à 1 afin d’obtenir une résolution au sol d’environ 20 ^^ pour ledit système. [0020] Selon un mode de réalisation particulier, les filtres spectraux amonts forment une structure monobloc, les filtres spectraux amonts étant collés les un avec les autres. [0021] Selon un mode de réalisation particulier, les filtres spectraux amonts sont séparés d’une distance inférieure à 25 ^^ ^^, préférentiellement inférieure à 10 ^^ ^^. [0022] Selon un mode de réalisation particulier, les filtres spectraux amont sont rapportés ou accolés sur une lame transparente à ladite lumière. [0023] Selon un mode de réalisation particulier, le système comprend ^^ > 100 filtres spectraux amonts, préférentiellement ^^ > 200 filtres spectraux amonts de manière à ce que ledit ensemble de filtre transmette une bande spectrale denommée bande spectrale totale allant de 400 ^^ ^^ à 2500 ^^ ^^. [0024] Selon un mode de réalisation particulier, l’ensemble de détection hyperspectral comprend en outre ^^ filtres spectraux aval situés à proximité du détecteur et passe bande à une bande spectrale aval distincte des autres, un filtre spectral aval étant agencé de manière à filtrer un sous faisceau associé à un filtre spectral amont, une bande spectrale aval d’un filtre spectral aval possédant un recouvrement non nul avec la bande spectrale amont du filtre spectral amont associé. [0025] Selon un mode de réalisation particulier, le système comprend une pluralité ^^ > 1 d’ensembles de détection hyperspectral chacun adapté pour transmettre et détecter une bande spectrale denommée bande spectrale totale différente des autres, ledit système comprenant un séparateur dichroïque agencé sur le trajet optique de la lumière pour séparer spatialement ladite lumière collectée par le telescope en ^^ faisceaux présentant des gammes spectrales différentes et pour diriger chacun desdits ^^ faisceaux vers un ensemble de détection hyperspectral adapté pour détecter ladite gamme spectrale dudit faisceau. Brève description des figures : [0026] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement : [0027] [Fig.1A] et [Fig.1B] une vue schématique d’un système optique d’imagerie hysperspectral de type pushbroom de l’art antérieur ; [0028] [Fig.2A], [Fig.2B] et [Fig.2C] une vue schématique d’un système optique d’imagerie hyperspectral de l’invention; [0029] [Fig.3] une vue schématique des filtres spectraux amont d’un système optique d’imagerie hyperspectral de l’invention ; [0030] [Fig.4] et [Fig.5] une vue schématique de respectivement un mode de réalisation de filtres spectraux amont du système optique d’imagerie hyperspectral de l’invention. [0031] [Fig.6] et [Fig.7] une vue schématique d’un système optique d’imagerie hyperspectral selon des modes de réalisation de l’invention. [0032] Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle. Description détaillée : [0033] Les figures 2A et 2B présentent une vue schématique d’un système optique d’imagerie hyperspectral 1 de type pushbroom selon l’invention. La figure 2A illustre l’agencement du système 1 par rapport à la scène à observer Obj. La figure 2B est une représentation schématique plus détaillées des différents éléments du système 1 selon un plan ^^ ^^. [0034] Comme dans les dispositifs pushbroom de l’art antérieur, le système 1 comprend un système optique dit télescope T adapté pour collecter une lumière L issue de la scène à observer Obj. Le télescope T est un système catadioptrique connu en soi adapté pour réaliser l’image d’un objet situé à l’infini par rapport à la distance focale du système dans le plan focal image ^^ ^^ ^^ ^^ , ^^ du télescope. De manière connue, il peut être constitué d’une pluralité de paraboles hors axe et/ou de miroirs ou encore de lentilles. A titre d’exemple illustratif, dans le mode de réalisation de la figure 2B, le télescope comprend deux paraboles hors axe et un miroir. [0035] Pour acquérir une image hyperspectrale de la scène Obj, le système 1 comprend un ensemble ED de détection hyperspectral d’au moins une portion de la lumière L collectée par le télescope du système 1. La figure 2C est une représentation schématique selon le plan ^^ ^^ qui détaille plus précisément l’ensemble ED de détection hyperspectral qui comprend notamment un objectif imageur OI et un détecteur matriciel Det. [0036] L’image de la scène formée par le télescope est appelée image intermédiaire ^^ ^^ car l’ensemble ED de détection hyperspectral du système 1 comprend un objectif imageur OI avec un plan focal objet ^^ ^^ ^^, ^^ ^^ confondu avec le plan focal image ^^ ^^ ^^ ^^ , ^^ du télescope. L’objectif imageur OI réalise l’image de cette image intermédiaire ^^ ^^ sur le détecteur Det. Le détecteur matriciel Det est un capteur CCD, CMOS ou encore tout détecteur matriciel connu de l’art antérieur. [0037] A titre d’exemple illustratif, dans le mode de réalisation illustré dans les figures 2B et 2C, l’objectif imageur comporte deux groupes optiques distincts, un premier groupe O1 réalisant l’image de l’image intermédiaire, dite première image, à l’infini et un deuxième groupe O2 réalisant l’image de la première image dans le plan focal image du deuxième groupe ^^ ^^ ^^ ^^, ^^ ^^. Alternativement, selon un autre mode de réalisation, l’objectif imageur comprend un nombre différent de groupes de lentilles. [0038] Dans l’exemple illustré dans la figure 2A, le mouvement relatif de la scène à observer par rapport au système 1 est selon la direction A. Par exemple, le système 1 peut être embarqué sur un véhicule ou aéronef se déplaçant de manière à ce que la scène à observer Obj fixe, intercepte le champ de vue ^^ ^^ ^^ du télescope T. L Alternativement, le système 1 peut être fixe et la scène à observer Obj peut se déplacer au travers du champ de vue, par exemple sur un tapis roulant. Par la suite, on considère que les termes « direction A » et « direction de défilement » sont équivalents. [0039] Le système 1 de l’invention diffère des dispositifs pushbroom hyperspectraux de l’art antérieur au moins en ce que l’ensemble ED comprend un ensemble de filtre EF permettant un fonctionnement hyperspectral du système 1. Plus précisément, l’ensemble de filtre EF comprend ^^ > 60 filtres spectraux amonts ^^1 … ^^ ^^ disposés à proximité du plan focal image ^^ ^^ ^^ ^^, ^^ du télescope. De préférence, comme cela est illustré dans les figures 2B et 2C, les filtres spectraux amonts sont disposés dans le focal image ^^ ^^ ^^ ^^, ^^ du télescope afin de réduire le vignettage produit par chaque filtre. A la différence des dispositifs multispectraux de l’art antérieur comprenant des éléments dispersifs (cf figures 1A-1B), le système 1 de l’invention ne comprend pas de fente F dans le plan focal image du télescope. [0040] Chaque filtre spectral amont ^^ ^^ est passe bande à une bande spectrale amont Δ ^^ ^^ distincte des autres et est agencé de manière à filtrer spectralement un sous faisceau ^^ ^^ ^^ respectif associé à un champ de vue FOVi de la scène observée. Ainsi, le sous faisceau ^^ ^^ ^^ présente une information spectrale uniquement sur la bande spectrale Δ ^^ ^^. Compte tenu de la conception optique du système 1, l’objectif imageur OI est adapté pour former ^^ sous-images ^^ ^^ spectralement distinctes correspondant respectivement aux ^^ champs de vue ^^ ^^ ^^ ^^ de la scène associés aux ^^ sous faiceaux ^^ ^^ ^^ . Chacune des ^^ sous- images ^^ ^^ est formée sur une sous-région ^^ ^^ du détecteur distincte des autres. Dans chaque sous image ^^ ^^ , seule une portion restreinte de la scène est observée (correspondant au champ de vue FOVi de chaque sous image). L’ensemble des champs de vue FOVi associé à chaque sous faisceau ^^ ^^ ^^ correspond au champ de vue du télescope FOV. La dimension de chaque sous image ^^ ^^ dépend de la dimension du filtre ^^ ^^ associé et du grandissement de l’objectif imageur. La dimension selon la direction A de chaque sous région ^^ ^^ est adaptée en fonction de la dimension de la sous image ^^ ^^ associée. De manière connue, cette dimension peut être aussi adaptée en fonction du moyennage temporel nécessaire afin d’ajuster le rapport signal sur bruit de la bande spectrale associée à la sous région ^^ ^^ (voir plus loin). En outre, selon l’invention, comme cela sera expliqué plus loin, la dimension des filtres ^^ ^^ selon la direction A (et la dimension des sous régions ^^ ^^ associées selon la direction A) n’est pas nécessairement identique pour chaque filtre. En effet, ces dimensions peuvent être différentes pour optimiser le rapport signal sur bruit (SNR) dans les différentes bandes Δ ^^ ^^. [0041] Compte tenu du faible champ de vue imagé dans les sous images, il est nécessaire d’en acquérir plusieurs afin de reconstruire une image hyperspectrale pertinente de la scène Obj. Aussi, il est nécessaire d’acquérir une pluralité ^^ > 1 de jeux de sous images ^^( ^^) = ^^1( ^^) … ,chacun des jeux de sous images ^^( ^^) = ^^1( ^^) … ^^ ^^( ^^) correspondant à une portion de la scène différente des autres et imagée par le système à des instants indicés ^^ ∈ [1, ^^] différents des autres lors du défilement de la scène selon la direction A. Les différentes sous images ^^ ^^( ^^) sont alors juxtaposées pour créer des images dites finale [0042] Dans la figure 2C, pour faciliter la compréhension du schéma, est représenté trois filtres spectraux amonts ^^1, ^^ ^^, ^^ ^^ (et les champs de vue ^^ ^^ ^^1, ^^ ^^ ^^ ^^ , ^^ ^^ ^^ ^^ et les sous faisceaux ^^ ^^1, ^^ ^^ ^^ , ^^ ^^ ^^ respectivement associés) bien que le dispositif de l’invention comprenne plus de 60 filtres spectraux amonts. [0043] L’utilisation de ^^ > 60 filtres dans l’invention plutôt qu’un élément dispersif comme dans les dispositifs de l’art antérieur présente de nombreux avantages grâce à la modularité que permet les filtres. Notamment, les filtres permettent d’optimiser le rapport signal sur bruit (SNR) dans toutes les bandes spectrales amonts séparement et permet une flexibilité totale des bandes spectrales amonts choisies (voir plus loin). A l’inverse, l’utilisation d’un élément dispersif requiert d’utiliser un même détecteur matriciel sur tout le spectre car chaque ligne du détecteur enregistre le spectre de chaque point du champ de vue imagé. [0044] De plus, les filtres de l’invention permettent de réduire le bruit parasite. En effet, effectuer un filtrage spectral dans le plan focal image du télescope réduit fortement le bruit associé aux réflexions diffuses provoquées par la traversée de l’objectif imageur et détectées par le détecteur car chaque sous- faisceau est filtré spectralement avant la traversée de l’objectif imageur. Ceci est notamment différent de l’agencement mis en œuvre dans certains dispositifs multispectraux de l’art antérieur dans lesquels un faible nombre (typiquement inférieur à 10) de filtres spectraux est situé proximité du détecteur matriciel. [0045] De manière préférentielle, l’ensemble de filtres EF comprend ^^ > 100 filtres spectraux amonts, préférentiellement ^^ > 200 filtres spectraux amonts de manière à ce que l’ensemble de filtre EF transmette une bande spectrale denommée bande spectrale totale allant de 400 ^^ ^^ à 2500 ^^ ^^. Ainsi, le système 1 de l’invention permet de réaliser de l’imagerie hyperspectrale couvrant le domaine du visible jusqu’au domaine SWIR (pour Short Wavelenght Infrared en anglais). [0046] Dans les dispositifs hyperspectraux de l’art, les téléscopes présentent un nombre d’ouverture ^^ ( ^^ -number en anglais, aussi noté ^^/# ) faible – typiquement inférieur à 3- afin de maximiser le rapport signal sur bruit des sous images. En effet, un nombre d’ouverture faible permet de collecter un flux plus important. Pour mémoire, le nombre d’ouverture ^^ ^^ du télescope T vaut ^^ ^^ = ^^ ^^/ ^^ ^^, avec ^^ ^^ la distance focale image du télescope et ^^ ^^ le diamètre de la pupille d’entrée du télescope T. Après de nombreux tests et simulations, les inventeurs ont réalisés que, dans l’invention, l’utilisation d’un nombre ^^ > 60 filtres à proximité du plan ^^ ^^ ^^ ^^, ^^ avec un téléscope présentant un nombre d’ouverture inférieur à 5 produisait un faisceau dans le plan focal image qui était de dimension transverse trop importante et induisait un vignettage trop important dans les sous images. Afin de surmonter ce problème, les inventeurs ont déterminé un mode de réalisation préféré, noté MP, dans lequel le télescope T de l’invention présente un nombre d’ouverture ^^ ^^supérieur à 5, préférentiellement supérieur à 7 et encore préférentiellement supérieur à 10. [0047] Ainsi, la lumière L collectée est focalisée par le télescope T en un faisceau FF suffisamment fin dans le plan focal image ^^ ^^ ^^ ^^, ^^ pour garantir des performances optimales des filtres. Ceci permet par exemple de limiter le crosstalk entre les filtres. L’utilisation d’un télescope T présentant un nombre d’ouverture élevé comme dans l’invention est particulièrement contre-intuitif car cela diminue le flux collecté par le telescope et donc entraine une diminution du SNR. Cependant, l’invention permet de compenser cette réduction du flux par un moyennage temporel ou par des filtres de dimensions latérales adaptée (voir plus loin), ce qui n’était pas possible dans les dispositifs de l’art antérieur utilisant des éléments dispersifs. [0048] De manière préférentielle, dans le mode de réalisation MP, la dimension latérale ℎ ^^ de chaque filtre spectral amont ^^ ^^ est supérieure à 50 ^^ ^^ , préférentiellement supérieure à 80 ^^ ^^ encore préférentiellement supérieure à 90 ^^ ^^ afin de réduire le vignettage du faisceau FF par les filtres spectraux amonts. De manière encore préférentielle, la dimension latérale ℎ ^^ de chaque filtre spectral amont ^^ ^^ est comprise entre 90 ^^ ^^ et 750 ^^ ^^, cette dimension latérale ℎ ^^ étant de préférence choisie selon la densité spectrale de puissance de la lumière L dans la bande spectrale amont Δλ ^^ filtrée par le filtre spectral amont ^^ ^^. En effet, il est possible de compenser une densité spectrale de puissance faible dans la bande spectrale amont Δλ ^^ par une dimension latérale ℎ ^^ relativement plus grande (voir plus loin). [0049] De manière préférentielle, l’objectif imageur présente un grandissement G adapté en fonction du nombre d’ouverture du télescope T afin d’obtenir une résolution au sol prédéterminée dans le système de l’invention. En effet, dans le dispositif de l’invention, on démontre que la résolution au sol (aussi nommée GSD pour Ground Sampling Distance en anglais) est donné par la formule suivante : ^^ ^^ ^ ^^× ^^ [0050] ^ = ^^ ^^ × ^^ [0051] avec ^^ la distance entre la scène et le système 1 (voir figure 2A), ^^ ^^ la distance focale image du télescope T, ^^ le pas pixel du détecteur selon la direction A et ^^ le grandissement de l’objectif imageur. [0052] Par exemple, selon une variante du mode de réalisation MP, le grandissement G de l’objectif imageur est inférieur à 1 pour compenser le nombre d’ouverture ^^ ^^ relativement élevée de manière à obtenir une résolution au sol prédéterminée dans le système de l’invention. Selon une variante préférée du mode de réalisation MP, l’objectif imageur présente un grandissement inférieur à 1 afin d’obtenir une résolution au sol d’environ 20 ^^ dans le système 1. Par exemple, pour un nombre d’ouverture ^^ ^^ > 7 du télescope T, on a un grandissement ^^ < 0.8 de l’objectif imageur. Selon un exemple spécifique, ^^ ^^ = 9.6 et ^^ = 0.73. [0053] La possibilité d’optimiser la GSD à partir du grandissement de l’optique relais est une option qui n’était pas possible dans les dispositifs de l’art utilisant des éléments dispersifs (voir figures 1A et 1B) dans lesquels la résolution GSD au sol est donnée par la relation suivante : ^^ ^^ ^^ = ^^ × ^^ ^^/ ^^ ^^ avec ^^ la distance entre la scène et le dispositif, ^^ ^^ la distance focale image du télescope T et ^^ ^^ la dimension transverse la fente F (selon la direction A). [0054] La figure 3 illustre schématiquement uniquement l’ensemble de filtre EF et le détectecteur matriciel Det et illustre commment l’adaptation des filtres et du détecteur permet une adaptation du SNR associé à chaque bande spectrale amont Δλ ^^ . A titre d’exemple illustratif, dans la figure 3, les filtres spectraux amonts sont tous agencés dans le plan focal image ^^ ^^ ^^ ^^, ^^ du télescope. De plus, la forme des filtres spectraux amont est rectangulaire et ils s’étendent selon la direction principale ^^ sensiblement perpendiculaire à l’axe optique AOOI de l’objectif imageur OI et sensiblement perpendiculaire à la direction A. De même, pour adapter la détection, chaque sous-régions ^^ ^^ s’étend selon la direction principale ^^ . Alternativement, selon un mode de réalisation différent de celui illustré en figure 3, les filtres spectraux amonts sont de forme carré, elliptique ou encore circulaire. [0055] Selon un premier mode de réalisation, cette optimisation du SNR est effectuée via la dimension latérale ℎ ^^ de chaque filtre spectral amont ^^ ^^ selon la direction ^^. En effet, afin d’améliorer le rapport signal sur bruit dans une bande spectrale amont Δλ ^^ donnée il est possible d’augmenter la dimension latérale ℎ ^^ du filtre spectral amont ^^ ^^ transmettant cette bande spectrale car cela permet la transmission du sous faisceau ^^ ^^ ^^ avec un flux de photon plus élevée dans cette bande spectrale. Aussi, dans le premier mode de réalisation, la dimension latérale ℎ ^^ est adaptée de manière à obtenir un rapport signal sur bruit supérieur à une valeur prédéterminée dans la sous image ^^ ^^ associée au filtre ^^ ^^ . Ce mode de réalisation est particulièrement intéressant lorsque la densité spectrale de puissance de la lumière L dans une bande spectrale amont Δλ ^^ filtrée par le filtre spectral amont ^^ ^^ est faible. Ceci peut être par exemple le cas lorsque l’utilisateur du dispositif requiert une résolution spectrale (c’est-à-dire une largeur de bande Δλ ^^) faible, par exemple 10 ^^ ^^, dans une bande spectrale donnée pour une utilisation spécifique. [0056] A titre d’exemple non limitatif, les filtres ^^1 … ^^ ^^ transmettent des bandes spectrales Δλ1 … Δλ ^^ adjacentes avec une fréquence centrale croissante du filtre ^^1 jusqu’au filtre ^^ ^^. De plus, comme illustré dans l’exemple de la figure 3, la dimension latérale des filtres est décroissante depuis le premier filtre ^^1 jusqu’au filtre ^^ ^^par exemple parce que la lumière L présente une densité spectrale de puissance décroissante de la bande Δλ1 jusqu’à la bande Δλ ^^. [0057] Selon un second mode de réalisation, l’amélioration du SNR dans la bande spectrale amont Δλ ^^ est effectuée par un moyennage temporel dans la sous région ^^ ^^ associé à Δλ ^^ . En effet, afin d’améliorer le rapport signal sur bruit dans une bande Δλ ^^, il est possible d’effectuer une moyenne selon la direction A de sous images ^^ ^^( ^^), chacune étant obtenue dans la sous-région ^^ ^^ , à un instant ^^ différent. Ce moyennage temporel des sous images ^^ ^^( ^^), dans la région ^^ ^^ est rendu possible par le nombre de lignes de pixel selon la direction A dans la région ^^ ^^ et permet d’obtenir une sous image ^^ ^^ avec un meilleur rapport signal sur bruit. On rappelle que la dimension d’une sous image ^^ ^^ sur le détecteur dépend de la dimension latérale ℎ ^^ du filtre associé et du grandissement de l’objectif imageur OI. Aussi, selon le second mode de réalisation, pour optimiser le rapport signal sur bruit dans la bande spectrale amont Δλ ^^ , le nombre de pixels selon la direction A de la sous région ^^ ^^ associé à cette bande dépend du grandissement de l’objectif imageur OI et dépend de la dimension latérale ℎ ^^ du filtre spectral amont ^^ ^^ transmettant la bande Δλ ^^. Tout comme le premier mode de réalisation, le second mode de réalisation permet d’améliorer le SNR par exemple lorsque que la densité spectrale de puissance de la lumière L dans une bande spectrale amont Δλ ^^ transmise par le filtre spectral amont ^^ ^^ est faible. Il est entendu que le nombre de lignes selon la direction peut être différent entre les sous régions ^^ ^^ selon les spécificités des bandes Δλ ^^ associées. [0058] A titre d’exemple non limitatif, dans l’exemple de la figure 3, les sous régions ^^ ^^ et ^^ ^^ associées aux filtres ^^ ^^ et ^^ ^^ respectivement présentent plus de lignes selon la direction A que la sous région ^^1 associée au filtre ^^1 afin de permettre un moyennage temporel des sous images ^^ ^^( ^^) et ^^ ^^( ^^) et ainsi améliorer le SNR dans les bandes spectrales Δλ ^^ et Δλ ^^ . Ce mode de réalisation est avantageux lorsque ces bandes Δλ ^^ et Δλ ^^ sont plus absorbées par l’atmosphère que la bande Δλ ^^ par exemple. [0059] Le premier et le second mode de réalisation permettent, via l’utilisation de filtre, une grande modularité du dispositif 1 en fonction du type d’illumination et de la scène imagée en optimisant le SNR sur chacune des bandes spectrales. Ceci constitue un avantage par rapport aux dispositifs hyperspectral de type pushbroom de l’art antérieur utilisant des éléments dispersifs dans lequel la détection des différentes bandes spectrales ne pouvait pas être optimisée séparément. [0060] La figure 4 illustre un mode de réalisation dans lequel, les filtres spectraux amont forment une structure monobloc. C’est-à-dire que les régions amont ^^ ^^ sont empilées les une sur les autres dans la direction A. Le procédé de fabrication de ces filtres spectraux amont est ainsi simplifiée. Les régions ^^ ^^ peuvent par exemple être rapportées ou acolées les une avec les autres. De préférence, dans le mode de réalisation de la figure 4, les filtres spectraux amonts sont séparés d’une distance inférieure à 25 ^^ ^^, préférentiellement inférieure à 10 ^^ ^^ qui est due à la présence de colle entre les filtres.. [0061] La figure 5 illustre un mode de réalisation dans lequel les filtres spectraux amont sont rapportés ou accolés sur une lame transparente LT à la lumière L collectée par le télescope. Par transparent, on entend ici une transmission supérieure à 99%. L’avantage de ce mode de réalisation est de permettre le dépôt des filtres spectraux amonts directement sur la lame LT et donc de fabriquer l’ensemble EF en une seule étape. [0062] La figure 6 illustre schématiquement un mode de réalisation de l’invention, dans lequel l’ensemble ED de détection hyperspectral comprend en outre ^^ filtres spectraux aval ^^2 ^^ , situés à proximité du détecteur et passe bande à une bande spectrale aval Δ ^^2 ^^ distincte des autres. Chaque filtre spectral aval ^^2 ^^ est agencé de manière à filtrer un sous faisceau ^^ ^^ ^^ associé à un filtre spectral amont ^^ ^^. De plus, une bande spectrale aval Δ ^^2 ^^ d’un filtre spectral aval possède un recouvrement non nul avec la bande spectrale amont Δ ^^ ^^ du filtre spectral amont associé. Ainsi, le filtre spectral amont ^^ ^^ et aval ^^2 ^^ associé sont passe bande à une portion spectrale commune de la lumière collectée. De cette manière, la sous image ^^ ^^ est représentative de l’information spectrale de la scène observée associée à ce champ de vue et à cette portion spectrale commune. [0063] Grâce à l’utilisation des filtres spectraux amont combinés aux filtres spectraux aval, le bruit associé aux réflexions diffuses provoquées par la traversée de l’objectif imageur et détectées par le détecteur est fortement diminué. [0064] De plus, l’intensité de la portion de la lumière traversant l’objectif imageur et réfléchie par chaque filtre spectral aval ^^2 ^^ vers l’objectif imageur présente alors un spectre tel que : |Δ ^^ ^^ − Δ ^^2 ^^|. Selon comment sont choisis les filtres spectraux aval et amont, la largeur de bande spectrale de la portion réfléchie par chaque filtre spectral aval peut être très faible ou même nulle si les bandes spectral amont et aval associées sont identiques. De manière critique, même si la largeur de la bande spectrale de la portion réfléchie n’est pas nulle, lorsque la portion réfléchie par chaque filtre spectral aval se réfléchit sur les différents composants de l’objectif imageur, elle sera filtrée spectralement par les autres régions ^^ de l’ensemble de filtre EF et ne sera donc pas détectée par le détecteur Det. En effet, les régions ^^≠ ^^ sont chacune passe-bande à une bande passante aval distinctes de la bande spectrale |Δ ^^ ^^ − Δ ^^2 ^^| de la portion réfléchie. Grâce aux filtre spectraux amonts, la contribution de ces rayons à la lumière parasite vis-à-vis de la sous-image associée à la région ^^≠ ^^ est fortement diminuée. [0065] La figure 7 illustre schématiquement un mode de réalisation de l’invention dans lequel le système 1 comprend une pluralité ^^ > 1 d’ensembles ED, ED’ de détection hyperspectral chacun adapté pour transmettre et détecter une bande spectrale dite totale différente des autres. Dans le mode de réalisation de la figure 7, le système comprend un séparateur dichroïque MD –par exemple un ou plusieurs miroirs dichroïques- agencé sur le trajet optique du faisceau FF pour le séparer spatialement en ^^ faisceaux présentant des gammes spectrales différentes et pour diriger chacun des ^^ faisceaux vers un ensemble de détection hyperspectral adapté pour détecter la gamme spectrale de ce faisceau. A titre d’exemple illustratif, dans le mode de réalisation illustré en figure 7, le système 1 comporte deux voies séparées par une lame ou un miroir dichroïque MD et deux ensembles ED, ED’ de détection hyperspectral Le mode de réalisation de la figure 7 permet de maximiser l’efficacité de détection du détecteur Det, Det’ de chaque ensemble ED, ED’ de détection hyperspectral. En effet, le détecteur de l’ensemble détection hyperspectral est optimisé spécifiquement pour la gamme spectrale du faisceau dirigé dans cet ensemble.

Claims

Revendications 1. Système optique d’imagerie hyperspectrale (1) comprenant: - un système optique dit téléscope (T) présentant un nombre d’ouverture supérieur à 5 et adapté pour collecter une lumière (L) issue d’une scène à observer défilant selon une direction A de manière à former une image dite intermédiaire dans un plan focal image ( ^^ ^^ ^^ ^^, ^^) dudit télescope, - au mois un ensemble (ED) de détection hyperspectral d’au moins une portion de la lumière (L) collectée par ledit telescope et comprenant: - un ensemble de filtre (EF) comprenant ^^ > 60 filtres spectraux amonts ( ^^ ^^) disposés a proximité du plan focal image ( ^^ ^^ ^^ ^^, ^^) dudit télescope, chaque filtre spectral amont étant passe bande à une bande spectrale amont (Δ ^^ ^^) distincte des autres et étant agencé de manière à filtrer spectralement un sous faisceau ( ^^ ^^ ^^) respectif associé à un champ de vue (FOVi) de la scène observée, - un système optique dit objectif imageur (OI), un plan focal objet ( ^^ ^^ ^^, ^^ ^^) dudit objectif imageur étant confondu avec le plan focal image dudit télescope - un détecteur (Det) matriciel adapté pour acquérir une image de l’image intermédiaire par l’objectif imageur, l’objectif imageur étant configuré pour former ^^ sous-images ( ^^ ^^) spectralement distinctes correspondant auxdits ^^ champs de vue ( ^^ ^^ ^^ ^^) de la scène associés aux ^^ sous faiceaux ( ^^ ^^ ^^), chacune des ^^ sous-images étant formée sur une sous-région ( ^^ ^^) du détecteur distincte des autres. 2. Système selon la revendication précédente, dans lequel lesdit filtres spectraux amonts et lesdites sous-régions s’étendant selon une direction principale ^^ sensiblement perpendiculaire à un axe optique (AOOI) de l’objectif imageur (OI) et sensiblement perpendiculaire à ladite direction A. 3. Système selon la revendication précédente, dans lequel une dimension dite latérale (ℎ ^^) de chaque filtre spectral amont ( ^^ ^^) selon la direction ^^ est adaptée de manière à obtenir un rapport signal sur bruit supérieur à une valeur prédéterminée dans la sous image ( ^^ ^^) associée audit filtre spectral amont. 4. Système selon la revendication 2 ou 3, dans lequel chacune des sous régions ( ^^ ^^) comprend un nombre de pixels selon la direction A déterminé en fonction d’une part, d’un grandissement dudit objectif imageur (OI) et d’autre part d’une dimension dite latérale (ℎ ^^) selon la direction ^^ du filtre spectral amont filtrant ladite bande spectrale. 5. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit téléscope présente un nombre d’ouverture supérieur à 7, encore préférentiellement supérieur à 10. 6. Système selon la revendication précédente, dans lequel une dimension dite latérale de chaque filtre spectral amont selon la direction ^^ est supérieure à 50 ^^ ^^, préférentiellement supérieure à 80 ^^ ^^. 7. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le grandissement de l’objectif imageur ^^ est déterminé en fonction en fonction de la résolution au sol ^^ ^^ ^^ prédéterminée selon la formule suivante : avec ^^ la distance entre la scène et le système, ^^ ^^ la distance focale image du télescope T, ^^ le pas pixel du détecteur selon la direction A. 8. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit objectif imageur présente un grandissement inférieur à 1 afin d’obtenir une résolution au sol d’environ 20 ^^ pour ledit système. 9. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les filtres spectraux amonts forment une structure monobloc, les filtres spectraux amonts étant collés les un avec les autres. 10. Système selon la revendication précédente, dans lequel les filtres spectraux amonts sont séparés d’une distance inférieure à 25 ^^ ^^, préférentiellement inférieure à 10 ^^ ^^. 11. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les filtres spectraux amont sont rapportés ou accolés sur une lame transparente (LT) à ladite lumière (L). 12. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant ^^ > 100 filtres spectraux amonts, préférentiellement ^^ > 200 filtres spectraux amonts de manière à ce que ledit ensemble de filtre (EF) transmette une bande spectrale denommée bande spectrale totale allant de 400 ^^ ^^ à 2500 ^^ ^^. 13. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’ensemble de détection hyperspectral comprend en outre ^^ filtres spectraux aval ( ^^2 ^^), situés à proximité du détecteur et passe bande à une bande spectrale aval (Δ ^^2 ^^) distincte des autres, un filtre spectral aval étant agencé de manière à filtrer un sous faisceau ( ^^ ^^ ^^) associé à un filtre spectral amont, une bande spectrale aval (Δ ^^2 ^^) d’un filtre spectral aval possédant un recouvrement non nul avec la bande spectrale amont (Δ ^^2 ^^) du filtre spectral amont associé. 14. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité ^^ > 1 d’ensembles de détection hyperspectral (ED, ED’) chacun adapté pour transmettre et détecter une bande spectrale denommée bande spectrale totale différente des autres, ledit système comprenant un séparateur dichroïque (MD) agencé sur le trajet optique de la lumière pour séparer spatialement ladite lumière collectée par le telescope en ^^ faisceaux présentant des gammes spectrales différentes et pour diriger chacun desdits ^^ faisceaux vers un ensemble de détection hyperspectral adapté pour détecter ladite gamme spectrale dudit faisceau.
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