FR3092912A1 - Spectrometre a imagerie pupillaire - Google Patents
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Abstract
Un spectromètre (10) comprend une optique de collecte de rayonnement (1), un masque (2) à plusieurs ouvertures, un système d’imagerie pupillaire (3), un ensemble à fonction d’étalement spectral et un photodétecteur (7). Le système d’imagerie pupillaire forme des images (PE1, PE2, PE3,…) d’une pupille d’entrée (PE) du spectromètre sur le photodétecteur, à travers l’ensemble à fonction d’étalement spectral. De cette façon, une homogénéisation est obtenue pour la fonction de réponse spectrale du spectromètre, par rapport à des inhomogénéités de répartition de luminance pouvant exister à l’intérieur de chaque échantillon spatial de la scène.
Description
L’invention concerne un spectromètre à imagerie pupillaire.
Les spectromètres sont des instruments d’analyse spectrale de rayonnements électromagnétiques, qui sont utilisés pour de très nombreuses applications. Parmi ces applications, des analyses spectrales de rayonnements qui proviennent de zones de la surface de la Terre sont couramment effectuées, en utilisant des spectromètres qui sont embarqués à bord de satellites en orbite autour de la Terre.
De façon connue, un spectromètre comprend les éléments suivants :
- une optique de collecte de rayonnement, qui est adaptée pour former une image d’une scène dans un plan d’image intermédiaire, à partir d’un rayonnement provenant de la scène ;
- un masque qui est disposé dans le plan d’image intermédiaire, avec au moins une ouverture pour transmettre du rayonnement à travers ce masque ;
- un ensemble à fonction d’étalement spectral, comprenant un collimateur, un imageur et un élément actif spectralement qui est adapté pour dévier le rayonnement différemment en fonction d’une longueur d’onde de ce rayonnement, l’élément actif spectralement étant situé entre le collimateur et l’imageur le long d’un trajet du rayonnement provenant de la scène dans le spectromètre ; et
- un photodétecteur qui est disposé dans un plan focal image de l’imageur.
- une optique de collecte de rayonnement, qui est adaptée pour former une image d’une scène dans un plan d’image intermédiaire, à partir d’un rayonnement provenant de la scène ;
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- un photodétecteur qui est disposé dans un plan focal image de l’imageur.
De façon générale, l’élément actif spectralement est un prisme en un matériau dispersif qui est efficace dans le domaine spectral d’analyse, ou un réseau qui est adapté pour ce domaine spectral.
Pour les applications spatiales en particulier, l’optique de collecte de rayonnement peut être constituée par un télescope. Eventuellement, le spectromètre peut être combiné avec un dispositif d’orientation variable du champ optique d’entrée du spectromètre, ou un dispositif de balayage d’une scène, tel qu’un miroir orientable à un ou deux axes, un support orientable du spectromètre ou une fonction de commande appropriée du système de contrôle d’attitude et d’orbite du satellite.
Le masque possède le plus souvent une seule ouverture, en forme de fente dont la largeur contribue à déterminer, avec d’autres paramètres du spectromètre, ses résolutions spatiale et spectrale. Le pouvoir de dispersion spectrale de l’élément actif spectralement participe aussi à déterminer la résolution spectrale du spectromètre.
Le photodétecteur peut être un capteur d’image à structure matricielle, avec des pixels de détection d’intensité de rayonnement qui sont situés à des intersections de lignes et de colonnes dans une matrice de détection. Ce peut être un tel capteur de type CMOS.
De façon usuelle avant la présente invention, le spectromètre est agencé pour que le plan d’image intermédiaire soit conjugué optiquement avec la surface photosensible du photodétecteur à travers l’ensemble à fonction d’étalement spectral. Le spectromètre forme ainsi une image d’une bande de la scène sur le photodétecteur, cette bande de scène étant limitée par la fente du masque dans le plan d’image intermédiaire. La fente du masque possède ainsi une fonction de diaphragme de champ. Elle est orientée à l’intérieur du plan d’image intermédiaire pour que la bande de scène qui est ainsi imagée sur le photodétecteur soit perpendiculaire à la direction de l’étalement spectral qui est produite par l’élément actif spectralement. Alors, pour une application d’analyse spectrale d’une zone terrestre à partir d’un satellite, un balayage de la zone terrestre est effectué de sorte que la bande de scène qui est imagée se déplace sur le photodétecteur parallèlement à la direction de l’étalement spectral, pendant le balayage. A un instant donné, toutes les intensités qui sont saisies par des pixels du photodétecteur alignés selon la direction de l’étalement spectral sont relatives à une même portion d’échantillonnage spatial de la scène, pour des intervalles d’échantillonnage spectral - i.e. en longueur d’onde - qui sont déterminés par la position de chaque pixel le long de la direction d’étalement spectral. Ainsi, dans la matrice du capteur d’image, la direction des lignes correspond à une direction transversale dans la fauchée de balayage, et la direction des colonnes correspond simultanément à la direction du balayage de la zone terrestre et à la direction d’étalement spectral. Eventuellement, les rôles des lignes et des colonnes peuvent être échangés en fonction des mises en œuvre du capteur d’image matriciel.
La luminosité des spectres qui sont ainsi obtenus pour des segments d’échantillonnage spatial de la bande de scène, successifs selon la direction transversale de la fauchée, dépend de la taille de la pupille d’entrée du spectromètre. Cette pupille d’entrée est déterminée en général par l’optique de collecte de rayonnement, et le spectromètre est agencé pour que sa pupille de sortie soit située sensiblement au niveau de l’élément actif spectralement.
10 spectromètre dans son ensemble
1 optique de collecte du rayonnement, représentée symboliquement mais qui peut être un télescope
2 masque avec fente
4 collimateur, pouvant être constitué par une lentille convergente ou une combinaison de plusieurs lentilles ou miroirs
5 élément actif spectralement, par exemple un prisme, étant entendu qu’une déviation de l’axe optique du spectromètre qui peut être due à cet élément actif spectralement n’est pas représentée, pour raison de clarté des figures
6 imageur, pouvant être constitué par une lentille convergente ou une combinaison de plusieurs lentilles ou miroirs
7 photodétecteur
B flèche de balayage de la zone de scène, par exemple du fait du défilement du satellite au-dessus de cette zone de scène
X direction transversale de fauchée pour le balayage B dans la zone de scène
x direction d’imagerie à la surface du photodétecteur, conjuguée avec la direction de longueur de la fente du masque, et destinée à correspondre à la direction transversale de fauchée X
Y direction du balayage B dans la zone de scène
y direction d’étalement spectral à la surface du photodétecteur, destinée à être superposée à une direction conjuguée avec la direction de balayage Y
Z axe optique du spectromètre
PI plan d’image intermédiaire
PE pupille d’entrée du spectromètre
PS plan de pupille de sortie du spectromètre
Or la réponse spectrale du spectromètre pour un échantillon de scène dépend non seulement des caractéristiques du spectromètre, mais aussi de la répartition d’éclairement dans l’échantillon de scène. Autrement dit, le signal de détection qui est produit par chaque pixel du photodétecteur peut varier lorsque la répartition de luminance varie spatialement à l’intérieur de l’échantillon de scène qui est conjugué avec ce pixel. A cause de cela, une reconstruction du profil de luminance de la scène à partir des signaux qui sont produits par les pixels du photodétecteur, en utilisant une réponse spectrale théorique établie pour une répartition uniforme de luminance, génère des erreurs radiométriques.
Pour éviter de telles erreurs, il est connu d’utiliser un système appelé brouilleur de fente à miroirs. Un tel système est constitué par deux miroirs qui sont disposés en vis-à-vis à partir du plan d’image intermédiaire, ces miroirs étant parallèles l’un à l’autre et parallèles à l’axe optique du spectromètre. L’espace entre les deux miroirs au niveau du plan d’image intermédiaire remplace la fente, et les miroirs réfléchissent une ou plusieurs fois des parties du faisceau de rayonnement qui provient de la bande de scène. Ces réflexions ont pour effet de brouiller le contenu spatial de la bande de scène selon la direction d’étalement spectral, et donc d’homogénéiser la réponse spectrale du spectromètre.
Mais un tel système brouilleur de fente à miroirs possède une efficacité d’homogénéisation de la réponse spectrale qui est limitée, et présente en outre les inconvénients suivants :
- la largeur de fente étant en général très petite, de l’ordre de quelques dizaines de micromètres, le système brouilleur de fente à miroirs est difficile à fabriquer avec précision ;
- le mélange des réflexions multiples à l’intérieur du système brouilleur de fente à miroirs produit des interférences, qui génèrent elles-mêmes d’autres inhomogénéités difficilement maîtrisables ; et
- le système brouilleur de fente à miroirs génère une anamorphose car le plan d’image intermédiaire se trouve à l’entrée de la fente équivalente selon la direction y d’étalement spectral, et à la sortie de la fente équivalente selon la direction x d’imagerie.
- la largeur de fente étant en général très petite, de l’ordre de quelques dizaines de micromètres, le système brouilleur de fente à miroirs est difficile à fabriquer avec précision ;
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Problème technique
Un but de la présente invention est alors de proposer un nouveau spectromètre, pour lequel la réponse spectrale est moins ou n’est pas sensible à la répartition de luminance à l’intérieur d’un échantillon spatial de la scène, et pour lequel certains au moins des inconvénients cités ci-dessus sont réduits.
Pour atteindre ce but ou un autre but, un premier aspect de l’invention propose un spectromètre à optique de collecte, masque, ensemble à fonction d’étalement spectral et photodétecteur comme indiqué ci-dessus, mais dans lequel le masque comprend plusieurs ouvertures qui sont décalées à l’intérieur du plan d’image intermédiaire.
De plus, le spectromètre comprend en outre :
- un système d’imagerie pupillaire, qui est disposé entre l’optique de collecte de rayonnement et l’ensemble à fonction d’étalement spectral le long du trajet du rayonnement provenant de la scène dans le spectromètre, le système d’imagerie pupillaire étant adapté pour former simultanément dans un plan d’objet de l’ensemble à fonction d’étalement spectral, qui est conjugué optiquement avec le photodétecteur, des images intermédiaires multiples de la pupille d’entrée du spectromètre avec des faisceaux distincts du rayonnement provenant de la scène qui traversent les ouvertures du masque, une image intermédiaire séparée de la pupille d’entrée étant formée à partir du faisceau de chaque ouverture du masque, de sorte que l’ensemble à fonction d’étalement spectral forme ensuite une image séparée de la pupille d’entrée du spectromètre sur le photodétecteur à partir de chaque image intermédiaire de la pupille d’entrée, pour chaque longueur d’onde d’un domaine spectral de fonctionnement du spectromètre.
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De plus, selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, le système d’imagerie pupillaire est tel que deux images quelconques de la pupille d’entrée du spectromètre formées à partir de faisceaux qui traversent des ouvertures distinctes du masque, possèdent entre elles une composante de décalage qui est perpendiculaire à la direction d’étalement spectral de l’élément actif spectralement.
Ainsi, dans un spectromètre conforme à l’invention, le système d’imagerie pupillaire produit la fonction de brouilleur de fente. Pour cela, il remplace, vis-à-vis de l’ensemble à fonction d’étalement spectral et du photodétecteur, la fente utilisée dans l’art antérieur par des images de la pupille d’entrée du spectromètre qui sont produites par des faisceaux provenant de zones d’échantillonnage séparées de la scène. Simultanément, pour chaque spectre qui est formé sur le photodétecteur correspondant à une zone distincte d’échantillonnage de la scène, l’ouverture du masque dans laquelle cette zone est imagée par l’optique de collecte, sert de pupille. Une fonction de brouillage total ou quasi-total est ainsi obtenue, par rapport à des inhomogénéités de répartition de luminance pouvant exister à l’intérieur de chaque échantillon spatial de la scène.
Préférablement, le système d’imagerie pupillaire est aussi adapté pour former une image de chaque ouverture du masque, à travers le collimateur, au niveau de l’élément actif spectralement.
Possiblement, le spectromètre peut comprendre en outre un masque pupillaire qui est disposé dans le plan d’objet de l’ensemble à fonction d’étalement spectral, ce masque pupillaire comportant plusieurs ouvertures, avec une ouverture distincte qui est dédiée séparément à chaque ouverture du masque du plan d’image intermédiaire, les ouvertures du masque pupillaire déterminant la pupille d’entrée du spectromètre en tant qu’objet commun qui est conjugué par le système d’imagerie pupillaire avec toutes les ouvertures du masque pupillaire.
Dans des réalisations préférées de l’invention, le système d’imagerie pupillaire peut comprendre plusieurs sous-systèmes optiques qui sont dédiés un-à-une aux ouvertures du masque, chaque sous-système optique étant décalé parallèlement au plan d’image intermédiaire de sorte qu’un faisceau du rayonnement qui provient de la scène et qui traverse une des ouvertures, traverse ensuite le sous-système optique qui est dédié à cette ouverture.
Pour de telles réalisations de l’invention, chaque sous-système optique peut comprendre deux lentilles convergentes qui ont des longueurs focales égales et un axe optique commun, avec une première de ces deux lentilles convergentes qui est sensiblement superposée au plan d’image intermédiaire, et la seconde des deux lentilles convergentes qui est située en aval de la première dans le sens de propagation du rayonnement qui provient de la scène, et à une distance de cette première lentille qui est sensiblement égale à la longueur focale des deux lentilles. En outre, l’axe optique commun des deux lentilles convergentes de chacun des sous-systèmes optiques est parallèle à l’axe optique du spectromètre. Avantageusement alors, les premières lentilles convergentes de tous les sous-systèmes optiques peuvent être des microlentilles formées dans une première plaque transparente qui est commune à tous les sous-systèmes optiques. De même, les secondes lentilles convergentes de tous les sous-systèmes optiques peuvent être d’autres microlentilles formées dans une seconde plaque transparente qui est aussi commune à tous les sous-systèmes optiques. Le système d’imagerie pupillaire peut ainsi être simple à assembler et à aligner au sein du spectromètre. Un perfectionnement supplémentaire peut en plus consister, pour de telles réalisations de l’invention, en ce que le masque soit au moins en partie formé sur une face d’entrée de la première plaque transparente, tournée vers l’optique de collecte de rayonnement. Pour cela, une des ouvertures est située sur chaque microlentille qui constitue une des premières lentilles convergentes.
Au sein de chaque sous-système optique, il est aussi possible d’utiliser une seule lentille convergente, de type lentille épaisse, à la place des deux lentilles décrites précédemment. Le sous-système optique est alors constitué par cette lentille convergente unique. Dans ce cas, chaque lentille convergente de sous-système optique peut être une microlentille formée dans une plaque transparente qui est commune à tous les sous-systèmes optiques.
De façon générale pour l’invention, l’une au moins des caractéristiques additionnelles suivantes peut être reproduite optionnellement, seule ou en combinaison de plusieurs d’entre elles :
- le photodétecteur peut être un capteur d’image matriciel, avec une direction de colonnes ou de lignes de ce capteur qui est parallèle à la direction d’étalement spectral de l’élément actif spectralement ;
- le système d’imagerie pupillaire peut être tel que les images de la pupille d’entrée du spectromètre qui sont formées sur le photodétecteur par les faisceaux de rayonnement provenant de la scène qui traversent des ouvertures différentes du masque, ne se recouvrent pas ;
- l’optique de collecte de rayonnement peut être télécentrique, si bien que les sous-systèmes optiques du système d’imagerie pupillaire peuvent alors être identiques ; et
- chaque ouverture du masque peut être rectangulaire, avec une longueur et une largeur de cette ouverture qui sont inférieures à 3 mm (millimètre), de préférence inférieures à 1 mm.
- le photodétecteur peut être un capteur d’image matriciel, avec une direction de colonnes ou de lignes de ce capteur qui est parallèle à la direction d’étalement spectral de l’élément actif spectralement ;
- le système d’imagerie pupillaire peut être tel que les images de la pupille d’entrée du spectromètre qui sont formées sur le photodétecteur par les faisceaux de rayonnement provenant de la scène qui traversent des ouvertures différentes du masque, ne se recouvrent pas ;
- l’optique de collecte de rayonnement peut être télécentrique, si bien que les sous-systèmes optiques du système d’imagerie pupillaire peuvent alors être identiques ; et
- chaque ouverture du masque peut être rectangulaire, avec une longueur et une largeur de cette ouverture qui sont inférieures à 3 mm (millimètre), de préférence inférieures à 1 mm.
Enfin, un second aspect de l’invention propose procédé d’analyse spectrométrique d’une zone à la surface de la Terre, dite zone d’analyse, suivant lequel un spectromètre qui est conforme au premier aspect de l’invention est à bord d’un satellite en orbite autour de la Terre.
Le procédé comprend alors les étapes suivantes, réalisées à bord du satellite :
- diriger un champ optique d’entrée du spectromètre vers la zone d’analyse, de sorte que du rayonnement provenant de cette zone d’analyse pénètre dans le spectromètre ;
- orienter le spectromètre de sorte qu’une direction de balayage de la zone d’analyse soit parallèle à la direction d’étalement spectral de l’élément actif spectralement ; et
- activer le photodétecteur pour saisir des images successives pendant le balayage de la zone d’analyse, chaque image saisie contenant, séparément pour chacune de plusieurs portions d’échantillonnage spatial de la zone d’analyse qui sont délimitées par les ouvertures du masque, un spectre de la partie du rayonnement qui provient sélectivement de cette portion d’échantillonnage spatial de la zone d’analyse.
- diriger un champ optique d’entrée du spectromètre vers la zone d’analyse, de sorte que du rayonnement provenant de cette zone d’analyse pénètre dans le spectromètre ;
- orienter le spectromètre de sorte qu’une direction de balayage de la zone d’analyse soit parallèle à la direction d’étalement spectral de l’élément actif spectralement ; et
- activer le photodétecteur pour saisir des images successives pendant le balayage de la zone d’analyse, chaque image saisie contenant, séparément pour chacune de plusieurs portions d’échantillonnage spatial de la zone d’analyse qui sont délimitées par les ouvertures du masque, un spectre de la partie du rayonnement qui provient sélectivement de cette portion d’échantillonnage spatial de la zone d’analyse.
Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles :
et
, déjà décrites, sont des schémas optiques d’un spectromètre tel que connu de l’art antérieur ;
et
correspondent respectivement à [Fig. 1a] et [Fig. 1b], pour un spectromètre conforme à l’invention ;
représente un masque qui peut être utilisé dans le spectromètre de [Fig. 2a] et [Fig. 2b] ;
montre symboliquement un système d’imagerie pupillaire qui peut être utilisé dans le spectromètre de [Fig. 2a] et [Fig. 2b] ;
correspond à [Fig. 4a] pour un mode de réalisation particulier du système d’imagerie pupillaire ; et
montre une image telle que saisie par un photodétecteur d’un spectromètre conforme à [Fig. 2a], [Fig. 2b], [Fig. 3] et [Fig. 4b].
Description détaillée de l’invention
Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés dans ces figures ne correspondent ni à des dimensions réelles, ni à des rapports de dimensions réels. En outre, certains de ces éléments ne sont représentés que symboliquement dans certaines figures. Enfin, des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques. Notamment, les références déjà introduites en liaison avec et [Fig. 1b] désignent, dans les autres figures, des éléments identiques à ceux déjà décrits ou des éléments qui ont des fonctions identiques à celles déjà décrites.
Dans le mode de réalisation de l’invention qui est illustré par , [Fig. 2b], [Fig. 3] et [Fig. 4b], le photodétecteur 7 est un capteur d’image matriciel, par exemple du type CMOS. D’une façon connue, un tel photodétecteur comprend des pixels de détection d’intensité de rayonnement qui sont indépendants, et situés aux intersections de lignes et de colonnes formant une matrice. On supposera que le photodétecteur 7 est orienté de sorte que sa direction de lignes soit parallèle à la direction x, et sa direction de colonne soit parallèle à la direction y. De façon générale dans l’invention, les termes «perpendiculaire» et «parallèle» doivent être compris au sens optique, c’est-à-dire que deux directions sont considérées perpendiculaires (resp. parallèles) si l’image de l’une à travers certains des composants optiques du spectromètre est perpendiculaire (resp. parallèle) à l’autre direction.
A titre d’illustration, l’élément actif spectralement 5 peut être un prisme. Le collimateur 4 et l’imageur 6 peuvent chacun être une lentille convergente ou une combinaison de plusieurs lentilles ou miroirs. La surface photosensible du capteur d’image 7 est située dans le plan focal image de l’imageur 6.
L’optique de collecte de rayonnement 1 peut être un télescope d’un type connu de l’Homme du métier. Elle forme une image d’une scène à analyser dans le plan d’image intermédiaire PI. De façon connue, cette optique de collecte 1, notamment un miroir primaire du télescope utilisé, peut déterminer la pupille d’entrée PE du spectromètre 10.
Selon l’invention, un masque 2 à ouvertures multiples est utilisé dans le plan d’image intermédiaire PI, et une optique d’imagerie pupillaire est utilisée pour que des images de la pupille d’entrée PE soient formées sur le photodétecteur 7, chaque image étant formée avec une partie du rayonnement qui a traversé l’une des ouvertures du masque 2. Ainsi, vis-à-vis de l’ensemble à fonction d’étalement spectral et du photodétecteur 7, chaque ouverture du masque 2 possède une fonction de pupille pour le rayonnement qui a traversé cette ouverture et qui parvient au photodétecteur 7, et ce rayonnement provient sélectivement d’une portion d’échantillonnage spatial de la scène, délimitée par l’ouverture correspondante du masque 2.
Le masque 2 peut posséder une configuration d’ouvertures telle que représentée dans . Préférablement, la pluralité d’ouvertures O1, O2, O3,… peut être répartie de sorte qu’aucune bande parallèle à l’axe Y n’existe entre deux ouvertures successives selon la direction X, sans être coupée par l’une de ces ouvertures. Ainsi, lors du balayage B de la scène parallèlement à la direction Y, une fauchée est parcourue, qui apparaît continue selon la direction X entre deux bords latéraux de fauchée. De plus, les ouvertures O1, O2, O3,… peuvent être réparties de sorte que leurs projections sur la direction X, parallèlement à la direction Y, ne se recouvrent pas. Toutefois, une telle absence de recouvrement selon la direction X entre les ouvertures du masque n’est pas indispensable. A l’inverse, des recouvrements peuvent être désirés, notamment pour produire un sur-échantillonnage spatial. Les décalages entre ouvertures qui existent parallèlement à la direction Y n’ont pas d’effet sur les fonctions d’imagerie et d’analyse spectrale, en dehors de procurer le cas échéant une tenue mécanique suffisante au masque 2. Par exemple, chacune des ouvertures O1, O2, O3,… peut avoir une longueur L, parallèlement à la direction X, de 500 µm (micromètre) environ, et une largeur l, parallèlement à la direction Y, de 350 µm, et toutes les ouvertures O1, O2, O3,… peuvent appartenir en alternance à l’une de deux rangées chacune parallèle à la direction X.
Le principe optique d’un système d’imagerie pupillaire 3 qui peut être utilisé pour l’invention, est illustré par . Pour chacune des ouvertures O1, O2,… du masque 2, le système d’imagerie pupillaire 3 peut comprendre un sous-système optique qui est constitué par deux lentilles convergentes 31 et 32, celles-ci pouvant être identiques. Pour chacun des sous-systèmes optiques, les deux lentilles convergentes 31 et 32 peuvent être disposées selon un axe optique commun, qui est en outre parallèle à l’axe optique Z du spectromètre 10 et peut passer par un centre de l’ouverture correspondante O1, O2,… du masque 2. Les lentilles convergentes 31 et 32 d’un même sous-système optique peuvent avoir des longueurs focales respectives qui sont égales, et égales à la distance d de séparation entre les deux lentilles, dans l’approximation de lentilles minces. En outre, la lentille convergent 31 de chaque sous-système optique, la plus proche de l’optique de collecte de rayonnement 1, peut être superposée ou sensiblement superposée au plan d’image intermédiaire PI. Elle est alors contre le masque 2. Dans ces conditions, chaque sous-système optique forme une image de la pupille d’entrée PE du spectromètre 10 qui est située sensiblement au niveau de la lentille convergente 32 de ce sous-système optique. Le plan qui contient toutes les images de la pupille d’entrée PE du spectromètre 10 qui sont formées par tous les sous-systèmes optiques du système d’imagerie pupillaire 3, est noté PE’. En outre, toutes les images ainsi formées dans le plan PE’, de la pupille d’entrée PE du spectromètre 10, sont réparties dans le plan PE’ selon une répartition qui correspond à celle des ouvertures O1, O2, O3,… du masque 2 dans le plan d’image intermédiaire PI.
Les plaques à microlentilles 3a et 3b peuvent être en silice (SiO2). Chaque microlentille formant l’une des lentilles convergentes 31ou 32peut avoir un rayon de courbure de 1,15 mm pour sa face convexe et une épaisseur de 720 µm, correspondant à une longueur focale de 1,95 mm. La distance d entre les plaques 3a et 3b peut alors être de 1,90 mm, et chaque microlentille peut avoir un diamètre de 800 µm, parallèlement aux plans PI et PE’. Dans ces conditions, la pupille d’entrée PE peut être choisie pour que chacune de ses images telle que formée par l’un quelconque des sous-systèmes optiques du système d’imagerie pupillaire 3, ait une longueur d’environ 420 µm selon la direction x, et une largeur d’environ 130 µm selon la direction y, dans le plan PE’.
Le masque 2 tel que représenté dans et avec les dimensions indiquées plus haut pour les ouvertures O1, O2, O3,… du masque 2, peut être séparé des lentilles convergentes 31. Mais il peut avantageusement être imprimé sur la face d’entrée FE de la plaque 3a.
Un tel mode de réalisation, pour lequel toutes les ouvertures O1, O2, O3,… du masque 2 sont identiques, et tous les sous-systèmes optiques du système d’imagerie pupillaire 3 sont identiques, est particulièrement adapté lorsque l’optique de collecte de rayonnement 1 est télécentrique. L’Homme du métier connaît de telles optiques de collecte télécentriques, si bien qu’il n’est pas nécessaire d’en décrire des exemples ici.
L’ensemble à fonction d’étalement spectral, comprenant le collimateur 4, l’élément actif spectralement 5 et l’imageur 6, énumérés dans l’ordre selon le sens de propagation du rayonnement à l’intérieur du spectromètre 10, est disposé de sorte que le plan focal objet du collimateur 4 coïncide avec le plan PE’ des images de la pupille d’entrée PE. Ainsi, chaque image de la pupille d’entrée PE, telle qu’existant dans le plan PE’, est ré-imagée pour chaque longueur d’onde de rayonnement sur la surface du photodétecteur 7 à travers l’ensemble à fonction d’étalement spectral. Pour une même longueur d’onde, ces images pupillaires sur le photodétecteur 7 sont notées PE1, PE2, PE3,… dans et [Fig. 5]. Leurs décalages selon les directions x et y correspondent aux décalages des ouvertures O1, O2, O3,… du masque 2 et des sous-systèmes optiques du système d’imagerie pupillaire 3 parallèlement aux directions X et Y. A partir de chacune de ces images pupillaires PE1, PE2, PE3,…, l’ensemble à fonction d’étalement spectral produit un spectre selon la direction y, dite direction d’étalement spectral. Ainsi, le spectre S1 s’étend à partir de l’image pupillaire PE1 sur le photodétecteur 7, et correspond à une portion d’échantillonnage spatial de la zone de scène située dans le champ optique d’entrée du spectromètre 10, telle que délimitée par l’ouverture O1 du masque 2. De même, le spectre S2 s’étend à partir de l’image pupillaire PE2 sur le photodétecteur 7, et correspond à une autre portion d’échantillonnage spatial de la zone de scène telle que délimitée par l’ouverture O2 du masque 2. Idem pour le spectre S3 par rapport à l’image pupillaire PE3 et l’ouverture O3 du masque 2, etc. Chaque séquence de fonctionnement du photodétecteur 7 permet ainsi d’acquérir simultanément les spectres de plusieurs échantillons spatiaux de la scène, qui sont distincts. Une telle faculté est appelée co-registration dans le jargon de l’Homme du métier.
L’orientation du balayage B est en outre rappelée dans la figure , telle qu’elle apparaît au niveau du masque 2 et du photodétecteur 7.
Le remplacement qui est effectué par le système d’imagerie pupillaire 3 sur le photodétecteur 7, des images respectives des ouvertures O1, O2, O3,… du masque 2 par les images PE1, PE2, PE3,… de la pupille d’entrée PE du spectromètre 10, assure une homogénéisation de la répartition de luminance à l’intérieur de chaque portion d’échantillonnage spatial de la scène qui est délimitée par l’une des ouvertures O1, O2, O3,… du masque 2. De cette façon, une répartition de luminance à l’intérieur de la scène peut être reconstruite à partir d’images saisies par le photodétecteur 7, en utilisant une fonction de réponse spectrale établie pour des conditions de luminance uniforme dans la scène. Autrement dit, le système d’imagerie pupillaire 3 assure une fonction de brouillage total ou quasi-total d’inhomogénéités de luminance qui peuvent exister à l’intérieur de chaque échantillon spatial de scène qui est délimité par l’une des ouvertures O1, O2, O3,… du masque 2.
Avantageusement en outre, la longueur focale des lentilles convergentes 31et 32, et la position de l’élément actif spectralement 5 entre le collimateur 4 et l’imageur 6, peuvent être choisies pour que le système d’imagerie pupillaire 3 forme des images des ouvertures O1, O2, O3,… du masque 2, à travers le collimateur 4, dans un plan PI’ qui est à peu près superposé à l’élément actif spectralement 5.
Il est entendu que l’invention peut être reproduite en modifiant des aspects secondaires des modes de réalisation qui ont été décrits en détail ci-dessus, tout en conservant certains au moins des avantages cités. Notamment, les ouvertures du masque peuvent avoir des décalages selon l’axe Y qui sont différents de ceux montrés dans , et le système d’imagerie pupillaire peut avoir des constitutions différentes de celle de [Fig. 4a] et [Fig. 4b]. En outre, toutes les valeurs numériques qui ont été citées ne l’ont été qu’à titre d’illustration, et peuvent être changées en fonction de l’application considérée.
Claims (12)
- Spectromètre (10) comprenant :
- une optique de collecte de rayonnement (1), qui est adaptée pour former une image d’une scène dans un plan d’image intermédiaire (PI), à partir d’un rayonnement provenant de la scène ;
- un masque (2) qui est disposé dans le plan d’image intermédiaire (PI), avec au moins une ouverture pour transmettre du rayonnement à travers ledit masque ;
- un ensemble à fonction d’étalement spectral, comprenant un collimateur (4), un imageur (6) et un élément actif spectralement (5) qui est adapté pour dévier le rayonnement différemment en fonction d’une longueur d’onde dudit rayonnement, l’élément actif spectralement étant situé entre le collimateur et l’imageur le long d’un trajet du rayonnement provenant de la scène dans le spectromètre ; et
- un photodétecteur (7) qui est disposé dans un plan focal image de l’imageur (6),
le spectromètre étant caractérisé en ce que le masque (2) comprend plusieurs ouvertures (O1, O2, O3,…) qui sont décalées à l’intérieur du plan d’image intermédiaire (PI),
et en ce que le spectromètre comprend en outre :
- un système d’imagerie pupillaire (3), qui est disposé entre l’optique de collecte de rayonnement (1) et l’ensemble à fonction d’étalement spectral le long du trajet du rayonnement provenant de la scène dans le spectromètre, le système d’imagerie pupillaire étant adapté pour former simultanément dans un plan d’objet de l’ensemble à fonction d’étalement spectral, qui est conjugué optiquement avec le photodétecteur (7), des images intermédiaires multiples d’une pupille d’entrée (PE) du spectromètre (10) avec des faisceaux distincts du rayonnement provenant de la scène qui traversent les ouvertures (O1, O2, O3,…) du masque (2), une image intermédiaire séparée de ladite pupille d’entrée étant formée à partir du faisceau de chaque ouverture du masque, de sorte que l’ensemble à fonction d’étalement spectral forme ensuite une image séparée (PE1, PE2, PE3,…) de la pupille d’entrée du spectromètre sur le photodétecteur à partir de chaque image intermédiaire de ladite pupille d’entrée, pour chaque longueur d’onde d’un domaine spectral de fonctionnement du spectromètre,
le système d’imagerie pupillaire (3) étant tel que deux images (PE1, PE2, PE3,…) quelconques de la pupille d’entrée (PE) du spectromètre (10) formées à partir de faisceaux qui traversent des ouvertures (O1, O2, O3,…) distinctes du masque (2), possèdent une composante de décalage qui est perpendiculaire à une direction d’étalement spectral (y) de l’élément actif spectralement (5). - Spectromètre (10) selon la revendication 1, dans lequel le système d’imagerie pupillaire (3) est aussi adapté pour former une image de chaque ouverture (O1, O2, O3,…) du masque (2), à travers le collimateur (4), au niveau de l’élément actif spectralement (5).
- Spectromètre (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le système d’imagerie pupillaire (3) comprend plusieurs sous-systèmes optiques qui sont dédiés un-à-une aux ouvertures (O1, O2, O3,…) du masque (2), chaque sous-système optique étant décalé parallèlement au plan d’image intermédiaire (PI) de sorte qu’un faisceau du rayonnement provenant de la scène qui traverse une des ouvertures du masque, traverse ensuite le sous-système optique qui est dédié à ladite ouverture.
- Spectromètre (10) selon la revendication 3, dans lequel chaque sous-système optique est constitué par une lentille convergente unique, chaque lentille convergente de sous-système optique pouvant être une microlentille formée dans une plaque transparente qui est commune à tous lesdits sous-systèmes optiques.
- Spectromètre (10) selon la revendication 3, dans lequel chaque sous-système optique comprend deux lentilles convergentes (31, 32) qui ont des longueurs focales égales et un axe optique commun, avec une première (31) desdites deux lentilles convergentes qui est sensiblement superposée au plan d’image intermédiaire (PI), et la seconde (32) desdites deux lentilles convergentes qui est située en aval de ladite première lentille convergente, selon un sens de propagation du rayonnement qui provient de la scène, et à une distance (d) de ladite première lentille qui est sensiblement égale à la longueur focale desdites deux lentilles, l’axe optique commun des deux lentilles convergentes (31, 32) de chacun des sous-systèmes optiques étant parallèle à un axe optique (Z) du spectromètre.
- Spectromètre (10) selon la revendication 5, dans lequel les premières lentilles convergentes (31) de tous les sous-systèmes optiques sont des microlentilles formées dans une première plaque transparente (3a) qui est commune à tous lesdits sous-systèmes optiques, et les secondes lentilles convergentes (32) de tous les sous-systèmes optiques sont d’autres microlentilles formées dans une seconde plaque transparente (3b) qui est aussi commune à tous lesdits sous-systèmes optiques.
- Spectromètre (10) selon la revendication 6, dans lequel le masque (2) est au moins en partie formé sur une face d’entrée (FE) de la première plaque transparente (3a), tournée vers l’optique de collecte de rayonnement (1), avec une des ouvertures (O1, O2, O3,…) située sur chaque microlentille qui constitue une des premières lentilles convergentes (31).
- Spectromètre (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le photodétecteur (7) est un capteur d’image matriciel, avec une direction de colonnes ou de lignes dudit capteur d’image matriciel qui est parallèle à la direction d’étalement spectral (y) de l’élément actif spectralement (5).
- Spectromètre (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système d’imagerie pupillaire (3) est tel que les images (P1, P2, P3,…) de la pupille d’entrée (PE) du spectromètre qui sont formées sur le photodétecteur (7) par les faisceaux de rayonnement provenant de la scène qui traversent des ouvertures (O1, O2, O3,…) différentes du masque (2), ne se recouvrent pas.
- Spectromètre (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’optique de collecte de rayonnement (1) est télécentrique.
- Spectromètre (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque ouverture (O1, O2, O3,…) du masque (2) est rectangulaire, avec une longueur (L) et une largeur (l) de ladite ouverture qui sont inférieures à 3 mm, de préférence inférieures à 1 mm.
- Procédé d’analyse spectrométrique d’une zone à la surface de la Terre, dite zone d’analyse, suivant lequel un spectromètre (10) qui est conforme à l’une quelconque des revendications précédentes est à bord d’un satellite en orbite autour de la Terre, ledit procédé comprenant les étapes suivantes, réalisées à bord du satellite :
- diriger un champ optique d’entrée du spectromètre vers la zone d’analyse, de sorte que du rayonnement provenant de ladite zone d’analyse pénètre dans le spectromètre (10) ;
- orienter le spectromètre (10) de sorte qu’une direction de balayage (B) de la zone d’analyse soit parallèle à la direction d’étalement spectral (y) de l’élément actif spectralement (5) ; et
- activer le photodétecteur (7) pour saisir des images successives pendant le balayage de la zone d’analyse, chaque image saisie contenant, séparément pour chacune de plusieurs portions d’échantillonnage spatial de la zone d’analyse qui sont délimitées par les ouvertures (O1, O2, O3,…) du masque (2), un spectre de la partie du rayonnement qui provient sélectivement de ladite portion d’échantillonnage spatial de la zone d’analyse.
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Patent Citations (2)
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