ES2966996T3 - Cámara hiperespectral - Google Patents

Abstract

Se divulgan un sistema óptico para una cámara hiperespectral y una cámara hiperespectral que comprende dicho sistema óptico. El sistema óptico comprende óptica delantera (1000), un sensor de imagen (1800), una rendija (1500), óptica de relé (1200), un primer elemento óptico (2000) colocado antes de la rendija (1500), donde se encuentra el primer elemento óptico (2000) desenfoca la luz en una dirección paralela a la rendija (1500) mientras mantiene el enfoque en una dirección perpendicular a la rendija (1500); y un segundo elemento óptico (2100) colocado después de la hendidura (1500), donde el segundo elemento óptico (2100) compensa el desenfoque de la escena representada introducido por el primer elemento (2000). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Cámara hiperespectral

Antecedentes de la invención

Campo de la invención

La invención se refiere en general a cámaras hiperespectrales del tipo "barrido". Más específicamente, la invención se refiere a un sistema óptico para una cámara hiperespectral y a una cámara hiperespectral que comprende dicho sistema óptico. La invención también se refiere a la mejora de la calidad de los datos hiperespectrales.

Antecedentes de la invención

Una cámara hiperespectral del tipo barrido, es decir, una cámara hiperespectral que escanea la escena línea por línea, comprende una óptica frontal, una hendidura que define la línea en la escena que se está representando, una óptica de retransmisión con elemento dispersivo y un sensor de imagen. El diseño de una cámara hiperespectral normalmente estará sujeto a diferentes compensaciones y optimizaciones para reducir errores y desviaciones en los datos producidos por la cámara. Las imperfecciones mecánicas de la hendidura podrían dar lugar a diferentes grosores a lo largo de la hendidura, lo que daría como resultado diferentes cantidades de luz que pasan a través de la hendidura en diferentes ubicaciones. Esto podría dar lugar a franjas más oscuras y más claras en la imagen resultante.

Una cámara hiperespectral tipo barrido normalmente comprende:

• óptica frontal - subsistema óptico que crea una imagen de la escena que se está representando;

• hendidura - un componente que bloquea toda la luz de la escena con excepción de una franja estrecha, cortando efectivamente un área estrecha fuera de la escena;

• óptica de retransmisión con elemento dispersivo- subsistema óptico que proyecta una imagen de un área muy estrecha de la escena sobre un sensor de imagen con la luz espectralmente dispersada en dirección perpendicular a la hendidura;

• sensor de imagen.

El campo de visión instantáneo de una cámara de este tipo es una franja estrecha. Se logra una imagen bidimensional de la escena moviendo la cámara con respecto a la escena en la dirección perpendicular a la hendidura y tomando varias exposiciones en el proceso.

La figura 2 muestra una cámara hiperespectral simplificada que contiene todos estos elementos y subsistemas. En una cámara hiperespectral real, cada subsistema suele ser más complejo que un solo elemento para lograr la calidad de imagen óptica requerida. La figura 2 muestra elementos transmisores y refractivos, pero todos o cualquiera de los elementos ópticos pueden ser de tipo reflectante.

Técnica anterior

La patente US 6,100,974 del instituto de tecnología de california describe una cámara hiperespectral con base en un diseño "Offner". La figura 4 de la patente muestra un diseño típico de un espectrómetro de Offner. La óptica anterior (en este caso un anastigmat de tres espejos) forma una imagen intermedia de una escena. Se posiciona una hendidura en el mismo plano que la imagen intermedia. La hendidura recorta un área estrecha de la imagen. Esta área se proyecta mediante óptica de retransmisión sobre un sensor. Dado que la óptica de retransmisión tiene un elemento dispersivo (una rejilla de difracción convexa), la imagen del área estrecha de la escena se dispersa espectralmente en el arreglo de sensores bidimensionales. Las diferentes filas de píxeles del arreglo son la imagen del área estrecha de la escena en diferentes bandas espectrales. Se adquiere un cubo de datos hiperespectral tridimensional completo (dos dimensiones espaciales y una dimensión espectral) moviendo la cámara con respecto a la escena en la dirección perpendicular a la hendidura.

La publicación académica "Modelling spatial and spectral systematic noise patterns on CHRIS/PROBA hyperspectral data", Luis Gomez-Chova et al., procesamiento de imágenes y señales para teledetección XII, Proc. de SPÍE vol. 6365, 63650Z, (2006), describe los desafíos con la calibración de datos, incluidas franjas en los datos de la imagen. La figura 1 de la publicación muestra cómo una hendidura de ancho variable provocaría artefactos (franjas) en la imagen adquirida. En el texto se explica que tales variaciones del ancho de la hendidura pueden caracterizarse y estos datos de calibración pueden usarse para retirar las franjas de los datos adquiridos. Se señala que, durante el uso o transporte, el sistema óptico puede verse afectado y los datos de calibración dejarán de ser válidos. Los autores de la publicación explican algunos métodos de procesamiento de imágenes que hacen diversas suposiciones sobre la imagen y probablemente reducen la intensidad de las franjas.

La patente US 9,891,107 B1 describe un sistema óptico que puede utilizarse como cámara hiperespectral de barrido o como cámara bidimensional temporal. El sistema óptico tiene una hendidura que se puede mover dentro y fuera del trayecto óptico, así como un elemento dispersivo de dispersión variable. Cuando la hendidura se coloca en la trayectoria óptica del sistema óptico y el elemento dispersivo está en el modo de operación dispersivo, entonces el sistema óptico funciona como una cámara hiperespectral de barrido. Cuando la hendidura se sale del trayecto óptico y el elemento dispersivo está en el modo de operación no dispersivo, entonces el sistema óptico funciona como una cámara bidimensional temporal. Además, debido a que tanto la posición de la hendidura como la fuerza de dispersión se pueden ajustar continuamente, el sistema óptico en el modo de cámara hiperespectral tiene beneficios adicionales en comparación con las cámaras hiperespectrales de barrido más tradicionales. El movimiento de la hendidura se puede utilizar para escanear la escena, eliminando la necesidad de mecanismos de escaneo externos. La fuerza de dispersión se puede aumentar para mejorar la resolución espectral o disminuir para mejorar la relación señal-ruido.

La solicitud de patente US 2010/0328659 A1 "Hyperspectral Imaging Systems" presenta un sistema de imágenes hiperespectrales y métodos que pueden usarse para obtener imágenes de objetos en tres dimensiones. Se puede usar un arreglo de lentes cilíndricos y/o un arreglo de hendiduras para volver a crear imágenes y dividir un campo de visión en múltiples canales. La solicitud de patente US 2006/0082772 A1 "Scalable Imaging Spectrometer" presenta un espectrómetro de imágenes escalable, que utiliza elementos ópticos anamórficos para formar un foco intermedio en una sola dimensión. La luz se refleja en un espejo objetivo anamórfico para formar un foco lineal en una hendidura. En la hendidura, el haz se enfoca a lo largo de la dimensión espectral, pero permanece sustancialmente colimado a lo largo de la dimensión espacial.

La patente US 9,891,107 B1 "Combined Temporal/Hyperspectral Imager" presenta un sistema de imágenes ópticas que define un trayecto óptico. En un aspecto, el sistema de imágenes ópticas incluye un primer subsistema óptico configurado para generar imágenes sustancialmente, en un plano de enfoque, radiación electromagnética que emana de un plano de objeto y un elemento de hendidura en el plano de enfoque para extraer una imagen lineal de la radiación electromagnética. La solicitud de patente US 2004/0156048 A1 "Compact Hyperspectral Camera" presenta un generador de imágenes hiperespectral que incluye un primer subsistema óptico, al menos un elemento de hendidura, un segundo subsistema óptico, al menos un elemento dispersivo reflectante ubicado en un plano central, y al menos un elemento detector ubicado sustancialmente en una superficie de imagen.

Resumen de la invención

Problemas a resolver por la invención

El principal objetivo de la presente invención es mejorar la calidad de la imagen de las cámaras hiperespectrales de barrido reduciendo los artefactos de franjas que pueden aparecer debido a imperfecciones mecánicas de la hendidura.

Aunque lo ideal es que la hendidura tenga una forma rectangular con bordes rectos, las hendiduras reales normalmente tienen una anchura ligeramente variable debido a imperfecciones mecánicas en los bordes. Dado que se desea tener una imagen nítida tanto de la hendidura como de la escena en el plano del sensor, estas pequeñas imperfecciones crean variaciones en la iluminación del sensor. Estas variaciones no representan características de la escena, sino artefactos debidos a una transmisión desigual a lo largo de la hendidura. Posibles ejemplos de esto podrían ser imperfecciones mecánicas en los bordes de la hendidura o incluso partículas de polvo atrapadas en la hendidura. La adquisición de imágenes con una cámara hiperespectral de barrido requiere escaneo, y en la imagen adquirida, las áreas más estrechas de la hendidura crean franjas oscuras tenues, mientras que las áreas más anchas de la hendidura crean franjas claras tenues.

Este efecto puede mitigarse mediante una caracterización cuidadosa de la cámara: se mapean las variaciones no deseadas de iluminación y se aplica la corrección adecuada a las imágenes adquiridas. El problema es que con el tiempo la hendidura puede moverse ligeramente con respecto al plano del sensor (y también pueden aparecer partículas de polvo). Si bien este pequeño movimiento no es importante para las imperfecciones de la hendidura de gran tamaño que cambian lentamente a lo largo de la hendidura (tal como que los bordes de la hendidura no sean ligeramente paralelos entre sí), la calibración que tuvo en cuenta pequeñas estrías, rebabas y rastros de polvo ya no será correcta. Como resultado, la imagen tendrá franjas finas, rectas y tenues que correrán paralelas a la dirección de escaneo.

La recalibración de la cámara resolvería el problema hasta que se produzca un nuevo pequeño movimiento de la hendidura, un nuevo rastro de polvo se deposite en la hendidura, etc.

Medios para resolver los problemas

Los objetivos se logran de acuerdo con la invención mediante un sistema óptico para una cámara hiperespectral como se define en el preámbulo de la reivindicación independiente 1, que tiene las características de la porción caracterizadora de la reivindicación 1.

En las reivindicaciones dependientes se define un número de realizaciones, variantes o alternativas no exhaustivas de la invención.

Resumen de la invención

El concepto básico de la invención es colocar un primer elemento (2000) óptico delante de la hendidura y un segundo elemento (2100) óptico después de la hendidura. El objetivo del primer elemento óptico es expandir el haz en una sola dirección, es decir, a lo largo de la hendidura de modo que la luz normalmente relacionada con un punto de la escena y en la línea de la imagen se distribuya a lo largo de una distancia mayor a lo largo de la hendidura de modo que las variaciones en la abertura de la hendidura tendrán menos influencia en la señal de la imagen en cada punto de la línea de imagen que se está representando.

El objetivo del segundo elemento óptico es corregir los efectos introducidos por el primer elemento óptico de modo que los datos de la imagen resultante se vean como en el caso normal, con la excepción de que las franjas oscuras o claras en la imagen se hayan difuminado y, por lo tanto, se hayan reducido.

Desde el punto de vista de los diseñadores ópticos, las características de la escena son primero desenfocadas por el primer elemento óptico y luego enfocadas por el segundo elemento óptico, mientras que las imperfecciones de la hendidura sólo son desenfocadas por el segundo elemento óptico.

Una posible realización de la invención es colocar un lente cilíndrico negativo débil delante de la hendidura como primer elemento óptico y un lente cilíndrico positivo débil combinado después de la hendidura como segundo elemento óptico. La idea es que el segundo elemento óptico cancele o corrija los efectos introducidos por el primer elemento óptico.

Un primer aspecto de la invención es un sistema óptico para una cámara hiperespectral, donde el sistema óptico comprende una óptica frontal que es un subsistema óptico dispuesto para crear una imagen de una escena que se está representando, un sensor de imagen, y una hendidura que comprende una superficie de hendidura y una abertura de hendidura a través de la hendidura, formando la abertura de hendidura una franja en la superficie de hendidura, donde la franja tiene una longitud a lo largo del centro de la franja y una anchura a través de la franja perpendicular a cada punto del centro de la franja, donde la longitud total es al menos un orden de magnitud mayor que la anchura máxima, donde la hendidura está dispuesta para bloquear la luz de la escena con excepción de la luz que pasa a través de la abertura de la hendidura, cortando efectivamente un área estrecha fuera de la escena. El sistema óptico comprende además una óptica de retransmisión que comprende un elemento dispersivo, siendo la óptica de retransmisión un subsistema óptico dispuesto para proyectar una imagen del área estrecha de la escena sobre el sensor de imagen con la luz de la escena estrecha dispersada espectralmente en una dirección perpendicular a la tangente de la franja. El sistema óptico comprende además un primer elemento óptico posicionado antes de la hendidura, donde el primer elemento óptico tiene una forma que desenfoca la luz en una dirección paralela a la tangente de la franja mientras mantiene el foco en una dirección perpendicular a la tangente de la franja en cada punto del centro, y un segundo elemento óptico posicionado después de la hendidura, donde el segundo elemento óptico compensa el desenfoque introducido por el primer elemento.

Opcionalmente, la superficie de la hendidura es plana y, opcionalmente, la franja estrecha es lineal o cilíndrica.

Opcionalmente, el primer elemento óptico comprende un lente cilíndrico negativo, y el segundo elemento óptico comprende un lente cilíndrico positivo.

Opcionalmente, el primer elemento óptico comprende un lente cilíndrico positivo, y el segundo elemento óptico comprende un lente cilíndrico negativo.

Opcionalmente, el primer elemento óptico es una óptica anterior con astigmatismo de modo que la imagen sobre la superficie de la hendidura se desenfoca en la dirección paralela a la tangente de la hendidura, y el segundo elemento óptico es una óptica de retransmisión con astigmatismo dispuesta para cancelar el astigmatismo de la óptica frontal.

Opcionalmente, el astigmatismo en la óptica frontal y la óptica de retransmisión se crea mediante el uso de superficies ópticas donde la potencia óptica es diferente en dos direcciones ortogonales X y Y, y donde ambas direcciones son ortogonales al eje óptico Z.

Opcionalmente, la óptica frontal y la óptica de retransmisión tienen al menos una superficie óptica posicionada fuera del eje óptico tanto en la óptica frontal como en la óptica de retransmisión para crear astigmatismo que introducirá el desenfoque antes de la hendidura y compensará el desenfoque después de la hendidura, y además, opcionalmente, el astigmatismo en la óptica frontal y la óptica de retransmisión es un astigmatismo de aberración parcialmente no corregido utilizando que esta aberración es distinta de cero con respecto al eje óptico y posiciona toda la hendidura fuera del eje óptico.

Opcionalmente, el primer elemento óptico se usa para desenfocar la luz, y el segundo elemento óptico se usa para compensar el desenfoque.

Opcionalmente, el sistema óptico comprende un módulo que protege la hendidura de partículas de polvo y humedad utilizando el primer elemento óptico y el segundo elemento óptico como ventanas en el módulo que protege la hendidura.

Opcionalmente, el módulo que protege la hendidura es uno de los siguientes: i) sellado y lleno de nitrógeno o un gas inerte ii) evacuado para obtener vacío en su interior.

Un aspecto adicional de la invención es una cámara hiperespectral, donde la cámara comprende un sistema óptico de acuerdo con la invención, y donde la cámara comprende además una electrónica de control dispuesta para i) controlar el sensor de imagen y otras funciones de la cámara, ii) adquirir una imagen o línea de imagen que contiene información de imagen espacial y espectral, y iii) al menos uno de a) almacenar y b) transmitir dicha información de imagen espacial y espectral.

Un aspecto adicional de la invención es un método para adquirir datos hiperespectrales usando una cámara hiperespectral que comprende un sistema óptico de acuerdo con la invención.

Aún otro aspecto de la invención es un método para mejorar la calidad de imagen de una cámara hiperespectral, que comprende los pasos de la reivindicación 15.

Breve descripción de los dibujos

Las características anteriores y adicionales de la invención se exponen con particularidad en las reivindicaciones adjuntas y junto con sus ventajas quedarán más claras al considerar la siguiente descripción detallada de una realización de ejemplo de la invención dada con referencia a los dibujos adjuntos.

La invención se describirá con más detalle a continuación en relación con realizaciones de ejemplo que se muestran esquemáticamente en los dibujos, en donde:

• Las figuras 1a y 1b muestran el principio del sistema óptico de una cámara hiperespectral de acuerdo con la presente invención.

• La figura 1a muestra una vista lateral del diseño óptico de una cámara con la hendidura (1500) que es perpendicular al plano del dibujo.

• La figura 1b es similar a la figura 1a excepto que el sistema óptico se ha girado 90 grados alrededor del eje óptico.

• La figura 2 muestra una implementación estándar de un sistema óptico de una cámara hiperespectral. La figura 2 es similar a la figura 1. Sin embargo, el sistema que se muestra en la figura 2 no comprende elementos (2000, 2100) astigmáticos.

• La figura 2a muestra el sistema óptico visto con la hendidura (1500) perpendicular al plano de dibujo.

• La figura 2b muestra el sistema óptico de la figura 2a pero girado 90 grados.

• La figura 3 muestra una hendidura (1500) con un defecto (1550) mecánico menor y el efecto en una imagen adquirida.

• La figura 3a muestra la hendidura (1500) con un defecto (1550) mecánico que hace que la hendidura sea más estrecha en una ubicación.

• La figura 3b ilustra cómo un defecto (1550) mecánico en la hendidura (1500) puede influir en una imagen (1830) resultante.

• La figura 4 muestra secciones transversales de los rayos (1600, 1620) de luz al pasar por el plano (1500) de hendidura en diferentes casos.

• La figura 4a muestra la sección transversal de los rayos (1600) desde un punto de la escena cuando los rayos pasan por el plano (1500) de hendidura cuando no hay defectos en el plano (1500) de hendidura para una cámara hiperespectral de acuerdo con la técnica anterior.

• La figura 4b muestra la misma sección transversal de rayos cuando hay un defecto (1550) mecánico presente en la región.

• La figura 4c muestra una sección transversal de rayos (1620) desde un punto en la escena para una cámara hiperespectral de acuerdo con la presente invención.

• La figura 4e muestra una imagen (1832) resultante que visualiza un punto (1836) en la imagen para el caso normal de una cámara hiperespectral de acuerdo con la presente invención.

• La figura 4f muestra un punto (1838) en una imagen (1834) resultante en el caso de un defecto (1550) mecánico en la hendidura (1500) para una cámara hiperespectral de acuerdo con la presente invención.

• La figura 5a muestra una superficie (1510) de hendidura con una abertura (1520) de hendidura rectangular.

• La figura 5b muestra una superficie (1510) de hendidura con una abertura (1520) de hendidura curva. La figura 5c muestra una superficie (1510) de hendidura con una abertura (1520) de hendidura que tiene diferente ancho a lo largo de la abertura (1520) de hendidura.

• La figura 5d muestra una posible tangente (1560) a un lado largo de la abertura (1520) de hendidura con la dirección (1565) perpendicular con respecto a la tangente (1560) indicada.

Descripción de signos de referencia

Descripción detallada de realizaciones con referencia a los dibujos

Antes de describir realizaciones con referencia a los dibujos, la invención se presenta de una manera más general. La imagen de la escena se desenfoca en el plano de la hendidura en la dirección X aproximadamente paralela a la hendidura, mientras se mantiene un buen enfoque en la dirección Y perpendicular a la hendidura. Después de que la imagen de hendidura se enfoque en la dirección X, manteniendo al mismo tiempo un buen enfoque en la dirección Y. Aquí «antes de la hendidura» indica cualquier posición antes de la hendidura, incluida la posición antes de la óptica frontal. Del mismo modo, «después de la hendidura» significa «en cualquier lugar después de la hendidura», incluso después de la óptica de retransmisión.

La misma funcionalidad se puede implementar incorporando estos elementos de desenfoque en la óptica frontal y la óptica de retransmisión. Por ejemplo, algunas superficies ópticas pueden hacerse astigmáticas, es decir, tener una potencia óptica ligeramente diferente en dos direcciones ortogonales. Alternativamente, un sistema óptico puede tener astigmatismo residual y al menos un elemento del sistema óptico puede usarse fuera del eje. Un ejemplo de tal realización es un anastigmat de tres o cuatro espejos. Menos ideal, pero una posible solución es utilizar un sistema totalmente simétrico axialmente con astigmatismo no corregido. Un sistema óptico de este tipo reducirá los artefactos de franjas en todas partes de la imagen excepto en la mitad del campo de visión. Como en el caso de dos lentes cilíndricos débiles, cualquiera de estas soluciones debería tener una óptica de retransmisión con astigmatismo que compense el astigmatismo de la óptica anterior.

La figura 1 muestra el principio del sistema óptico de una cámara hiperespectral de acuerdo con la presente invención. La figura 1a muestra el sistema óptico desde un lado de modo que la hendidura (1500) sea perpendicular al plano de dibujo. La óptica (1000) frontal recoge la luz y la enfoca de modo que el plano de enfoque esté en el plano (1500) de hendidura. Después de eso, la luz se propaga a través de la óptica (1200) de retransmisión que comprende un elemento (1250) dispersivo y se enfoca en un sensor (1800) de imagen. Debido al elemento (1250) dispersivo, la luz con diferentes longitudes de onda se enfoca en diferentes partes del sensor (1800) de imagen. Los rayos de longitud de onda de ejemplo lambda1 se indican con flechas (1900) mientras que los rayos de longitud de onda de ejemplo lambda2 se indican con flechas (1910). La luz también pasa a través de un primer elemento (2000) astigmático antes de la hendidura (1500) y la luz también pasa a través de un segundo elemento (2100) astigmático después de la hendidura. Como puede verse en las figuras, los dos elementos (2000, 2100) astigmáticos son neutrales en la vista/sección que se muestra en la figura 1a.

La vista de la figura 1b es similar a la figura 1a excepto que el sistema óptico se ha girado 90 grados alrededor del eje óptico de modo que la hendidura ahora quede paralela al plano del dibujo. La luz es recogida por la óptica (1000) frontal para enfocarse en el plano de la hendidura, y el primer elemento (2000) astigmático desenfoca la luz en la dirección paralela a la hendidura (figura 1b) mientras mantiene el enfoque perpendicular a la hendidura (figura 1a). Luego, la luz es recogida por el segundo elemento (2100) astigmático y se propaga a través de la óptica (1200) de retransmisión que comprende un elemento (1250) dispersivo. Luego, la luz se enfoca en el sensor (1800) de imagen. El segundo elemento (2100) astigmático neutralizará el efecto del primer elemento (2000) astigmático.

En la figura 1, la luz pasa por el plano (1500) de hendidura sin enfocarse en un punto, sino que la luz se distribuye a lo largo de una sección transversal mucho más grande (1620). Debido a la amplia sección (1620) transversal, los pequeños defectos en la hendidura (1500) tendrán mucha menos influencia en la intensidad de la señal en el sensor (1800) de imagen.

La figura 2 muestra una implementación estándar de un sistema óptico de una cámara hiperespectral. La figura 2 es similar a la figura 1. Sin embargo, el sistema que se muestra en la figura 2 no comprende elementos (2000, 2100) astigmáticos. La figura 2a muestra el sistema óptico con la hendidura (1500) perpendicular al plano de dibujo mientras el sistema óptico gira 90 grados en la figura 2b. En ambas vistas, figura 2a y figura 2b, la luz se enfoca en el plano (1500) de hendidura. Las desviaciones en el grosor de la abertura de la hendidura podrían tener un impacto en la cantidad real de luz que pasa a través de la hendidura, lo que podría dar lugar a franjas longitudinales en la imagen resultante. La óptica (1000) frontal recoge la luz y la enfoca en el plano (1500) de hendidura. La óptica de retransmisión que comprende un elemento (1250) dispersivo recoge la luz que pasa por la hendidura y la enfoca en el sensor (1800) de imagen. La luz de una primera longitud de onda se enfoca en una ubicación del sensor (1800) de imagen indicada por las flechas (1900), mientras que la luz de una segunda longitud de onda se enfoca en otra posición indicada por las flechas (1910).

La figura 3 muestra una hendidura (1500) con un defecto (1550) mecánico menory el efecto en una imagen adquirida. La figura 3a muestra la hendidura (1500) con un defecto (1550) mecánico que hace que la hendidura sea más estrecha en una ubicación. Una hendidura estrecha generalmente dejará pasar menos luz y una hendidura con un defecto (1550) mecánico que hace que una sección pequeña sea más estrecha de lo especificado dejará pasar menos luz en la región con el defecto (1550) mecánico dando como resultado una franja (1850) más oscura en una imagen (1830) resultante.

La figura 3b ilustra cómo un defecto (1550) mecánico en la hendidura (1500) puede influir en una imagen (1830) resultante. Una franja (1850) longitudinal estará presente en la imagen (1830).

La figura 4 muestra secciones transversales de rayos (1600, 1620) de luz al pasar por el plano (1500) de hendidura en diferentes casos así como algunos ejemplos de una imagen (1832, 1834) resultante. La figura 4a muestra la sección transversal de los rayos (1600) desde un punto de la escena cuando los rayos pasan por el plano (1500) de hendidura cuando no hay defectos en el plano (1500) de hendidura para una cámara hiperespectral de acuerdo con la técnica anterior. La figura 4b muestra la misma sección transversal de rayos cuando hay un defecto (1550) mecánico presente en la región. Como se puede entender fácilmente, la cantidad de luz que pasa a través de una región que comprende un defecto (1550) mecánico se puede reducir significativamente.

La figura 4c muestra una sección transversal de rayos (1620) desde un punto en la escena para una cámara hiperespectral de acuerdo con la presente invención. Los rayos pasan por la hendidura (1500) en una sección (1620) transversal ancha en lugar de en una sección (1600) transversal en forma de punta.

La figura 4d muestra una hendidura con un defecto (1550) mecánico en una cámara hiperespectral de acuerdo con la presente invención. Los rayos tienen la misma sección transversal ancha que en la figura 4c. En el caso mostrado en la figura 4d el defecto (1550) mecánico solo influirá en parte de la sección transversal por lo que la reducción en la intensidad de la luz será mucho menor que en el ejemplo mostrado en la figura 4b.

La figura 4e muestra una imagen (1832) resultante que visualiza un punto (1836) en la imagen para el caso normal de una cámara hiperespectral de acuerdo con la presente invención. La figura 4f muestra un punto (1838) en una imagen (1834) resultante en el caso de un defecto (1550) mecánico en la hendidura (1500) para una cámara hiperespectral de acuerdo con la presente invención. En una cámara hiperespectral de acuerdo con la presente invención, la imagen casi no se ve afectada por defectos (1550) mecánicos en la hendidura (1500).

La figura 5 muestra diferentes aspectos de la superficie de la hendidura y la abertura de la hendidura. Una alternativa a la realización mostrada es usar una hendidura reflectante en lugar de un diseño de hendidura usando una abertura en una superficie de hendidura. Luego, la abertura se reemplaza por una superficie reflectante como un espejo, pero por lo demás, el diseño podría utilizar la presente invención de manera similar.

La figura 5a muestra una superficie 1510 de hendidura con una abertura (1520) de hendidura rectangular. La abertura (1520) de hendidura también podría curvarse como se muestra en la figura 5b. La figura 5c muestra una superficie (1510) de hendidura con una abertura (1520) de hendidura que forma una franja en la superficie (1510) de hendidura, que tiene un ancho diferente a lo largo de la abertura (1520) de hendidura. Por tangente a la franja se entiende una línea tangencial a uno de los dos lados largos de la franja o la línea central de la franja, o una línea entre los tres, en cada punto de los lados largos o la línea central respectivamente. La figura 5d muestra una posible tangente (1560) a un lado largo de la abertura (1520) de hendidura con la dirección (1565) perpendicular con respecto a la tangente (1560) indicada.

La hendidura podría ser una hendidura recta o curva. En el caso de una hendidura recta, la hendidura se posicionará en una superficie plana llamada plano de hendidura. En el caso de la hendidura curva, la hendidura se posicionará sobre una superficie geométrica curva. Para simplificar, a lo largo de esta solicitud se utilizará la expresión "plano de hendidura" para ambos casos aunque la hendidura pueda ser recta o curva.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema óptico para una cámara hiperespectral, donde el sistema óptico comprende:

siendo la óptica (1000) frontal un subsistema óptico dispuesto para crear una imagen de una escena que se está representando;

un sensor (1800) de imagen;

una hendidura (1500) que comprende una superficie de hendidura y una abertura de hendidura a través de la hendidura (1500), la abertura de hendidura que forma una franja en la superficie de la hendidura, donde la franja tiene una longitud a lo largo de un centro de la franja y un ancho a través de la franja perpendicular a cada punto del centro de la franja, donde la longitud total es al menos un orden de magnitud mayor que el ancho máximo, donde la hendidura (1500) está posicionada donde la luz de la óptica (1000) frontal se enfoca en una dirección perpendicular a la abertura de la hendidura; y la hendidura (1500) está dispuesta para bloquear la luz de la escena con la excepción de la luz que pasa a través de la abertura de la hendidura, cortando efectivamente un área estrecha fuera de la escena;

la óptica (1200) de retransmisión que comprende un elemento (1250) dispersivo, siendo la óptica (1200) de retransmisión un subsistema óptico dispuesto para proyectar una imagen del área estrecha de la escena sobre el sensor (1800) de imagen con la luz de la escena estrecha dispersada espectralmente en una dirección perpendicular a la tangente de la franja;

caracterizado porque el sistema óptico comprende además:

un primer elemento (2000) óptico posicionado antes de la hendidura (1500), teniendo el primer elemento (2000) óptico una forma que desenfoca la luz en una dirección paralela a la tangente de la franja mientras mantiene el enfoque en una dirección perpendicular a la tangente de la franja; y

un segundo elemento (2100) óptico posicionado después de la hendidura (1500), compensando el segundo elemento (2100) óptico el desenfoque introducido por el primer elemento (2000).

2. Un sistema óptico de acuerdo con la reivindicación 1, donde la superficie de la hendidura es plana o cilíndrica.

3. Un sistema óptico de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, donde la franja estrecha es lineal.

4. Sistema óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, donde el primer elemento (2000) óptico comprende un lente cilíndrico negativo, y el segundo elemento (2100) óptico comprende un lente cilíndrico positivo.

5. Sistema óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 - 3, donde el primer elemento (2000) óptico comprende un lente cilíndrico positivo, y el segundo elemento (2100) óptico comprende un lente cilíndrico negativo.

6. Sistema óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 - 3, donde el primer elemento (2000) óptico es una óptica anterior con astigmatismo de modo que la imagen en la superficie de la hendidura se desenfoca en la dirección paralela a la tangente de la hendidura (1500), y el segundo elemento (2100) óptico es una óptica de retransmisión con astigmatismo dispuesta para cancelar el astigmatismo de la óptica anterior.

7. Sistema óptico de acuerdo con la reivindicación 6, donde el astigmatismo en la óptica frontal y la óptica de retransmisión se crea mediante el uso de superficies ópticas donde la potencia óptica es diferente en dos direcciones ortogonales X y Y, y donde ambas direcciones son ortogonales al eje óptico Z.

8. Sistema óptico de acuerdo con la reivindicación 6, donde la óptica frontal y la óptica de retransmisión tienen al menos una superficie óptica posicionada fuera del eje óptico tanto en la óptica frontal como en la óptica de retransmisión para crear astigmatismo que introducirá el desenfoque antes de la hendidura (1500) y compensará el desenfoque después de la hendidura (1500).

9. Sistema óptico de acuerdo con la reivindicación 6, donde el astigmatismo en la óptica frontal y la óptica de retransmisión es un astigmatismo de aberración parcialmente no corregido que utiliza que esta aberración es distinta de cero fuera del eje óptico y posiciona toda la hendidura (1500) fuera del eje óptico.

10. Sistema óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 - 3, donde el primer elemento óptico descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 4 - 9 se utiliza para desenfocar la luz de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 - 3, y el segundo elemento óptico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 4 - 9 se utiliza para compensar el desenfoque de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 - 3.

11. Sistema óptico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, el sistema óptico que comprende un módulo que protege la hendidura (1500) de partículas de polvo y humedad usando el primer elemento (2000) óptico y el segundo elemento (2100) óptico como ventanas en el módulo que protege la hendidura (1500).

12. Sistema óptico de acuerdo con la reivindicación 11, donde el módulo que protege la hendidura (1500) es uno de los siguientes: i) sellado y lleno de nitrógeno o un gas inerte ii) evacuado para obtener vacío en su interior.

13. Una cámara hiperespectral, donde la cámara comprende un sistema óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, y donde la cámara comprende además una electrónica de control dispuesta para i) controlar el sensor de imagen y otras funciones de la cámara, ii) adquirir una imagen o línea de imagen que contiene información de imagen espacial y espectral, y iii) al menos uno de a) almacenar y b) transmitir dicha información de imagen espacial y espectral.

14. Método para adquirir datos hiperespectrales utilizando una cámara hiperespectral que comprende un sistema óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 12.

15. Método para mejorar la calidad de imagen de una cámara hiperespectral, que comprende los siguientes pasos: - enfocar la luz de una escena en una dirección perpendicular a una abertura en una hendidura (1500) usando una óptica (1000) frontal;

- desenfocar la luz de una escena en una dirección paralela a una tangente de la abertura en la hendidura (1500) antes de que la luz de la escena llegue a la hendidura (1500);

- cortar un área estrecha fuera de la escena bloqueando la luz de la escena mediante una superficie de la hendidura (1500), y permitiendo sólo que la luz del área estrecha pase a través de una abertura en la hendidura (1500);

- compensar el desenfoque después de que la luz procedente del área estrecha haya pasado por la hendidura; y - dispersar espectralmente la luz del área estrecha después de la compensación, y proyectar una imagen espectralmente dispersa del área estrecha sobre un sensor (1800) de imagen.