FR3110977A1

FR3110977A1 - Système optique d’imagerie hyperspectral amélioré

Info

Publication number: FR3110977A1
Application number: FR2005638A
Authority: FR
Inventors: Antoine Dussaux; Benoit MARCON; Emmanuel Rossi; Denis Serre
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2021-12-03
Anticipated expiration: 2040-05-28
Also published as: FR3110977B1

Abstract

Système optique d’imagerie hyperspectral (1,2) comprenant un ensemble de fibres optiques, les extrémité proximale des fibres optiques dudit ensemble étant agencées dans le plan focal image d’un téléscope ( ), ledit ensemble comprenant une pluralité de sous ensembles (Pi) de fibres optiques identiques, les extrémités proximales (EP) des fibres optiques d’un sous ensemble étant alignées selon une direction B perpendiculaire à ladite direction A et formant une rangée, dite rangée amont (Ram,i), chacun des sous ensemble (Pi) guidant une partie respective (Li) de la lumière issue de la scène observée vers un spectro-imageur associé (SIi) comprenant au moins un système optique collimateur (Col), un élément optique dispersif (Disp) selon une direction de dispersion, un système optique imageur (O) et un détecteur (Det) placé dans un plan focal image ( ), dudit système optique imageur les extrémités distales (ED) des fibres optiques de chaque sous ensemble (Pi) étant agencées dans un plan focal objet ( ) de l’optique de collimation du spectro-imageur associé (SIi) et alignées selon une direction perpendiculaire à ladite direction de dispersion de manière à former une rangée, dite rangée aval (Rav,i), ladite rangée aval consituant une image intermédiaire (PIi) dont ledit système optique collimateur, ledit élément optique dispersif et ledit système optique imageur du spectro-imageur (SIi) associé forme une image hyperspectrale (Ii) sur le détecteur du spectro-imageur (SIi). Figure 2 B

Description

Système optique d’imagerie hyperspectral amélioré

La présente invention concerne le domaine imageurs hyperspectraux sur scène défilante, en particulier celui des imageurs hyperspectraux de type pushbroom (ou à champ linéaire défilant).

Un système d’imagerie hyperspectral permet d’acquérir une image tridimensionnelle d’une scène à observer : deux dimensions spatiales classiques et une dimension spectrale qui correspond à la décomposition dans le domaine spectral de chaque point de l’objet imagé.

Il existe plusieurs types de système d’imagerie hyperspectral qui diffèrent par la méthode d’acquisition des différents points de la scène à observer (point par point, ligne par ligne ou plein champ) et par la méthode utilisée pour décomposer la lumière collectée par le système d’imagerie selon plusieurs longueurs d’onde (diffraction, réfraction, interférométrie…).

Les systèmes d’imagerie de type pushbroom sont les plus communément utilisés dans le domaine de l’imagerie à distance et dans les systèmes aéroportés. Ils sont typiquement utilisés dans des situations dans lesquelles il existe un déplacement relatif entre une scène à observer et le dispositif d’imagerie. Ce déplacement peut être dû au fait que le dispositif est monté sur un véhicule, aéronef ou satellite se déplaçant au-dessus d’une zone d’intérêt, le dispositif étant orienté de manière à ce que la zone d’intérêt intercepte le champ de vue du dispositif. Alternativement le défilement est effectué avec un miroir de scan. Alternativement, le dispositif peut être fixe et la zone d’intérêt peut se déplacer au travers du champ de vue, par exemple sur un tapis roulant. L’image hyperspectrale acquise par un imageur pushbroom est en général une image en bandes obtenue par l’imagerie d’une unique bande (champ linéaire) de la scène à observer dans le champ de vue, le déplacement relatif permettant d’obtenir successivement une pluralité de bande continues.

La figure 1A illustre schématiquement un imageur hyperspectral de type pushbroom P de l’art antérieur comprenant un système optique télescope T et un spectro-imageur SP. La figure 1B illustre plus en détail les différents éléments d’un spectro-imageur SP connu de l’art antérieur. Typiquement, le spectro-imageur SP comprend une fente F placée dans le plan focal image du télescope T qui collecte la lumière L issue de la scène à observer Obj. Le télescope T est un système optique connu en soi et adapté pour réaliser l’image d’un objet situé à l’infini par rapport à la distance focale du télescope. De manière connue, il peut être constitué d’une pluralité de paraboles hors axe et/ou de miroirs ou encore de lentilles.

Dans l’exemple illustré dans la , le déplacement relatif de la scène par rapport à l’imageur P se fait selon la direction A, perpendiculaire à la direction de la fente F, appelée direction B. Ainsi, seule une portion restreinte FOV du champ de vue de la scène à observer, dit champ linéaire traverse la fente F pour être imagé sur le détecteur Det du spectro-imageur SP. L’image de la portion de la scène observée au travers de la fente est appelée image linéaire.

Le spectro-imageur SP comprend un système optique de collimation adapté pour collimater la portion LF de la lumière traversant la fente F. Le système optique de collimation est agencé de manière à ce que son plan focal objet soit confondu avec le plan contenant la fente F et le plan focal image du télescope T. Alternativement, des spectro-imageurs peuvent utiliser des montages optiques concentriques de types Dyson ou Offner dans lequel le faisceau n’est pas collimaté au niveau de l’élément dispersif.

Un élément optique dispersif Disp est adapté pour étaler l’information spectrale en déviant les rayons selon leur longueur d’onde. Cet élément optique dispersif peut être un prisme, un réseau de diffraction ou encore une combinaison d’éléments optique dispersifs en transmission disjoints ou regroupés. L’élément dispersif possède un axe de dispersion selon la direction A. Ainsi, après la traversée de l’élément dispersif, l’angle de déviation des rayons de la portion LF traduit leur longueur d’onde. Un système optique imageur O situé en aval du trajet optique est adapté pour séparer spatialement les différentes longueurs d’onde et focaliser la portion LF qui a traversé l’élément optique dispersif sur un détecteur matriciel Det placé dans le plan focal image du système optique imageur O. Le plan focal image du télescope contenant la fente F est donc le conjugué du plan focal image du système optique imageur O contenant le détecteur matriciel. Ainsi, le système optique imageur O permet de réaliser une pluralité d’imagettes de la fente F correspondant à la portion restreinte champ de vue FOV de la scène à observer, chacune associée à une bande spectrale distinctes.

Sans fente F dans le plan focal objet du collimateur, le faisceau étant angulairement étendu dans la direction de dispersion, après traversée de l’élément optique dispersif, il existerait un recouvrement spatial sur le détecteur Det des différentes longueurs d’onde associées à différents points de la scène. Il serait alors impossible de traduire spatialement, sur le détecteur matriciel, l’information hyperspectrale de la scène imagée. La fente F imagée sur le détecteur Det permet donc une séparation spatiale des longueurs d’onde sur le détecteur en imageant une ligne entière de la scène à observer Obj.

Le détecteur matriciel est typiquement agencé de manière à ce que chaque imagette soit orientée selon un axe (« colonne ») de la matrice de pixels du détecteur, le système optique imageur étant adapté pour que les imagettes soient alignées selon un axe (« ligne »), perpendiculaire à l’axe . Ainsi, en l’absence de distorsion, chaque colonne du détecteur est exposée au rayonnement correspondant au même champ de vue linéaire mais à différentes longueurs d’onde. Chaque ligne du détecteur enregistre le spectre de chaque point du champ de vue FOV imagé.

La multiplication du nombre d’informations délivrées par les imageurs hyperspectraux de type pushbroom de l’art antérieur engendre une augmentation inéluctable des budgets de volume et de masse. Par exemple, des mesures hyperspectrales avec de grands champs de vue, dans plusieurs bandes optiques, plusieurs angles de vue ou encore plusieurs polarisations conduisent, soit à la conception :

d’instruments monobloc massifs dont le maintien de la stabilité opto-mécanique est complexe (par exemple afin d’obtenir un grand champ de vue)
de plusieurs spectro-imageurs distincts juxtaposées, qui de par la multiplication du nombre d’éléments optiques impactent les budgets de masse et de volume.

De plus, l’utilisation de plusieurs spectro-imageurs distincts induit des effets indésirables de décalage temporel et/ou spatial des mesures acquises par les différents spectro-imageurs (problème de co-régistration).

L’invention vise à pallier certains problèmes de l’art antérieur, en utilisant un agencement de fibres optiques comme fente. Cet agencement permet l’aménagement de plusieurs instruments réalisant des mesures différentes avec une grande flexibilité, une stabilité opto-mécanique accrue tout en conservant une excellente co-régistration spatiale et temporelle entre les différents instruments.

A cet effet un objet de l’invention est un système optique d’imagerie hyperspectral comprenant:

un système optique dit téléscope permettant de collecter une lumière (L) issue d’une scène à observer défilant selon une direction A
un ensemble de fibres optiques, chaque fibre comprenant une extrémité proximale et une extrémité distale, l’extrémité proximale des fibres optiques dudit ensemble étant agencée dans le plan focal image dudit téléscope,

ledit ensemble comprenant une pluralité de sous-ensembles de fibres optiques identiques, les extrémités proximales des fibres optiques d’un sous ensemble étant alignées selon une direction B perpendiculaire à ladite direction A et formant une rangée, dite rangée amont chacun des sous ensemble guidant une partie respective de la lumière issue de la scène observée vers un spectro-imageur associé comprenant au moins un système optique collimateur, un élément optique dispersif selon une direction de dispersion, un système optique imageur et un détecteur placé dans un plan focal image, dudit système optique imageur les extrémités distales des fibres optiques de chaque sous ensemble étant agencées dans un plan focal objet de l’optique de collimation du spectro-imageur associé et alignées selon une direction perpendiculaire à ladite direction de dispersion de manière à former une rangée, dite rangée aval, ladite rangée aval consituant une image intermédiaire dont ledit système optique collimateur, ledit élément optique dispersif et ledit système optique imageur du spectro-imageur associé forme une image hyperspectrale sur le détecteur du spectro-imageur.

Selon un mode particulier de l’invention :

au moins deux rangées amont sont alignées entre elles pour former une ligne, de manière à ce que ladite partie de la lumière guidée par chaque sous ensemble de ladite ligne vers un spectro-imageur associé corresponde à un champ de vue différent ;
au moins deux rangées amonts sont parallèles entre elles et empilées selon la direction A dans le plan focal image dudit télescope ;
une distance entre deux rangées amonts adjacentes parallèles est inférieure à une dimension transverse des extrémités proximales des fibres desdites rangées amonts ;
les rangées amonts sont identiques et les extrémités proximales de deux rangées amonts adjacentes sont agencées en quinconce, lesdits spectro-imageurs associés auxdites rangées amonts fonctionnant sur une même bande spectrale ;
les rangées amonts sont identiques et les extrémités proximales des rangées amont forment une matrice, chaque rangée amont étant ainsi adaptée pour guider une partie de la lumière issue de la scène observée correspondant à un champ de vue identique ;
les spectro-imageur respectivement associés auxdites rangées amonts fonctionnent sur des bandes spectrale distinctes ;
au moins un sous ensemble de fibres, dit sous ensemble splitter, est composé de fibres de type « splitter », ladite partie de la lumière guidée par le sous ensemble splitter étant guidée vers au moins deux spectro-imageurs ;
l’ensemble comprend au moins trois sous ensembles formant respectivement trois rangées amonts, ledit système optique comprenant en outre trois polariseurs linéaires présentant des axes de transmission respectifs différents, chacun des polariseurs étant agencés en amont d’une rangée amont différente de manière à polariser ladite partie de la lumière issue de la scène observée associée à chaquesous ensemble de manière prédéterminée, ledit système optique comprenant en outre un processeur relié aux spectro-imageurs associés aux rangées amonts de manière à déterminer la polarisation linéaire de la lumière issue de la scène à observer ;
l’ensemble comprend au moins trois sous ensemble formant respectivement trois rangées amonts, ledit système optique comprenant en outre trois polariseurs linéairesprésentant des axes de transmission respectifs différents, chacun des polariseurs étant agencés en aval d’une rangée aval différente de manière à polariser ladite partie de la lumière issue de la scène observée associée à chaque sous ensemble de manière prédéterminée, lesdites fibres de chacun des trois sous ensemble étant des fibres à maintien de polarisation, ledit système optique comprenant en outre un processeur relié aux trois spectro-imageurs associés de manière à déterminer la polarisation linéaire de la lumière issue de la scène à observer ;
une distance entre deux rangées amonts adjacentes est supérieure à une dimension transverse des extrémités proximales des fibres desdites rangées amonts, le spectro-imageur associé à chaque rangée amont étant adapté pour acquérir une image hyperspectrale correspondant à un angle de vue de la scène observée différent pour chaque rangée amont ;
le système comprend au moins un détecteur placé dans le plan focal dudit télescope et agencé pour détecter une partie de la lumière issue de la scène à observer.

D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :

et

une vue schématique d’un système optique d’imagerie hysperspectral de type pushbroom de l’art antérieur ;

et

une vue schématique d’un système optique d’imagerie hysperspectral de type pushbroom selon l’invention ;

une vue schématique d’un système optique d’imagerie hysperspectral de type pushbroom selon un mode de réalisation de l’invention ;

une vue schématique d’un système optique d’imagerie hysperspectral de type pushbroom selon un autre mode de réalisation de l’invention ;

et

une vue schématique d’un système optique d’imagerie hysperspectral de type pushbroom selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Les figures 2A et 2B présentent une vue schématique d’un système optique d’imagerie hysperspectral de type pushbroom 1 selon l’invention comprenant une pluralité de spectro-imageurs SI_i, chacun associé à un sous ensemble de fibres optiques différent. La illustre l’agencement du dispositif par rapport à la scène à observer Obj. La détaille plus précisément les éléments des spectro-imageurs SIi de l’invention.

Comme dans les dispositifs pushbroom de l’art antérieur, le système 1 comprend un système optique dit télescope T adapté pour collecter une lumière L issue de la scène à observer Obj. Le télescope T est un système connu en soi adapté pour réaliser l’image d’un objet situé à l’infini par rapport à la distance focale du système. Dans l’exemple illustré dans la figure 2A, le mouvement relatif de la scène à observer par rapport à au système 1 est selon la direction A. Par exemple, le système 1 peut être embarqué sur un véhicule ou aéronef se déplaçant de manière à ce que la scène à observer Obj, fixe, intercepte le champ de vue du télescope T. L Alternativement, le système 1 peut être fixe et la scène à observer Obj peut se déplacer au travers du champ de vue, par exemple sur un tapis roulant. Par la suite, on considère que les termes « direction A » et « direction de défilement » sont équivalents.

Le système 1 diffère des dispositifs pushbroom de l’art antérieur au moins en ce que la fente habituellement utilisée afin de permettre une séparation spatiales des longueurs d’onde de chaque point de l’objet sur le détecteur est remplacée par un ensemble de fibres optiques. Afin d’assurer que chaque spectro-imageur réalise bien l’image de ces fibres, tel que le font les dispositifs pushbroom de l’art antérieur avec une fente, l’extrémité proximale EP des fibres optiques de l’ensemble sont agencées dans le plan focal image du télescope . Les fibres optiques de l’ensemble sont arrangées en une pluralité de sous-ensembles P_i, i indice du sous ensemble, de fibres optiques identiques. Les extrémités proximales EP des fibres optiques de chaque sous ensemble Pi sont alignées selon une direction B perpendiculaire à la direction A de manière à former une rangée dite rangée amont R_am _,i. Chacun des sous ensemble P_iguide une partie L_ide la lumière L issue de la scène observée vers un spectro-imageur associé SI_i. Cette partie L_icorrespond à une portion FOV_irestreinte du champ de vue FOV_Tde la lumière collectée par le télescope, appelée champ de vue linéaire du sous ensemble .

Comme l’illustre la figure 2B, chaque spectro-imageur SIi, de manière connue en soi, comprend au moins un système optique collimateur Col, un élément optique dispersif Disp selon la direction A, un système optique imageur O et un détecteur matriciel Det. Le détecteur Det est disposé dans le plan focal image du système optique imageur O. En outre, l’extrémité distale ED des fibres optiques de chaque sous ensemble Pi sont alignées selon la direction B dans le plan focal objet de l’optique de collimation du spectro-imageur SI_iassocié de manière à former une rangée aval . Le plan focal objet de l’optique de collimation comprenant la rangée aval est donc le conjugué du plan focal image du système optique imageur O contenant le détecteur matriciel Det. Ainsi, cette rangée aval constitue une image intermédiaire dont le spectro-imageur réalise une image hyperspectrale . Cette image intermédiaire de la portion de la scène Obj observée au travers de la rangée aval du sous ensemble correspond à l’image linéaire précédemment évoquée dans les dispositifs pushbroom de l’art antérieur (l’image de la portion de la scène observée au travers de la fente F de la ).

Dans l’invention, les plans PF_i _,T et PFo,col sont dissociés, contrairement aux dispositifs de l’art antérieur où ils sont confondus. Cette dissociation permet plusieurs types d’agencements impossibles à réaliser dans l’art antérieur.

L’élément optique dispersif Disp peut être un prisme, un réseau de diffraction ou encore une combinaison d’éléments optique dispersifs en transmission disjoints ou regroupés. Ainsi, après la traversée de l’élément dispersif, l’angle de déviation des rayons de la partie traduit leur longueur d’onde.

Le système optique imageur O du spectro-imageur SI_ifocalise les rayons de la partie après leur traversée de l’élément optique dispersif Disp de manière à former une image hyperspectrale I_isur le détecteur Det du spectro-imageur SI_i. L’image hyperspectrale comprend une pluralité k d’imagettes de la rangée aval associée au spectro-imageur .

Le détecteur matriciel Det peut être un capteur CCD, CMOS ou encore tout détecteur matriciel connu de l’art antérieur. Il est entendu que la gamme spectrale de détection est adaptée en fonction de l’élément optique dispersif Disp. De manière préférentielle, il est agencé de manière à ce que chaque imagette soit orientée selon un axe (« colonne ») de la matrice de pixels du détecteur, le système optique imageur étant adapté pour que les imagettes soient alignées selon un axe (« ligne »), perpendiculaire à l’axe . Ainsi, chaque colonne du détecteur est exposée au rayonnement correspondant au même champ de vue linéaire mais à différentes longueurs d’onde. Chaque ligne du détecteur enregistre le spectre de chaque point du champ de vue linéaire imagé par chaque spectro-imageur .

Dans l’exemple des figures 2A et 2B donné à titre non limitatif, le nombre de fibres de chaque sous ensemble est de 4. De manière préférentielle, les fibres de chaque sous ensemble sont carrées. Alternativement, les fibres sont rondes, comme illustré dans les figures 2B à 6.

La résolution au sol de chaque spectro-imageur associé au sous ensemble du système 1 est donnée par la relation suivante : avec la distance entre la scène et le système 1, la distance focale image du télescope T et la dimension transverse de l’extrémité proximale des fibres du sous ensemble (dimension du cœur de la fibre). Lorsque la fibre possède une section transversale qui est un disque, la dimension est le diamètre du cœur de la fibre. Afin d’améliorer la résolution, il est donc possible d’utiliser des fibres de dimension transverse réduite ou utiliser un télescope avec une distance focale image plus importante.

L’échantillonnage spatial de chaque sous ensemble du système 1 est donné par la relation suivante : Avec la distance entre les extrémités proximales du sous ensemble (distance entre deux fibres comprenant la gaine externe de chaque fibre). Afin d’améliorer l’échantillonnage, il est donc avantageux de rapprocher le plus possible les extrémités proximales des fibres de chaque sous ensemble (et donc réduire au maximum .

Les paramètres et sont représentés, entre autre, sur la .

Le nombre de fibres de chaque sous ensemble, l’espacement et la dimension transverse fixent le champ de vue linéaire du sous ensemble selon la formule suivante (pour des petits angles de vue):

Il est entendu que l’orientation de la rangée aval et de l’axe de dispersion de l’élément dispersif Disp de chaque spectro-imageur peuvent être choisie librement à condition que la rangée aval soit perpendiculaire à l’axe de dispersion.

Le système optique 1 permet, grâce à l’implémentation judicieuse de fibres optiques, d’utiliser simultanément une pluralité spectro-imageurs pouvant effectuer des mesures distinctes les unes des autres tout en assurant une très bonne co-registration entre ces mesures. La co-registration des mesures est assurée par la position rapprochée des rangées amont des fibres optiques de chaque sous ensemble qui sont toutes placées dans le plan focal image du télescope. Les différents agencements entre les rangées amont des sous-ensembles selon les différentes mesures (différents champs de vue, différents angle de vue, différentes bandes spectrales, etc…) souhaitées par l’utilisateur seront plus clairement détaillés dans les figures 3 à 7.

La figure 3 illustre un mode de réalisation de l’invention dans lequel au moins deux rangées amont respectivement formées par deux sous ensembles sont alignées entre elles selon la direction B pour former une ligne. Chaque sous-ensemble de la ligne guide une partie respective L_ide la lumière correspondant à un champ de vue linéaire FOV_idifférent vers un spectro-imageur SI_i.

Dans l’exemple non limitatif de la figure 3, seulement deux sous-ensembles sont alignés, un premier et un second . Le champ de vue associé au premier sous ensemble vaut :

et le champs de associé au second sous ensemble vaut :

Ce mode de réalisation possède l’avantage de permettre l’imagerie d’un champ de vue linéaire « total » équivalent à et donc plus important que celui de l’instrument unique ou . De manière préférentielle, les deux sous ensembles sont repartis de part et d’autre de l’axe optique du télescope. Du fait de l’alignement des rangées, il n’existe aucun décalage temporel ou angulaire entre les images hyperspectrales acquises par les spectro-imageurs . Comparativement, un dispositif pushbroom de l’art antérieur comprenant un spectro-imageur possédant un seule fente et dont on aurait augmenté le champ de vue linéaire en plaçant deux détecteurs matriciels côte à côte selon la direction B, dans le plan focal du système optique O, posséderait une zone d’ombre correspondant à l’espacement entre ces deux détecteurs. On appelle ici zone d’ombre, la partie de la scène de la scène qui n’est pas observée correspondant à l’espacement entre les deux détecteurs. Dans ce cas, compte tenu de l’encombrement des détecteurs matriciels, la zone d’ombre sera nécessairement plus importante que celle du mode de réalisation de la figure 3, dans lequel la zone d’ombre correspond à l’espacement (distance entre les fibres les plus proche) selon la direction B entre les deux sous ensemble et . Cette zone d’ombre correspond à un champ de vue linéaire .

Alternativement, selon un autre mode de réalisation, plus de deux sous ensembles sont alignés pour former une ligne et le nombre de fibres de chaque sous ensemble , l’espacement et la dimension transverse sont choisis de manière à observer un champ de vue linéaire prédéterminé. Dans ce mode de réalisation, le champ de vue linéaire total imagée par le système optique vaut

Dans les modes de réalisation des figures 4 à 6, le dispositif 1 comprend au moins deux rangées amont formées par deux sous-ensembles de fibres optiques, parallèles entre elles, et « empilées » selon la direction de défilement dans le plan focal image dudit télescope. Ces modes de réalisation permettent d’effectuer des mesures stéréoscopiques ou multi-angulaires, de polarisation linéaire de la lumière L issue de la scène, sur-échantillonée, encore de l’imagerie de bandes spectrales distinctes avec une co-registration temporelle et angulaire optimisées entre les spectro-imageurs réalisant ces mesures. De plus, il est possible d’effectuer des mesures redondantes avec au moins deux spectro-imageurs identiques afin de pallier la défaillance éventuelle d’un spectro-imageur.

Dans les modes de réalisation des figures 4, 5A et 5B, les rangées amont sont empilées de manière à former une matrice. Ainsi, chaque rangée amont est adaptée pour guider une partie L_ide la lumière issue de la scène observée correspondant à un champ de vue FOV_matidentique.

Dans l’exemple de la figure 4, à titre non limitatif, seulement deux rangées amont sont empilées selon la direction A. Selon un autre mode de réalisation, plus de deux rangées sont empilées selon la direction A. Ainsi, le spectro-imageur associé à chaque rangée amont empilée en matrice observe le même champ de vue linéaire correspondant à avec la dimension de la matrice selon la direction B.

On appelle ici écartement la distance selon la direction A entre deux rangées amont adjacentes associées aux sous-ensembles et . Selon la valeur de cet écartement ( dans la ), le mode de réalisation de la permet de réaliser des mesures stéréoscopiques ou multi-angulaire ou des mesures de bandes spectrales distinctes.

Ainsi, dans une première variante du mode de réalisation de la figure 4, l’écartement est minimal entre les rangées amont. Préférentiellement, l’écartement est inférieur à la dimension transverse d des extrémités proximales des fibres desdites rangées amont (par exemple diamètre des extrémités dans le cas où les fibres sont à section transverse à disque). Les mesures des spectro-imageurs possèdent un décalage angulaire et temporel minimal et sont donc très fortement corrélées. Dans cette première variante, chaque spectro-imageur SI_irespectivement associé aux rangées amonts fonctionnent sur des bandes spectrale distinctes. Ainsi, il est possible de réaliser une plusieurs images hyperspectrales de la scène à observer sur différentes bandes spectrales. Il est entendu que les spectro-imageurs associés aux différentes bandes spectrales peuvent comprendre tout élément optique permettant de filtrer spectralement la partie de la lumière associée, comme des lames dichroïques ou des filtres passe-bandes. Le filtrage spectral peut être effectué en amont ou en aval des fibres optiques de chaque sous ensemble de la matrice. De manière préférentielle, les paramètres (nombre, distance entre les extrémités et dimension transverse) des fibres de chaque sous ensemble sont identiques de manière à ce que chaque spectro-imageur image la scène avec les même paramètres (résolution et échantillonnage). La comparaison des mesures est ainsi facilitée.

Dans une deuxième variante du mode de réalisation de la figure 4, l’écartement entre les rangées amont adjacentes est volontairement choisi de manière à être plus important que dans la première variante du mode de réalisation de la figure 4. Ainsi, dans cette deuxième variante, l’écartement est supérieur à une dimension transverse d des extrémités proximales des fibres desdites rangées amont. On introduit ici volontairement un décalage angulaire et temporel entre les mesures de chaque spectro-imageurs afin d’acquérir une image hyperspectrale correspondant à un angle de vue de la scène observée significativement différent pour chaque rangée amont. La différence d’angle de vue entre les images acquises par les spectro-imageurs associés aux deux rangées de cette deuxième variante de la figure 4 vaut .

Cette deuxième variante permet de réaliser des mesures stéréoscopiques ou multi-angulaires de la scène à observer. De manière préférentielle, les paramètres (nombre, distance entre les extrémités proximales et dimension transverse des extrémités proximales) des fibres de chaque sous ensemble sont identiques -ou adaptés pour compenser une éventuelle distorsion optique ou variations angulaires de la projection géométrique de la scène à observer- de manière à ce que chaque spectro-imageur image la scène avec les même paramètres (résolution et échantillonnage). La corrélation des mesures, par exemple pour la construction d’images hyperspectrales stéréoscopiques, est ainsi facilitée. Compte tenu de l’écartement entre les rangées adjacentes, il existe inéluctablement une co-registration temporelle dégradée comparativement à la première variante du mode de réalisation de la .

Les figures 5A et 5B illustrent un mode de réalisation de l’invention dans le système d’imagerie est adapté pour mesurer l’état de polarisation linéaire de la lumière L collectée par le télescope T. Pour cela, le système comprend au moins trois rangées amont Ram1, Ram2 et Ram3 et trois polariseurs linéaires et présentant des axes de transmission respectifs différents. Chacun des polariseurs est agencé en amont du trajet optique d’une rangée amont différente de manière à polariser la partie L_ide la lumière associée à chaque rangée amont. De plus, le système optique du mode de réalisation des figures 5A et 5B comprend un processeur (non représenté dans les figures 5A et 5B) relié aux spectro-imageurs associés aux rangées amonts et configuré pour déterminer la polarisation linéaire de la lumière issue de la scène à observer à partir des images hyperspectrales acquises par les spectro-imageurs.

Alternativement, selon un autre mode de réalisation, le système comprend au moins trois rangées amont Ram1, Ram2 et Ram3 et deux polariseurs linéaires présentant des axes de transmission respectifs différents. Chacun des polariseurs est agencé en amont du trajet optique d’une rangée amont différente de manière à polariser la partie L_ide la lumière associée à chaque rangée amont. Le processeur est ici aussi configuré pour déterminer la polarisation linéaire de la lumière issue de la scène à observer à partir des images hyperspectrales acquises par les spectro-imageurs.

Alternativement, selon un autre mode de réalisation, chacun des trois polariseurs linéaires est agencé en aval d’une rangée aval différente de manière à polariser la partie L_ide la lumière guidée par les fibres en sortie de fibre. Dans ce cas les fibres de chaque sous ensemble sont des fibres à maintien de polarisation afin que la propagation dans les fibres ne modifie pas polarisation de la partie L_i. Le processeur est ici aussi configuré pour déterminer la polarisation linéaire de la lumière issue de la scène à observer à partir des images hyperspectrales acquises par les spectro-imageurs.

Alternativement…. 4 rangées avec 4 filtrages différents pour mesurer le vecteur de Stokes complet (polar circulaire comprise). Il existe une multitude de combinaisons mais une combinaison typique est une rangée non polarisée, un polariseur horizontale, un polariseur à 45°, et un polariseur circulaire dans le sens horaire.

La illustre un mode de réalisation de l’invention dans lequel les extrémités proximales EP de deux rangées amonts adjacentes sont agencées en quinconce. L’avantage de ce mode de réalisation est qu’il permet de dépasser la limite d’échantillonage imposée par la proximitée entre les fibres de chaque rangée amont. Dans ce mode de réalisation, les spectro-imageurs SIi associés aux rangées amonts fonctionnent sur une même bande spectrale et les fibres de chaque rangée amont sont identiques. De cette manière, en combinant les images hyperspectrales acquises par chacun des spectro-imageurs des rangées agencées en quinconce, il est possible de reconstruire une image hyperspectrale avec un échantillonage plus important que celui accessible par chacun des spectro-imageur.

De manière préférentielle, les rangées amonts sont agencées de manière à ce que le centre des extrémités proximales de chaque rangée soient placées au dessus au milieu de l’espacement entre les extrémités proximales des fibres des rangées amont adjacentes. Cet agencement permet de théoriquement doubler l’échantillonage spatial par rapport à celui atteignable par chaque spectro-imageur.

De manière préférentielle, l’écartement entre les rangées amont adjacentes est inférieur à une dimension transverse des extrémités proximales des fibres desdites rangées amont (par exemple diamètre des extrémités dans le cas où les fibres sont à section transverse à disque). Les mesures des spectro-imageurs possèdent un décalage angulaire et temporel minimal et sont donc très fortement corrélées. L’image sur-échantillonnée reconstruite par la combinaison des images spectrales de chaque spectro-imageur possède ainsi le moins d’artefact possible.

La figure 7 illustre un mode de réalisation de l’invention dans lequel le système optique d’imagerie 2 comprend au moins un sous ensemble de fibres, dit sous ensemble splitter, composé de fibres de type «splitter ». Une fibre splitter est une fibre possédant une extrémité proximale et deux extrémités distales.. La partie de la lumière guidée par le sous ensemble splitter est guidée vers au moins deux spectro-imageurs SI_1,SI_1’. Comme dans les exemples précédent, les extrémitées distales ED du sous ensemble splitter sont alignées dans le plan focal objet de l’optique de collimation du spectro-imageur SI_i, SI_i _’associé de manière à former une rangée aval dont chaque spectro-imageur réalise une image hyperspectrale.

De cette manière, les spectro-imageurs SI_i, SI_i _’associés à un sous ensemble splitter peuvent fonctionner sur des bandes spectrales distinctes tout en ayant une co-registration temporelle et angulaire quasi parfaite. En effet, c’est ici rigoureusement le même signal (spatial et temporel) qui sert aux deux spectro-imageurs.

Dans l’exemple de la figure 7, donnée à titre non limitatif, le système optique d’imagerie comprend en outre un autre sous ensemble de fibre pouvant être placé différemment relativement au sous ensemble splitter P1 selon le type de mesure souhaité par l’utilisateur, comme expliqué précédemment : aligné avec le sous ensemble splitter de manière à observer des champs de vue linéaire différents, empilé selon la direction de défilement afin de réaliser des mesures stéréoscopiques ou multi-angulaires, etc…

Alternativement, selon un autre mode de réalisation, le sous ensemble splitter permet de séparer la partie de la lumière guidée en deux polarisations orthogonales vers deux spectro-imageurs SI_1,SI_1’. De cette manière, les spectro-imageurs SI_i, SI_i _’associés à un sous ensemble splitter peuvent fonctionner sur des polarisations orthogonales tout en ayant une co-registration temporelle et angulaire quasi parfaite.

Alternativement, selon un autre mode de réalisation, les fibres optiques de chaque sous ensemble peuvent être remplacées par des guides d’onde réalisés sur un circuit intégré pour chaque sous ensemble ou un seul et même circuit intégré pour tous les sous ensemble. Ce mode de réalisation permet un gain supplémentaire en compacité du système optique d’imagerie. Cependant, la réalisation d’un circuit optique aux dimensions suffisantes pour guider chaque partie L_ide la lumière vers le spectro-imageur associé SI_ipeut être complexe selon le nombre de spectro-imageurs souhaité et réduit la flexibilité mécanique du dispositif.

Alternativement, selon un autre mode de réalisation le système optique d’imagerie de l’invention comprend au moins un détecteur matriciel ou linéaire placé dans le plan focal image du télescope de manière à détecter une partie de la lumière collectée par le télescope et ainsi imager une partie de la scène observée directement par le biais du télescope. Ce mode de réalisation permet de combiner imagerie hyperspectrale et imagerie à distance classique (avec un plus grand champ de vue) en conservant une très bonne co-registration temporelle.

L’invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d’exemple et non comme limitant l’invention a cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation et combinaisons de modes de réalisations détaillées sont possibles tout en restant dans le cade de l’invention. En particulier, il est entendu que les modes de réalisation des figures 3 à 7 sont compatibles et peuvent être combinés. C’est-à-dire qu’il est possible de combiner des rangées amont alignées pour former des lignes, des rangées amont empilées en quinconce ou formant des matrices et/ou un détecteur placé dans le plan focal du télescope en utilisant ou non des fibres de types splitter.

Claims

Système optique d’imagerie hyperspectral (1,2) comprenant:
un système optique dit téléscope (T) permettant de collecter une lumière (L) issue d’une scène à observer (Obj) défilant selon une direction A

un ensemble de fibres optiques, chaque fibre comprenant une extrémité proximale et une extrémité distale, l’extrémité proximale des fibres optiques dudit ensemble étant agencées dans le plan focal image dudit téléscope ( ),
ledit ensemble comprenant une pluralité de sous ensembles (P_i) de fibres optiques identiques, les extrémités proximales (EP) des fibres optiques d’un sous ensemble étant alignées selon une direction B perpendiculaire à ladite direction A et formant une rangée, dite rangée amont (R_am,i), chacun des sous ensemble (P_i) guidant une partie respective (L_i) de la lumière issue de la scène observée vers un spectro-imageur associé (SI_i)comprenant au moins un système optique collimateur (Col), un élément optique dispersif (Disp) selon une direction de dispersion, un système optique imageur (O) et un détecteur (Det) placé dans un plan focal image ( ), dudit système optique imageur
les extrémités distales (ED) des fibres optiques de chaque sous ensemble (P_i) étant agencées dans un plan focal objet ( ) de l’optique de collimation du spectro-imageur associé (SIi) et alignées selon une direction perpendiculaire à ladite direction de dispersion de manière à former une rangée, dite rangée aval (R_av,i), ladite rangée aval consituant une image intermédiaire (PI_i) dont ledit système optique collimateur, ledit élément optique dispersif et ledit système optique imageur du spectro-imageur (SI_i) associé forme une image hyperspectrale (I_i) sur le détecteur du spectro-imageur (SI_i).
Système optique selon la revendication précédente, dans lequel au moins deux rangées amont sont alignées entre elles pour former une ligne, de manière à ce que ladite partie (L_i) de la lumière guidée par chaque sous ensemble de ladite ligne vers un spectro-imageur associé corresponde à un champ de vue (FOV_i) différent.
Système optique selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel au moins deux rangées amonts sont parallèles entre elles et empilées selon la direction A dans le plan focal image dudit télescope.
Système optique selon la revendication précédente, dans lequel une distance ( entre deux rangées amonts adjacentes parallèles est inférieure à une dimension transverse ( des extrémités proximales des fibres desdites rangées amonts.
Système optique selon la revendication 4, dans lequel lesdites rangées amonts sont identiques et les extrémités proximales (EP) de deux rangées amonts adjacentes sont agencées en quinconce, lesdits spectro-imageurs (SI_i) associés auxdites rangées amonts fonctionnant sur une même bande spectrale.
Système optique selon la revendication 4, dans lequel lesdites rangées amonts sont identiques et les extrémités proximales des rangées amont forment une matrice, chaque rangée amont étant ainsi adaptée pour guider une partie (L_i) de la lumière issue de la scène observée correspondant à un champ de vue (FOV_mat) identique.
Système optique selon la revendication précédente, dans lequel lesdits spectro-imageur (SI_i) respectivement associés auxdites rangées amonts fonctionnent sur des bandes spectrale distinctes.
Système optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins un sous ensemble de fibres, dit sous ensemble splitter, est composé de fibres de type « splitter », ladite partie de la lumière guidée par le sous ensemble splitter étant guidée vers au moins deux spectro-imageurs (SI_1’,SI_1’).
Système optique selon la revendication 6, dans lequel ledit ensemble comprend au moins trois sous ensembles formant respectivement trois rangées amonts, ledit système optique comprenant en outre trois polariseurs linéaires présentant des axes de transmission respectifs différents, chacun des polariseurs étant agencés en amont d’une rangée amont différente de manière à polariser ladite partie (L_i) de la lumière issue de la scène observée associée à chaquesous ensemble de manière prédéterminée, ledit système optique comprenant en outre un processeur relié aux spectro-imageurs associés aux rangées amonts de manière à déterminer la polarisation linéaire de la lumière issue de la scène à observer.
Système optique selon la revendication 6, dans lequel ledit ensemble comprend au moins trois sous ensemble formant respectivement trois rangées amonts, ledit système optique comprenant en outre trois polariseurs linéaires présentant des axes de transmission respectifs différents, chacun des polariseurs étant agencés en aval d’une rangée aval différente de manière à polariser ladite partie (L_i) de la lumière issue de la scène observée associée à chaque sous ensemble de manière prédéterminée, lesdites fibres de chacun des trois sous ensemble étant des fibres à maintien de polarisation, ledit système optique comprenant en outre un processeur relié aux trois spectro-imageurs associés de manière à déterminer la polarisation linéaire de la lumière issue de la scène à observer.
Système optique selon la revendication 3, dans lequel une distance ( entre deux rangées amonts adjacentes est supérieure à une dimension transverse ( des extrémités proximales des fibres desdites rangées amonts,
le spectro-imageur associé à chaque rangée amont étant adapté pour acquérir une image hyperspectrale correspondant à un angle de vue de la scène observée différent pour chaque rangée amont.
Système optique selon l’une quelconque des revendications précédente, comprenant au moins un détecteur placé dans le plan focal dudit télescope et agencé pour détecter une partie de la lumière issue de la scène à observer.