ES2929380T3

ES2929380T3 - Espectro generador de imágenes multicanal por transformada de Fourier

Info

Publication number: ES2929380T3
Application number: ES17745415T
Authority: ES
Inventors: Nicolas Guerineau; Coarer Etienne Le; Yann Ferrec; La Barriere Florence De
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA; Universite Grenoble Alpes
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA; Universite Grenoble Alpes
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2022-11-28
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: FR3053464B1; RU2735901C2; WO2018002558A1; FR3053464A1; RU2019102354A3; US20190170576A1; EP3458819A1; CN109477758A; EP3458819B1; US10677650B2; RU2019102354A; JP2019527349A; CA3029532A1; JP6941124B2

Abstract

La invención se refiere a un generador de imágenes espectrales (100), comprendiendo dicho dispositivo: un fotodetector (120) que incluye una pluralidad de sitios fotosensibles expuestos en una superficie fotosensible (121); una lente colimadora (110) que comprende un plano focal intermedio (130); un conjunto de interferómetros con dos ondas principales (140), cada uno de los cuales comprende una cavidad definida por dos caras; una matriz de microlentes (150) dispuestas en un plano paralelo a la superficie fotosensible (121), estando emparejada cada microlente con un interferómetro para formar un par óptico, que comprende un plano focal de imagen que coincide con la superficie fotosensible (121) y enfrentado una sección de la superficie fotosensible (121). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Espectro generador de imágenes multicanal por transformada de Fourier

Campo técnico

La presente invención se refiere a un espectro generador de imágenes multicanal por transformada de Fourier destinado para generar imágenes, de manera simultánea, de una pluralidad de estados de interferencia dada de una escena. Más particularmente, la invención se refiere a un dispositivo compacto destinado para producir imágenes de una escena, de manera simultánea, y con diferentes longitudes de onda. Un tal dispositivo se denomina espectro generador de imágenes.

Campo técnico y técnica anterior

Un espectrómetro 10 generador de imágenes por transformada de Fourier, presentado en la Figura 1, y conocido del estado de la técnica, comprende un interferómetro de dos ondas. Este espectro generador de imágenes, ahora comercializado por la compañía TELOPS con el nombre de «Hyper-Cam™», comprende un interferómetro de Michelson y un fotodetector 40.

El fotodetector 40 comprende una pluralidad de sitios fotosensibles («Pixel» según la terminología anglosajona) destinados para generar imágenes de una escena 30.

Para diferentes posiciones del espejo 30 móvil del interferómetro de Michelson, cada sitio fotosensible del fotodetector 40, en correspondencia con un punto dado de la escena 30, recoge, por lo tanto, una intensidad luminosa representativa de un estado de interferencia del dicho punto. Por tanto, el conjunto de intensidades luminosas recogidas por el conjunto de sitios fotosensibles, para una posición del espejo 30 móvil, corresponde a un estado de interferencia de la escena 30, que se denomina «interferencia de imagen».

En funcionamiento, un tal dispositivo recoge una pluralidad de interferencias de imágenes para diferentes posiciones del espejo 30 móvil, de modo que, para cada sitio fotosensible, el conjunto de estados de interferencia recogidos por el dicho sitio corresponde a un interferograma, que codifica la transformada de Fourier del espectro (o intensidad luminosa espectral) de un punto de la escena 30. Un procesamiento matemático del tipo «transformada de Fourier» del conjunto de interferencias de imágenes puede entonces ser aplicado para obtener un conjunto de imágenes de la escena 30 con diferentes longitudes de onda que se denominan «espectro de imágenes» (el conjunto de espectros de imágenes forma un «cubo de imagen»).

Sin embargo, este dispositivo no es satisfactorio.

En efecto, la formación de un espectro de imagen de una escena en el plano del fotodetector 40 requiere adquirir una secuencia de interferencias de imágenes para diferentes posiciones del espejo 20 móvil. En consecuencia, la adquisición, con una resolución suficiente, de escenas en movimiento es difícil, incluso imposible.

Además, tales dispositivos requieren una alineación fina de sus componentes ópticos y, por tanto, son complejos de utilizar.

Además, se pueden requerir realineamientos finos tan pronto como se observen variaciones de temperatura y presión.

Finalmente, debido a su masa y su tamaño, solo se refrigera el detector y, por tanto, requiere realineamientos periódicos. Los dispositivos según la técnica anterior se divulgan en los documentos US2012268745 A1 y US6016199 A.

La Figura 2 presenta otro espectrómetro 11 generador de imágenes conocido del estado de la técnica divulgado en el documento [1] y citado al final de la descripción.

En el documento [1], el espectro generador de imágenes comprende una red 70 de microlentes dispuestas al frente de un detector fotosensible («Imagen Sensor» según la terminología anglosajona). El espectro generador de imágenes también comprende una red 60 de filtros de colores dispuestos entre la red de microlentes y el detector fotosensible.

La disposición, la forma y el tamaño de las microlentes y los filtros de colores permiten constituir imágenes esencialmente monocromáticas de una misma escena en diferentes secciones del detector fotosensible (cada filtro filtra la imagen de la escena a una longitud de onda específica antes de transmitirla al detector fotosensible).

A diferencia del espectro generador de imágenes presentado en la Figura 1, no hay parte móvil y la adquisición de la escena es simultánea para todas las longitudes de onda representativas de los filtros de la red de filtros de colores. Este dispositivo se considera como multicanal (cada filtro de color corresponde a un canal). Este dispositivo forma directamente los espectros de imágenes en el fotodetector sin recurrir a un cálculo por transformada de Fourier inversa (el cubo de imagen se obtiene directamente en la superficie del fotodetector).

Este dispositivo tampoco es satisfactorio.

En efecto, la resolución espectral de un tal dispositivo depende esencialmente del número de filtros 60 y del ancho espectral de cada filtro. Por tanto, el aumento de la resolución espectral obliga a aumentar el número de filtros y a reducir el ancho espectral de cada filtro, lo cual disminuye por igual el tamaño de los dichos filtros y, en consecuencia, también disminuye de manera significativa el flujo luminoso que pasa a través de cada filtro 60. Por tanto, tan pronto como aumenta el número de filtros, se deteriora la sensibilidad del dispositivo.

Además, si aumenta el número de filtros 60 de colores, la imagen se vuelve borrosa y poco contrastada.

Además, el dispositivo presentado en la Figura 2 no permite la observación de escenas oscuras.

Un objetivo de la invención es entonces proponer un espectro generador de imágenes multicanal que permita la adquisición simultánea de varias imágenes monocromáticas de una misma escena con una resolución espectral y una sensibilidad mejoradas con respecto al estado de la técnica.

Otro objetivo de la invención es proponer un espectro generador de imágenes más compacto que los propuestos en el estado de la técnica, de manera que pueda refrigerarlos a baja temperatura en su totalidad.

Exposición de la invención

Los objetivos de la invención se logran, al menos en parte, mediante un espectro generador de imágenes multicanal por transformada de Fourier, comprendiendo el dispositivo:

- un fotodetector que comprende una pluralidad de sitios fotosensibles nivelados con una superficie fotosensible del dicho fotodetector,

- una red de interferómetros de dos ondas mayoritarias con una finura comprendida entre 2 y 10, comprendiendo cada uno una cavidad delimitada por dos caras enfrentadas entre sí y paralelas a la superficie fotosensible, estando las dos caras de cada interferómetro espaciadas por un espaciamiento h diferente de un interferómetro a otro, y estando los interferómetros dispuestos según un plano paralelo a la superficie fotosensible,

- una red de microlentes dispuestas en un plano paralelo a la superficie fotosensible.

Estando cada microlente de la red de microlentes emparejada con un interferómetro de la red de interferómetros para formar un par óptico, comprendiendo el dicho par óptico un plano focal de imagen que coincide con la superficie fotosensible, estando el dicho par al frente de una sección de la superficie fotosensible.

Por tanto, cada par óptico está dispuesto de manera que forme una interferencia de imagen (en otras palabras, para generar imágenes de un estado de interferencia, para una diferencia de escalón dada), en la sección de la superficie fotosensible con la cual se enfrenta.

El espectro generador de imágenes, según la invención, permite recoger de manera simultánea una pluralidad de interferencias de imágenes.

Además, el espectro generador de imágenes según la invención también es adecuado para la observación de escenas en movimiento.

Además, el espectro generador de imágenes según la invención presenta una sensibilidad mejorada con respecto al espectro generador de imágenes presentado en la Figura 2. En efecto, los espectros de imágenes se construyen a partir del conjunto de interferencias de imágenes, en otras palabras, y a diferencia del dispositivo de la técnica anterior, la totalidad del flujo luminoso que llega a la superficie fotosensible se considera para la construcción de los espectros de imágenes. Por tanto, es posible considerar diseñar un espectro generador de imágenes de alta resolución espectral sin por ello degradar la sensibilidad del dicho espectro generador de imágenes.

Finalmente, a diferencia del dispositivo presentado en la Figura 2, el espectro generador de imágenes según la invención es más flexible en términos de longitudes de onda cubiertas. En efecto, las longitudes de onda sondeadas por el dispositivo de la Figura 2 se fijan a partir del diseño del dicho dispositivo.

El espectro generador de imágenes puede comprender además una lente colimadora que comprende un plano focal intermedio, y dispuesta de manera paralela a la superficie fotosensible. La lente colimadora puede presentar una superficie abombada. La superficie abombada de la lente colimadora puede estar tratada con un depósito antirreflectante, siendo el tratamiento antirreflectante ventajosamente una capa de material dieléctrico, ventajosamente del ZnS.

Según un modo de implementación, el espectro generador de imágenes comprende además una red de divisores de señales, estando cada divisor de señal emparejado con un par óptico y dispuesto de manera que una imagen formada por cada par óptico al nivel de la superficie fotosensible sea limitada a la sección de la superficie fotosensible al frente de la cual se dispone el dicho par óptico.

Según un modo de implementación, cada divisor de señal comprende paredes laterales perpendiculares a la superficie fotosensible, y ventajosamente en apoyo contra la dicha superficie fotosensible.

Según un modo de implementación, cada divisor de señal comprende segundas paredes laterales, aislando cada una de las segundas paredes laterales de manera óptica dos interferómetros de dos ondas mayoritarias adyacentes.

Según un modo de implementación, el espectro generador de imágenes comprende una primera subhoja, la primera subhoja comprende una primera cara y una segunda cara paralela a la primera cara, estando la segunda cara paralela y al frente de una primera cara de una segunda subhoja, comprendiendo además la segunda subhoja una segunda cara sobre la cual se dispone la red de microlentes, comprendiendo además el dispositivo escalones formados en una de las dos caras elegida entre la segunda cara de la primera subhoja y la primera cara de la segunda subhoja, siendo la otra de las dos caras una dioptría plana, de modo que los escalones formados en una de las dos caras formen con la dioptría plana la red de interferómetros de dos ondas mayoritarias, estando cada escalón formado a una profundidad diferente de la de los otros escalones, y estando en la verticalidad de una microlente según una dirección perpendicular de la superficie fotosensible.

Según un modo de implementación, la segunda cara de la primera subhoja comprende un coeficiente de reflexión comprendido entre el 5 % y el 90 %.

Según un modo de implementación, la primera cara de la segunda subhoja comprende un coeficiente de reflexión comprendido entre el 5 % y el 90 %.

Según un modo de implementación, los escalones tienen una forma cuadrada, rectangular o hexagonal.

Según un modo de implementación, los interferómetros de la red de interferómetros de dos ondas mayoritarias están distribuidos según una matriz bidimensional, ventajosamente una matriz bidimensional cuadrada.

Según un modo de implementación, el fotodetector, la red de interferómetros de dos ondas mayoritarias, y la red de microlentes están todos dispuestos en un recinto criostático, ventajosamente el recinto criostático comprende una apertura.

Según un modo de implementación, presentando cada una de las microlentes una superficie abombada, siendo las dichas superficies tratadas con un depósito antirreflectante, siendo el tratamiento antirreflectante ventajosamente una capa de material dieléctrico, ventajosamente del ZnS.

Según un modo de implementación, los interferómetros de la red de interferómetros de dos ondas mayoritarias presentan un coeficiente de reflexión medio comprendido entre el 12 % y el 60 %, ventajosamente comprendido entre el 20 % y el 50 %, de manera preferencial igual al 42 %.

La invención también se refiere a la utilización del espectro generador de imágenes según la presente invención para la detección y/o la cuantificación de gases y/o de aerosoles.

Según un modo de implementación, los gases son gases de efecto invernadero, en particular, de dióxido de carbono, agua, o metano.

La invención también se refiere a un dispositivo electrónico móvil que comprende un espectro generador de imágenes según la presente invención, siendo el dispositivo electrónico móvil ventajosamente un teléfono móvil o una tableta o un dron.

Breve descripción de los dibujos

Otras características y ventajas aparecerán en la siguiente descripción de los modos de implementación del espectro generador de imágenes multicanal por transformada de Fourier según la invención, dados a título de ejemplos no limitativos, con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:

- la Figure 1 es una representación esquemática de un espectro generador de imágenes por transformada de Fourier que comprende un interferómetro de Michelson conocido de la técnica anterior, el dispositivo está adaptado, para cada posición del espejo, para generar imágenes del estado de interferencia de una escena,

- la Figura 2 es una representación esquemática de un espectro generador de imágenes conocido por de la técnica anterior, el espectro generador de imágenes comprende una red de microlentes dispuestas al frente de un detector fotosensible, presentando cada microlente antes de la trayectoria óptica un filtro de color, de modo que la imagen proyectada por cada lente en la sección del detector fotosensible la cual está al frente es esencialmente monocromática,

- las Figuras 3a a 3d son representaciones esquemáticas de un espectro generador de imágenes según una aplicación particular de la invención (siendo la Figura 3b idéntica a la Figura 3a de manera que no sobrecargue el diagrama con referencias), representando la Figura 3c la disposición de la primera y la segunda subhoja, y representando la Figura 3d el detalle de un interferómetro de dos ondas mayoritarias,

- la Figura 3e es una representación esquemática de un divisor de señal,

- la Figura 4 es una representación esquemática de un fotodetector representado por una matriz de sitios fotosensibles dispuestos según M columnas y N filas,

- la Figura 5 es una representación esquemática de la transmisión de una radiación luminosa a través de un interferómetro de dos ondas mayoritarias.

Exposición detallada de modos de realización particulares

La invención descrita de manera detallada más adelante implementa una red 140 de interferómetros de dos ondas mayoritarias dispuesta en un dispositivo óptico que comprende una red de microlentes. Cada microlente está emparejada con un interferómetro para formar un par 160 óptico. El par 160 óptico está dispuesto para proyectar, para una diferencia de escalón dada, el estado de interferencia de la escena en una sección de un detector fotosensible. Un tal dispositivo permite hacer la adquisición de una pluralidad de interferencias de imágenes de manera simultánea, y sin recurrir a piezas móviles.

El dispositivo óptico también puede comprender una lente 110 colimadora, destinada para enviar al infinito la imagen de un objeto que se encuentra en su plano focal del objeto (designado más adelante plano focal intermedio).

En las Figuras 3a a 3d, se puede observar un ejemplo de realización del dispositivo 100 interferométrico de dos ondas mayoritarias según la invención.

El espectro 100 generador de imágenes multicanal por transformada de Fourier comprende un fotodetector 120 (Figura 4) que comprende una pluralidad de sitios fotosensibles («Pixel» según la terminología anglosajona) nivelados con una superficie 121 fotosensible del dicho fotodetector 120. La dirección perpendicular a la superficie 121 fotosensible se denomina más adelante dirección Y.

Por sitio fotosensible, se entiende un sitio adecuado para contar un número de fotones incidentes en su superficie y transformar el dicho número de fotones en una señal eléctrica, por ejemplo, una tensión y/o una corriente. Los sitios fotosensibles pueden estar dispuestos según una matriz que comprende M columnas y N filas (por lo tanto, hay M * N sitios fotosensibles). Además, el tamaño de los sitios fotosensibles se denota tp¡x.

El fotodetector 120 puede comprender un sensor de imágenes CMOS, un sensor de imagen CCD («Charge Coupled Device» según la terminología anglosajona).

Los sitios fotosensibles del fotodetector 120 pueden estar ventajosamente de manera regular (de manera periódica) dispuestos en una superficie plana.

El dispositivo 100 interferométrico de dos ondas mayoritarias también puede comprender una lente 110 colimadora (Figura 3c). El eje de la lente 110 colimadora es paralelo a la dirección Y (por lo tanto, la lente 110 colimadora es paralela a la superficie 121 fotosensible). A lo largo de la exposición, se confunden los términos lente colimadora y dioptría (según la invención, también se pueden reducir a medios de colimación óptica). El eje de una lente es el eje que conecta los focos de la imagen y el objeto de una lente 110 colimadora. La lente 110 colimadora comprende un plano 130 focal intermedio. Estando el plano 130 focal intermedio definido como un plano perpendicular al eje de la lente 110 colimadora y que pasa por el foco del objeto de la dicha lente 110 colimadora. La lente 110 colimadora es una lente de diámetro 02 y de distancia focal f2.

El dispositivo 100 según la invención comprende una red 140 de interferómetros de dos ondas mayoritarias. Cada interferómetro 141 de dos ondas mayoritarias comprende una cavidad 141a delimitada por dos caras 141b, 141c enfrentadas y paralelas entre sí, y espaciadas por un espaciamiento h según una dirección perpendicular a la superficie 121 fotosensible. Los interferómetros están dispuestos según un plano paralelo a la superficie 121 fotosensible.

La cavidad 141a puede ser una cavidad de aire, o rellena de un material sólido, por ejemplo, el Germanio.

Por red de interferómetros, se entiende una matriz bidimensional de interferómetros 141 dispuestos uno al lado del otro según un plano, y diferentes entre sí. Por diferentes entre sí, se entiende que el espaciamiento h es diferente de un interferómetro 141 de dos ondas mayoritarias a otro. En consecuencia, la red 140 de interferómetros de dos ondas mayoritarias se caracteriza por un conjunto de espaciamientos h, diferentes, cada uno impone una diferencia de escalón diferente (Figura 3e).

De manera alternativa, también se puede imponer una diferencia de escalón diferente, entre cada interferómetro, mediante un índice de refracción diferente en la cavidad formada por cada interferómetro. En otras palabras, las cavidades de cada uno de los interferómetros se pueden rellenar con un material de índice diferente de manera que cada interferómetro sea asociado a una diferencia de escalón diferente de los otros interferómetros.

Por interferómetro 141 de dos ondas mayoritarias se entiende, en el contexto de la presente invención, una cavidad 141a de aire delimitada por dos caras 141b, 141c paralelas (y paralelas a la superficie 121 fotosensible). Las dos caras 141b, 141c paralelas presentan un coeficiente R de reflexión promedio inferior al 60 %, de manera preferencial inferior al 50 %, incluso de manera más preferencial inferior al 45 %. El coeficiente de reflexión promedio se define por la relación

^ V f í i ñ 2 donde Ri y R2 son los coeficientes de reflexión interna respectivos de las dos caras 141b, 141c que delimitan la cavidad 141a de aire de un interferómetro 141 de dos ondas mayoritarias según la invención.

El interferómetro 141 de dos ondas mayoritarias según la invención también está caracterizado por su finura F que está definida por la siguiente relación:

F ------ ^kVR

---------

(l ^{~ R )}

Para una finura F=10, el coeficiente R de reflexión promedio es igual al 72 %.

Un coeficiente de reflexión promedio elevado, por ejemplo, superior al 70 %, es característico de un filtro interferencial (en otras palabras, un interferómetro de onda múltiple). Un tal dispositivo es muy delicado de fabricar, de manipular, y no se presta bien a la producción industrial en grandes cantidades. Además, un tal dispositivo es muy sensible a su entorno externo (polvo, humedad, etc.).

Según la presente invención, un interferómetro de dos ondas mayoritarias es un interferómetro cuya finura F está comprendida entre 2 y 10, ventajosamente entre 2 y 5, por ejemplo 4.

La Figura 5 ilustra el principio de funcionamiento de un interferómetro 141 de dos ondas mayoritarias según la invención. En el ejemplo ilustrado en la Figura 5, el interferómetro 141 está iluminado por una radiación F. Un primer haz FA se transmite sin reflexión y un segundo haz FB se transmite después de la reflexión en cada una de las caras 141b, 141c del interferómetro 141 con desfase A9 impuesto por el espaciamiento h entre las dos caras 141b, 141c del interferómetro 141 de dos ondas mayoritarias. Los dos haces se superponen para formar un volumen de interferencias. Cuando se coloca un plano de detección en este volumen de interferencias, se puede observar una figura de interferencias. Para una descripción detallada de los interferómetros 141 de dos ondas mayoritarias, el experto en la técnica puede consultar la publicación [2] citada al final de la descripción detallada.

El dispositivo según la invención también comprende una red 150 de microlentes. Las microlentes 151 están dispuestas según un plano paralelo a la superficie 121 fotosensible.

Por red 150 de microlentes, se entiende una matriz bidimensional de microlentes 151 dispuestas lado a lado según un plano. Cada microlente 151 tiene una apertura numérica o un número de apertura indicado como Napertura.

Cada microlente 151 de la red 150 de microlentes está emparejada con un interferómetro 141 de la red 140 de interferómetros para formar un par 160 óptico.

Por emparejado, se entiende que cada microlente 151 está puesto en correspondencia con un interferómetro 141 según una dirección perpendicular a la superficie 121 fotosensible. En otras palabras, cada microlente 151 está superpuesta, según la dirección perpendicular a la superficie 121 fotosensible, con un interferómetro 141 de la red 140 de interferómetros. Por lo tanto, se entiende que cada par 160 óptico corresponde a un apilamiento de una microlente 151 y un interferómetro 141 de dos ondas mayoritarias según la dirección Y. El experto en la técnica comprenderá con la lectura de la exposición detallada de los modos de realización particulares de la invención que la red 150 de microlentes y la red 140 de interferómetros de dos ondas mayoritarias forman, por lo tanto, una red de pares 160 ópticos.

Por lo tanto, cada par 160 óptico comprende un plano focal de imagen en coincidencia con la superficie 121 fotosensible. Si se considera una lente 110 colimadora, cada par 160 óptico está, por tanto, dispuesto con respecto a la lente 110 colimadora y la superficie 121 fotosensible de modo que una escena dispuesta en el plano 130 focal intermedio se encuentra proyectada por cada par en una sección 122 de la superficie 121 fotosensible. También se entiende que cada par 160 óptico corresponde a una sección 122 de la superficie 121 fotosensible de modo que el conjunto de secciones 122 de la superficie 121 fotosensible forma una red de secciones de la superficie 121 fotosensible. Una sección 122 de superficie también se denominará «canal».

El número de secciones 122 de superficie también es denominado «número de canales», e indicado como Ncanales. Cada canal puede comprender sitios fotosensibles del fotodetector 120 dispuestos en j columnas y v filas (por lo tanto, hay j * v sitios fotosensibles por canal).

Según la invención, cada uno de los canales ilustra, de manera simultánea, un estado de interferencia (a una diferencia de escalón dada, e impuesta por el espaciamiento h del interferómetro de dos ondas mayoritarias al cual está asociada). En caso contrario, el conjunto de las imágenes recogidas al nivel de los diferentes canales. La consideración de la red de pares 160 ópticos permite hacer la adquisición, de manera simultánea, de tantas interferencias de imágenes como de pares 160 ópticos. Por tanto, según la invención, el procesamiento de los datos obtenidos por transformada de Fourier inversa permite reconstituir un cubo de imágenes monocromáticas (o espectro de imágenes).

Por tanto, la adquisición de los espectros de imágenes es instantánea (todos los datos necesarios para la constitución de los espectrómetros imágenes se obtienen de manera simultánea).

Además, el dispositivo según la invención no comprende ninguna pieza móvil.

De manera ventajosa, cada sección 122 de la superficie 121 fotosensible comprende el mismo número de sitios fotosensibles. Por tanto, se facilita así el procesamiento de los datos recogidos durante la observación de una escena. De manera aún ventajosa, todas las secciones 122 de la superficie 121 fotosensible tienen la misma forma y las mismas dimensiones.

Los espaciamientos h del conjunto de espaciamientos de la red 140 de interferómetros de dos ondas mayoritarias se pueden distribuir regularmente entre un espaciamiento mínimo hmín y un espaciamiento máximo hmáx. Cabe señalar que cuanto mayor sea el espaciamiento máximo hmáx, mejor será la resolución espectral.

A continuación, se describe una aplicación de la invención ilustrada en las Figuras 3a a 3d.

En este ejemplo, el dispositivo está equipado con la lente 110 colimadora. Se entiende que esto último se puede omitir.

Según esta aplicación, la lente 110 colimadora comprende un plano 130 focal intermedio. La lente 110 colimadora está dispuesta de manera paralela a la superficie 121 fotosensible. Además, la lente 110 colimadora está dispuesta de modo que una radiación que pasa por el plano 130 focal intermedio sea enviada al infinito en la dirección de la superficie 121 fotosensible. Según esta primera aplicación, la lente 110 colimadora comprende una dioptría convexa (se confunde en el texto lente y dioptría convexas) formada en una primera cara 171 de una primera subhoja 170.

Dado que se omite la lente 110 colimadora, la primera cara 171 de la primera subhoja 170 puede ser una dioptría plana.

La primera subhoja 170 también comprende una segunda cara 172. El dispositivo interferométrico de dos ondas mayoritarias también comprende una segunda subhoja 180. La segunda subhoja 180 comprende una primera cara 181 y una segunda cara 182 paralelas entre sí.

La primera subhoja 170 y la segunda subhoja 180 pueden estar paralelas con la superficie 121 fotosensible.

La segunda cara 172 de la primera subhoja 170 está al frente de la primera cara 181 de la segunda subhoja 180.

Por subhoja, se entiende una hoja delgada con caras paralelas conectadas por un contorno.

La segunda subhoja 180 también comprende una segunda cara 182 sobre la cual se dispone la red 150 de microlentes. Se forman escalones 142 en una de las dos caras elegidas entre la segunda cara 172 de la primera subhoja 170 y la primera cara 181 de la segunda subhoja 180, siendo la otra de las dos caras una dioptría plana, de modo que los escalones 142 formados en una de las dos caras formen, con la dioptría plana, la red 140 de interferómetros de dos ondas mayoritarias. Cada escalón 142 está formado a una profundidad diferente de la de los otros escalones 142, y está en la verticalidad de una microlente 151 según una dirección perpendicular de la superficie 121 fotosensible. En el ejemplo ilustrado en las Figuras 3a a 3d, los escalones 142 están formados en la segunda cara 172 de la primera subhoja 170, sin embargo, puede considerarse formar los escalones 142 en la primera cara 181 de la segunda subhoja 180.

La técnica de formación de los escalones 142 utiliza el conocimiento general de los expertos en la técnica y, por lo tanto, no se detalla en la presente invención.

Se señala de, el salto de escalón entre dos escalones vecinos 142. En otras palabras, de es la diferencia entre los espaciamientos h de dos escalones 142 vecinos. Ventajosamente de puede ser constante en toda la superficie sobre la cual se extienden los escalones 142.

De manera ventajosa, el coeficiente de reflexión de la segunda cara 172 de la primera subhoja 170 puede estar comprendido entre el 5 % y el 90 %.

De manera aún ventajosa, el coeficiente de reflexión de la primera cara 181 de la segunda subhoja 180 puede estar comprendido entre el 5 % y el 90 %.

De manera particularmente ventajosa, los coeficientes de reflexión de la segunda cara 172 y de la primera cara 181 son iguales. Por tanto, el espectro generador de imágenes presenta un mejor contraste.

Los escalones 142 pueden tener una forma cuadrada, rectangular o hexagonal.

De manera ventajosa, la red 140 de interferómetros de dos ondas mayoritarias puede ser una matriz bidimensional cuadrada, o una matriz bidimensional rectangular.

De manera particularmente ventajosa, el espectro 100 generador de imágenes comprende además una red 220 de divisores de señales, estando cada divisor 221 de señal emparejado con un par 160 óptico, y dispuesto de manera que una imagen formada por cada par 160 óptico al nivel de superficie 121 fotosensible esté limitada a la sección 122 de la superficie 121 fotosensible al frente de la cual está dispuesto el dicho par 160 óptico.

Por tanto, la imagen formada por un par óptico no se desborda sobre una sección 122 asociada a otro par óptico.

Cada divisor 221 de señal puede comprender primeras paredes laterales perpendiculares a la superficie fotosensible, y ventajosamente en apoyo contra la dicha superficie fotosensible. En otras palabras, los divisores de señal forman una rejilla en la superficie 121 fotosensible, y separan físicamente cada canal de modo que cada uno de los dichos canales solo recoja la señal óptica procedente del par óptico con el que está emparejado.

Cada divisor 221 de señal también puede comprender segundas paredes laterales, aislando cada una de las segundas paredes laterales ópticamente dos interferómetros de dos ondas mayoritarias adyacentes.

Por «aislamiento óptico», se entiende paredes opacas en el dominio de longitudes de onda de trabajo del espectro generador de imágenes.

Aún de manera ventajosa, el fotodetector 120, la lente 110 colimadora (si se va a considerar), la red 140 de interferómetros de dos ondas mayoritarias, y la red 150 de microlentes pueden estar todos dispuestos en un recinto 190 criostático. En efecto, la compacidad del dispositivo permite considerar la refrigeración del dispositivo en su totalidad.

Ventajosamente, el recinto 190 criostático puede comprender una apertura 200 al nivel de la pantalla fría del dicho recinto 190. En otras palabras, la pantalla fría y su apertura 200 forman un diafragma que permite limitar el campo, por ejemplo, la apertura 200 presenta un diámetro O^df. Más particularmente, la apertura 200 está en coincidencia con el plano 130 focal intermedio. El recinto 190 criostático es por ejemplo un criostato, más particularmente el criostato es del tipo Scorpio™ o Daphnis™ vendido por la compañía SOFRADlR.

Cabe señalar que el empleo de un recinto 190 criostático no se limita solo a esta primera aplicación, y puede ser generalizado a todas las variantes de la presente invención.

El dispositivo puede comprender además un objetivo 210 de focalización destinada para focalizar una radiación incidente al nivel del plano 130 focal intermedio. El objetivo 210 de focalización tiene una distancia f1 focal, y un diámetro 01. El objetivo de focalización puede ser una lente o un objetivo óptico.

La lente 110 colimadora presenta una primera superficie al frente del plano 130 focal intermedio, y cada una de las microlentes 151 presenta una superficie abombada. Las dichas primera superficie y superficies curvas pueden ser tratadas con un depósito antirreflectante, siendo el depósito antirreflectante ventajosamente una capa de material dieléctrico, ventajosamente del ZnS.

De manera particularmente ventajosa, los interferómetros 141 de la red 140 de interferómetros de dos ondas mayoritarias pueden presentar un coeficiente R de reflexión promedio comprendido entre el 12 % y el 60 %, ventajosamente comprendido entre el 20 % y el 50 %, por ejemplo, igual al 42 %.

En funcionamiento, las interferencias de imágenes son leídas en cada uno de los canales del fotodetector. Se pueden producir correcciones, tales como la linealidad, la ganancia, o incluso «el offset».

Las interferencias de imágenes también pueden sufrir otras correcciones tales como:

1/ la eliminación de píxeles defectuosos,

2/ la eliminación de píxeles en los niveles de los límites de los diferentes canales,

3/ un desajuste,

4/ un barrilete (corrección de aberraciones geométricas)

5/ un viñeteado (ajuste de brillo),

6/ las correcciones fotométricas

Además, para cada píxel equivalente en las interferencias de imágenes, se pueden reconstruir los interferogramas, es decir, rellenar una tabla, para cada píxel equivalente, de los valores de flujo con base en la diferencia de escalón impuesta por los diferentes interferómetros de dos ondas mayoritarios.

Finalmente, cada interferograma es invertido por transformada de Fourier inversa para encontrarse con un conjunto de datos homogéneos en número de onda o en longitud de onda, en otras palabras, para reconstruir el cubo de imágenes.

A título de ilustración de esta primera aplicación, las subhojas 170, 180 primera y segunda pueden comprender el germanio. El germanio es particularmente interesante para aplicaciones en el dominio del infrarrojo. Las propiedades termomecánicas también son compatibles con la refrigeración del dispositivo cuando se coloca en un recinto 190 criostático.

Además, las dimensiones de los escalones 142, el conjunto de espaciamientos h, las características geométricas de la dioptría convexa y de las microlentes 151 pueden ser determinadas a través de las técnicas de cálculo conocidas por el experto en la técnica (por ejemplo, las características de la dioptría y de las microlentes 151 pueden ser calculadas con la ayuda del software ZEMAX).

El dimensionamiento de las subhojas 170, 180 primera y segunda puede depender de las características del fotodetector 120 y de las características finales del dispositivo. A este respecto, se presenta, en el contexto de la primera aplicación, una metodología para la determinación del dimensionamiento de la dioptría convexa, de los escalones 142 y de las microlentes 151. Sin embargo, este enfoque no se limita a esta primera aplicación, y puede transponerse a todos los modos de realización descritos en la presente solicitud.

El fotodetector 120 puede presentar las características enumeradas en la Tabla 1.

Tabla 1

Las características del fotodetector permiten calcular las características del dispositivo según la invención y presentadas en la tabla 2.

Tabla 2

La Figura 5 ilustra el recorrido de los rayos para un canal óptico. Una radiación incidente sobre la lente 110 colimadora (con un ángulo 0 de incidencia con respecto al eje óptico de la lente 110 colimadora) se refracta cuando llega sobre la primera cara 171 de la primera subhoja 170. La radiación emerge de la primera subhoja 170 al nivel de su segunda cara 172 (en la cavidad 141a de aire de un interferómetro 141 de dos ondas mayoritarias) según el mismo ángulo 0. Una parte de esta radiación (indicada como FA en la Figura 5) es transmitida y, por lo tanto, focalizada por la microlente 151 en el fotodetector 120. Otra parte de esta radiación sufre una reflexión en cada una de las caras 141b, 141c del interferómetro 141 de dos ondas mayoritarias antes de ser a su vez transmitida y focalizada por la microlente 151 (radiación indicada como FB en la Figura 5). Las radiaciones FA y FB interfieren en la superficie 121 fotosensible (en efecto, estas dos radiaciones FA y FB están focalizadas en el mismo punto de la superficie 121 fotosensible). La diferencia de escalón introducida por el interferómetro 141 de dos ondas mayoritarias entre las radiaciones FA y FB es igual a:

Donde n es el índice de la cavidad 141a de aire (n=1). Por tanto, se forman anillos de interferencia sobre la superficie 121 fotosensible a partir de un determinado ángulo 0 de incidencia. En otras palabras, en un canal dado, el canal n°k, por ejemplo, corresponde principalmente a una diferencia de escalón 5k, pero esta diferencia de escalón evoluciona con base en el ángulo 0 de incidencia, según una ley cuadrática de 0. Por tanto, a partir de un determinado ángulo 0 de incidencia, los anillos de interferencia pueden estar demasiado apretados para ser muestreados correctamente por los sitios fotosensibles. Entonces se puede imponer como diferencia de escalón máxima tolerable, en el interior de un sitio fotosensible, el valor de Amín/4. Por tanto, derivando la relación que rige la diferencia de escalón, se obtiene: dS = 2he s\n(Q)dO < ^ d0 = -Ej ¡—

4 con ¡pi .

Por tanto, un ángulo máximo de incidencia 0máx puede ser definido para cada canal y conectado a los diferentes parámetros del dispositivo por la relación:

n _ fiiL ^ m in _ 1__________ N~ ~ - <P¡ⁱL ________ máx ~ 8sÍ2nemáxtplx ~ 2>/2 tpix( ^ - 1 )(K 1)

siendo 0 mL el diámetro de una microlente 151, y fML la distancia focal de la dicha microlente 151.

Por tanto, cuanto mayor sea emáx, mejor será la resolución espectral, y menor es el campo angular aceptable por canal. En la práctica, para las configuraciones con baja resolución espectral, el ángulo de incidencia máximo tolerable está limitado al ángulo de apertura de las microlentes 151. Tan pronto como se exceda este valor, el campo reflejado por una microlente 151 en la superficie 121 fotosensible puede exceder el de las microlentes 151 vecinas.

Tal como se ha especificado anteriormente, cada canal corresponde a una microlente 151, y la zona del detector asignada a cada canal corresponde al diámetro de la microlente 151 (es decir, dicho 0 ^ml= tpíx q).

Por tanto, las consideraciones anteriores ofrecen los detalles del diseño del dispositivo según la invención según la primera aplicación.

Por tanto, queda por dimensionar, con la ayuda de las relaciones enumeradas en la Tabla 3, los parámetros del objetivo 210 de focalización de longitud f1 focal y de diámetro 01, del limitador de campo de diámetro 0DF, y de la primera subhoja de longitud f2 focal (datos de entrada) y de diámetro 02.

Tabla 3

En las Tablas 4 y 5 se presenta un primer ejemplo de un espectro 100 generador de imágenes multicanal por transformada de Fourier de alta resolución espectral. En este ejemplo, el dispositivo funciona con longitudes de onda ópticas comprendidas entre 1,5 y 5,5 |jm, con una resolución espectral de 1 cm-1.

Tabla 4

Tabla 5

En las tablas 6 y 7 se presenta un segundo ejemplo del espectro 100 generador de imágenes multicanal por transformada de Fourier con baja resolución espectral.

En este ejemplo, el dispositivo funciona en longitudes de onda ópticas comprendidas entre 1,5 y 5,5 |jm.

Tabla 6

Tabla 7

La presente invención ha sido descrita según una disposición particular de la red 140 de interferómetros de dos ondas mayoritarias y de la red 150 de microlentes. Sin embargo, la invención no se limita a esta disposición. En efecto, un espectro generador de imágenes para el cual el orden entre la red de microlentes y la red de interferómetros de dos ondas mayoritarios se invierte con respecto a la descripción anterior (se entiende que la red 140 de interferómetros está dispuesta entre la superficie fotosensible y la red de microlentes) se puede considerar fácilmente en el contexto de la presente invención.

De manera ventajosa, el espectro generador de imágenes según la presente invención puede ser implementado para la detección y/o la cuantificación de gases y/o de aerosoles, en particular del dióxido de carbono, del agua, o del metano. El principio de medición se basa en una técnica descrita por Fortunato [3].

De manera aún ventajosa, un espectro 100 generador de imágenes puede ser implementado en un dispositivo electrónico móvil, por ejemplo, un teléfono móvil o una tableta o un dron.

Referencias

[1] Rui Shogenji et al., “Multispectral Imaging using compact compound optics”, Optics Express, 12, 8, 1643-1655, (2004).

[2] Principles of Optics, Max Born & Emil Wolf, Pergamon Press, Sixth Edition, 1980, section VII (“Elements of the Theory of interferences and interferometers”).

[3] G. Fortunato, "Application de la corrélation interférentielle de spectres á la détection de polluants atmosphériques,"J. Opt. 9, 281 (1978).

Claims

REIVINDICACIONES

1. Espectro (100) generador de imágenes multicanal por transformada de Fourier, comprendiendo el dispositivo:

- un fotodetector (120) que comprende una pluralidad de sitios fotosensibles nivelados con una superficie (121) fotosensible del dicho fotodetector (120),

- una red (140) de interferómetros de dos ondas mayoritarias de una finura comprendida entre 2 y 10, comprendiendo cada uno una cavidad (141a) delimitada por dos caras (141b, 141c) enfrentadas entre sí y paralelas a la superficie (121) fotosensible, estando la dos caras (141b, 141c) de cada interferómetro (141) espaciadas por un espaciamiento h diferente de un interferómetro (141) a otro, y estando los interferómetros (141) de la red (140) de interferómetros dispuestos según un plano paralelo a la superficie (121) fotosensible,

- una red (150) de microlentes dispuestas en un plano paralelo a la superficie (121) fotosensible,

estando cada microlente (151) de la red (150) de microlentes emparejada con un interferómetro (141) de la red (140) de interferómetros de dos ondas mayoritarias para formar un par (160) óptico, comprendiendo el dicho par (160) óptico un plano focal de imagen que coincide con la superficie (121) fotosensible, estando el dicho par al frente de una sección (122) de la superficie (121) fotosensible.

2. Espectro generador de imágenes según la reivindicación 1, en el cual el espectro (100) generador de imágenes comprende además una red (220) de divisores de señal, estando cada divisor (221) de señal emparejado con un par (160) óptico y dispuesto de manera que una imagen formada por cada par (160) óptico al nivel de la superficie (121) fotosensible sea limitado a la sección (122) de la superficie (121) fotosensible al frente de la cual se dispone el dicho par (160) óptico.

3. Espectro generador de imágenes según la reivindicación 2, en el cual cada divisor (221) de señal comprende primeras paredes laterales perpendiculares a la superficie fotosensible, y ventajosamente en apoyo contra la dicha superficie fotosensible.

4. Espectro generador de imágenes según la reivindicación 2 o 3, en el cual cada divisor (221) de señal comprende segundas paredes laterales, aislando cada una de las segundas paredes laterales ópticamente dos interferómetros de dos ondas mayoritarias adyacentes.

5. Espectro generador de imágenes según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el cual el Espectro generador de imágenes comprende una primera subhoja (170), la primera subhoja (170) comprende una primera cara (171) y una segunda cara (172) paralela a la primera cara (171), estando la segunda cara (172) paralela y al frente de una primera cara (181) de una segunda subhoja (180), comprendiendo también la segunda subhoja (180) una segunda cara (182) sobre la cual se dispone la red (150) de microlentes, comprendiendo también el dispositivo escalones (142) formados en una de las dos caras elegidas entre la segunda cara (172) de la primera subhoja (170) y la primera cara (181) de la segunda subhoja (180), siendo la otra de las dos caras una dioptría plana, de modo que los escalones (142) formados en una de las dos caras formen con la dioptría plana la red (140) de interferómetros de dos ondas mayoritarias, estando cada escalón (142) formado a una profundidad diferente a la de los otros escalones (142), y estando en la verticalidad de una microlente según una dirección perpendicular a la superficie (121) fotosensible.

6. Espectro generador de imágenes según la reivindicación 5, en el cual la segunda cara (172) de la primera subhoja (170) comprende un coeficiente de reflexión comprendido entre el 5 % y el 90 %.

7. Espectro generador de imágenes según la reivindicación 5 o 6, en el cual la primera cara (181) de la segunda subhoja (180) comprende un coeficiente de reflexión comprendido entre el 5 % y el 90 %.

8. Espectro generador de imágenes según una de las reivindicaciones 4 a 6, en el cual los escalones (142) tienen una forma cuadrada o rectangular o hexagonal.

9. Espectro generador de imágenes según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el cual los interferómetros (141) de la red (140) de interferómetros de dos ondas mayoritarias están distribuidos según una matriz bidimensional, ventajosamente una matriz bidimensional cuadrada.

10. Espectro generador de imágenes según una de las reivindicaciones 1 a 9, en el cual el fotodetector (120), la red (140) de interferómetros de dos ondas mayoritarias, y la red (150) de microlentes están todos dispuestos en un recinto (190) criostático, ventajosamente el recinto (190) criostático comprende una apertura (200).

11. Espectro generador de imágenes según una de las reivindicaciones 1 a 10, en el cual cada una de las microlentes (151) presenta una superficie abombada, siendo las dichas superficies abombadas tratadas con un depósito antirreflectante, siendo ventajosamente el tratamiento antirreflectante una capa de material dieléctrico, ventajosamente del ZnS.

12. Espectro generador de imágenes según una de las reivindicaciones 1 a 11, en el cual los interferómetros (141) de la red (140) de interferómetros de dos ondas mayoritarias presentan un coeficiente de reflexión promedio comprendido entre el 12 % y el 60 %, ventajosamente comprendido entre el 20 % y el 50 %, de manera preferencial igual al 42 %.

13. Utilización del espectro (100) generador de imágenes según una de las reivindicaciones 1 a 12 para la detección y/o la cuantificación de gases y/o de aerosoles.

14. Utilización según la reivindicación 13, los gases son gases de efecto invernadero, en particular, del dióxido de carbono, de agua, o del metano.

15. Dispositivo electrónico móvil que comprende un espectro (100) generador de imágenes según una de las reivindicaciones 1 a 12, siendo el dispositivo electrónico móvil ventajosamente un teléfono móvil o una tableta o un dron.