IT201600097439A1 - Dispositivo stereo-iperspettrale perfezionato - Google Patents

Description

"Dispositivo stereo-iperspettrale perfezionato " La presente invenzione concerne un dispositivo stereo-iperspettrale perfezionato.

Un dispositivo iperspettrale è uno strumento impiegato per acquisire immagini della superficie dell'oggetto osservato in una molteplicità di canali spettrali, tipicamente 100-200 canali. Per ogni elemento dell'oggetto campionato dallo strumento è pertanto possibile generare il profilo di radianza spettrale, fornendo informazioni sulle proprietà chimico-fisiche della superficie stessa.

Un esempio di un dispositivo iperspettrale è fornito in Fig. 1, in cui l'ottica 100 di acquisizione dell'immagine acquisisce la luce proveniente da una certa porzione dell'oggetto. Un'immagine dell'oggetto viene formata in corrispondenza della fenditura 101, la quale taglia l'immagine lasciando passare solo una parte della stessa. La parte di immagine che passa attraverso la fenditura raggiunge quindi l'ottica dello spettrometro 102, dove viene dispersa nelle varie componenti dello spettro da un reticolo 103 e successivamente viene creata in corrispondenza di un sensore bidimensionale 104. In particolare, lo spettrometro può essere di tipo Offner, ma tale modalità di funzionamento è la stessa indipendentemente dal particolare tipo di spettrometro utilizzato e la dispersione delle componenti spettrali può avvenire anche per mezzo di uno o più prismi.

Generalmente, un dispositivo iperspettrale è installato in una postazione fissa, per acquisire immagini degli oggetti che transitano davanti ad esso (ad esempio per controlli di qualità in linea nel settore della produzione alimentare), oppure è montato a bordo di un veicolo e viene movimentato da quest’ultimo per essere trasportato davanti all'oggetto di indagine, che solitamente è costituito da un edificio o da una porzione di terreno.

In entrambi i casi, comunque, grazie al moto relativo tra il dispositivo e l’oggetto, si riescono ad acquisire immagini bidimensionali dell'oggetto stesso e, inoltre, per ciascun elemento dell'immagine si ottiene il profilo di radianza spettrale. In particolare, alla fine, si ottengono anche mappe tridimensionali del campione, dove due dimensioni sono date dalla geometria dell'oggetto, mentre la terza dimensione è rappresentata dalla lunghezza d'onda della luce acquisita dal dispositivo.

Tuttavia, i dispositivi iperspettrali noti non sono in grado di misurare il profilo di elevazione del terreno, cioè non forniscono informazioni sull'altimetria. Infatti, tale informazione complementare è generalmente fornita da uno strumento separato, tipicamente un laser altimetro oppure una telecamera stereoscopica.

In particolare, la telecamera stereoscopica acquisisce le immagini della medesima porzione di superficie da due direzioni (che di seguito chiameremo canali stereo o stereoscopici) che definiscono tra loro un angolo sufficientemente ampio da consentire la ricostruzione tridimensionale dell'oggetto. Opportunamente, l'angolo di separazione tra i due canali stereoscopici deve essere sufficientemente elevato da permettere un'accurata ricostruzione tridimensionale dell'oggetto.

Più in dettaglio, l’acquisizione stereoscopica può essere eseguita utilizzando svariate soluzioni. Una prima soluzione utilizza due telecamere separate (Fig. 2) che sono montate in maniera tale da acquisire l'immagine dell’oggetto da angolazioni differenti. In particolare, la prima telecamera 200 acquisisce l'immagine di una porzione di oggetto remoto secondo un certo angolo rispetto alla direzione 204, mentre contemporaneamente la seconda telecamera 201 acquisisce l'immagine di una seconda porzione dell’oggetto stesso. Le due immagini sono formate rispettivamente sui due sensori bidimensionali 202 e 203. Avanzando poi lungo la direzione 205 il sistema vede la seconda porzione di oggetto remoto secondo l'angolo della prima telecamera 200 ed in questo modo la stessa porzione di oggetto viene vista in momenti successivi da angoli diversi rispetto alla direzione 204. In questo modo, si esegue quindi la ricostruzione tridimensionale dell'oggetto. Tale sistema richiede una particolare attenzione per la calibrazione dei parametri intrinseci dei due canali separati, nonché della stabilità dell'angolo stereo (che è l’angolo compreso tra le due telecamere 200 e 201), da cui dipende l'accuratezza del modello tridimensionale e che può essere influenzata da fattori ambientali, quali ad esempio le variazioni di temperatura, che agiscono indipendentemente sulle ottiche delle due telecamere. Ulteriormente, questa configurazione richiede obbligatoriamente l’utilizzo di due sensori bidimensionali separati, ciascuno dei quali, benché nominalmente identico all'altro, sarà caratterizzato da una propria curva di risposta fotometrica, da specifici parametri di rumore, da differenti numero e posizione di pixel morti, etc.

Una seconda soluzione nota utilizza due telecamere (Fig. 3), che sono installate invece in maniera tale da avere assi ottici paralleli, e con due ottiche di rimando 206 e 207, che sono costituite da specchi o anche da combinazioni più complesse di specchi o prismi e che sono opportunamente installate di fronte a telecamere, rispettivamente 200 e 201, al fine di riprendere l'oggetto da angolature differenti. Il vantaggio di questa soluzione è che il piano immagine dei due canali è teoricamente coincidente ed è possibile impiegare un unico sensore 208 per acquisire l'immagine da entrambi i canali. Tuttavia, nella pratica, dato che le telecamere sono costituite da elementi ottici differenti e montati separatamente, affinché ciò si verifichi occorre che i margini di tolleranza costruttivi delle telecamere siano tali da assicurare che il piano immagine del sistema assemblato venga a trovarsi entro l'intervallo di profondità di fuoco del sistema stesso.

Una terza nota soluzione utilizza invece un'unica telecamera avente un campo di vista sufficientemente ampio da poter acquisire in fasi successive due immagini della stessa porzione dell’oggetto da angolazioni diverse. Il limite di questa configurazione consiste nel fatto che la telecamera deve essere dotata di un campo di vista compatibile con l'angolo stereo necessario per la ricostruzione tridimensionale (dell'ordine di qualche decina di gradi) e ciò comporta la realizzazione di apparati complessi, pesanti ed ingombranti, nonché l'utilizzo di rivelatori molto ampi e costosi

Una quarta nota soluzione utilizza un’unica telecamera avente un campo di vista piccolo ma dotata di un meccanismo di scansione che permetta di acquisire l'immagine dell’oggetto da angolazioni diverse. Tuttavia, tale soluzione comporta un peggioramento dell'affidabilità del sistema di acquisizione a causa dell'impiego di un meccanismo attivo e della necessità di sincronizzare la scansione con l'acquisizione successiva di più campi di vista.

Una quinta nota soluzione, usata preferibilmente per i satelliti, prevede la modifica dell'assetto del satellite stesso al fine di acquisire immagini della stessa scena da angolazioni differenti. In particolare, questa soluzione sposta il problema della generazione delle immagini stereo a livello dell’intero sistema e richiede pertanto un diverso approccio in termini di progettazione del satellite stesso. Inoltre, tale soluzione non è praticabile nei satelliti che prevedono l'utilizzo di diversi strumenti, di varia natura, che richiedono invece il mantenimento dell'assetto del satellite stesso (ad esempio, le sonde di esplorazione del Sistema Solare devono mantenere il puntamento dell'antenna di comunicazione verso la Terra).

Una sesta nota soluzione (Figg. 4 e 5) utilizza invece una coppia di elementi ottici, rispettivamente 302, 502 e 303, 503, che rimandano i rispettivi campi di vista 300,500 e 301,501, verso un'unica ottica 306,506, avente un campo di vista inferiore all'angolo stereo. In particolare, i due canali stereo possono utilizzare l'intero stop di apertura 307 della lente (Fig. 4) oppure due sotto-aperture 504 e 505 dello stop medesimo (Fig. 5). In entrambi i casi i due canali stereo condividono lo stesso rivelatore (sensore).

In particolare, quest’ultima soluzione presenta un duplice vantaggio rispetto alle altre sopra citate, in quanto:

- non è necessario impiegare un'ottica con un campo di vista pari all'intero campo di vista stereoscopico, che è dato dall'angolo compreso tra i due canali stereo 300,500, e 301,501, alla quale si somma l'ampiezza angolare di ciascun canale stereo;

- i due canali stereoscopici condividono una parte considerevole del cammino ottico e, di fatto, l'unica parte non in comune è proprio costituita dagli elementi ottici di rimando 302,502 e 303,503; vantaggiosamente, in questo modo l'intero sistema opto-meccanico risulta più stabile e la ricostruzione tridimensionale del profilo altimetrico dell’oggetto è più accurata.

Inoltre, sia nella forma di realizzazione rappresentata in Fig. 4 che in quella rappresentata in Fig. 5, l'orientamento della telecamera stereo rispetto alla direzione di moto del mezzo è quello indicato in Fig. 6: il primo canale 300,500, acquisisce una porzione di terreno 401 posta a monte rispetto alla direzione di moto, mentre il secondo canale 301,501, acquisisce una porzione di suolo 402 posta a valle rispetto alla direzione di moto. Inoltre, il movimento del mezzo 400 di trasporto del sensore è opportunamente controllato in modo che la medesima porzione di suolo sia acquisita dai due canali in istanti successivi, fornendo così le mappe da cui ricavare il modello tridimensionale. Questo metodo di acquisizione è detto “push-frame”, in quando ad ogni ciclo registra l'immagine di una intera porzione di suolo.

Tuttavia, in tutte le note soluzioni qui richiamate, l'informazione spettrale non viene acquisita oppure è relativa a poche bande dello spettro, generalmente da poche unità fino a circa 10-20 bande spettrali.

Scopo dell’invenzione è di realizzare un dispositivo stereoiperspettrale perfezionato che superi gli inconvenienti delle soluzioni note e fornisca allo stesso tempo sia l’informazione spettrale sia la ricostruzione tridimensionale di un oggetto.

Altro scopo dell’invenzione è di realizzare un dispositivo che fornisca l’informazione spettrale e la ricostruzione tridimensionale di un oggetto, in particolare di un campione di suolo, mediante un unico sensore.

Altro scopo dell’invenzione è di realizzare un dispositivo che abbia una caratterizzazione alternativa, sia in termini costruttivi che funzionali, rispetto alle soluzioni tradizionali.

Altro scopo dell’invenzione è di realizzare un dispositivo che sia realizzabile in modo semplice, rapido e con bassi costi.

Questi scopi ed altri che risulteranno dalla descrizione che segue sono raggiunti, secondo l'invenzione, con un dispositivo stereo-iperspettrale perfezionato con le caratteristiche indicate nella rivendicazione 1.

La presente invenzione viene qui di seguito ulteriormente chiarita in una sua preferita forma di pratica realizzazione, riportata a scopo puramente esemplificativo e non limitativo con riferimento alle allegate tavole di disegni, in cui:

la figura 1 illustra schematicamente il principio di funzionamento di un dispositivo rivelatore iperspettrale di tipo noto,

la figura 2 mostra una prima soluzione, di tipo noto, per l’acquisizione stereoscopica di un’immagine con l’utilizzazione di un dispositivo, la figura 3 mostra una seconda soluzione, di tipo noto,

la figura 4 mostra una prima forma di realizzazione di un’altra soluzione, di tipo noto, sopra descritta, per l’acquisizione stereoscopica, la figura 5 la mostra in una differente forma di realizzazione,

la figura 6 mostra come, nello stato dell’arte, il moto del sistema di acquisizione consente di visualizzare in tempi successivi la stessa porzione di suolo da due angoli diversi,

la figura 7 mostra come, nello stato dell'arte, le porzioni di suolo siano proiettate sul piano immagine,

la figura 8 mostra come, nello stato dell’arte, le immagini di due canali stereoscopici sono disperse da uno spettrografo,

la figura 9 mostra in vista schematica una prima forma di realizzazione del dispositivo secondo la presente invenzione,

la figura 10 lo mostra in una seconda forma di realizzazione,

la figura 11 lo mostra in una terza forma di realizzazione,

la figura 12 lo mostra in una quarta forma di realizzazione,

la figura 13 mostra in vista schematica la proiezione dell’oggetto sul piano immagine a seguito dell’azione del rotatore di campo,

la figura 14 mostra la dispersione spettrale sullo spettrometro nel dispositivo secondo l’invenzione,

la figura 15 mostra l’estensione del campo di vista corretto nella soluzione secondo l’invenzione,

la figura 16 mostra l’estensione del campo di vista corretto in una soluzione, di tipo noto, che utilizza due fenditure separate e sovrapposte lungo la direzione del lato corto.

Con riferimento alle figure da 9 a 12, il dispositivo stereo-iperspettrale perfezionato 700 secondo l’invenzione comprende sostanzialmente un banco ottico 824, all’interno del quale sono alloggiati e montati un sistema ottico per l’acquisizione stereo, indicato complessivamente con il numero di riferimento 850, ed uno spettrometro, indicato complessivamente con il numero di riferimento 860.

Il sistema ottico per l’acquisizione stereo 850 comprende:

- una prima pre-ottica che riceve, da un primo canale stereoscopico 800, una immagine di una prima porzione di un oggetto,

- una seconda pre-ottica che riceve, da un secondo canale stereoscopico 809, una immagine di una seconda porzione del medesimo oggetto, - un obiettivo 802, 831, 832, comune per entrambe le pre-ottiche od uno per ciascuna di queste, che è configurato per formare le corrispondenti immagini delle due differenti porzioni di oggetto su un piano immagine comune 822,

- un primo rotatore di campo 808, 838, che è posizionato a monte di detto piano di immagine comune 822, per ruotare rispetto alla direzione di incidenza il campo di vista dell’immagine della prima porzione,

- un secondo rotatore di campo 811, 837, che è posizionato a monte di detto piano di immagine comune 822, per ruotare rispetto alla direzione di incidenza il campo di vista dell’immagine della seconda porzione,

- una fenditura 815 che è definita sul piano di immagine comune 822 e che comprende un’unica apertura dalla quale fuoriescono, da due parti distinte, le immagini della prima e della seconda porzione dell’oggetto.

Opportunamente, la prima e la seconda pre-ottica comprendono rispettivamente una prima ottica di rimando 801 ed una seconda ottica di rimando 810.

In particolare, nella prima forma di realizzazione, rappresenta in fig. 9, il sistema ottico per l’acquisizione stereo 850 comprende:

- la prima ottica di rimando 801, che è associata al primo canale stereoscopico 800 in modo che la luce proveniente dalla prima porzione di oggetto remoto venga reindirizzata verso il primo rotatore di campo ottico - la seconda ottica di rimando 810, che è associata al secondo canale stereoscopico 809 in modo che la luce proveniente dalla seconda porzione dello stesso oggetto remoto venga reindirizzata verso il secondo rotatore di campo ottico 811.

Sia il primo che il secondo rotatore di campo 808, 811, che ricevono la luce proveniente dalle rispettive ottiche di rimando 801, 810, ruotano il campo di vista di 90° rispetto alla direzione di incidenza (fig. 9) e poi, entrambi, inviano la luce verso lo stesso obiettivo 802.

In particolare, i rotatori di campo 808, 811 possono essere costituiti da prismi di Dove, ma in generale è possibile impiegare qualunque elemento o combinazione di elementi ottici noti in grado di ruotare il campo di vista della quantità voluta. Più in dettaglio, a titolo esemplificativo e non limitativo, i rotatori di campo utilizzabili comprendono il prisma di Dove, il prisma di Pechan, il prisma di Schmidt, il prisma di Abbe, il prisma di Dove-Schmidt, il blocco di Vee, il rotatore di Räntsch, una combinazione di specchi nota come k-mirror, una combinazione di lenti cilindriche.

Le ottiche di rimando della luce 801,810 possono essere implementate mediante un prisma, ma in generale possono essere realizzate attraverso una qualsiasi opportuna combinazione di specchi o prismi.

L’obiettivo 802 riceve la luce proveniente dalla prima porzione dell’oggetto remoto e passante per la prima ottica di rimando 801 ed il primo rotatore di campo 818 e, contemporaneamente, riceve altresì la luce proveniente dalla seconda porzione dello stesso oggetto remoto e passante per la seconda ottica di rimando 810 ed il secondo rotatore di campo 811.

Inoltre, l’obiettivo 802 è configurato per formare le corrispondenti immagini delle due differenti porzioni di oggetto nel piano immagine comune 822.

Più in dettaglio, l’obiettivo 802 può essere costituito ad esempio da una sequenza di lenti 803, 804, 805, 806 e 807. All’interno dell’obiettivo 802, la luce del primo canale stereoscopico 800 passa attraverso una prima sottoapertura 813 ricavata nello stop di apertura 812 mentre la luce del secondo canale stereoscopico 809 passa attraverso una seconda sotto-apertura 814, anch’essa ricavata nello stop di apertura 812.

Sul piano immagine comune 822 è prevista una fenditura 815 che comprende un'unica apertura. In particolare, l’apertura 815 è definita sul piano immagine comune 822 in modo tale da ricevere, su una sua prima parte, l'immagine della prima porzione dell’oggetto remoto e, su una sua seconda parte, che è distinta dalla prima, l'immagine della seconda porzione di detto oggetto remoto.

Il sistema ottico per l’acquisizione stereo 850 è montato su appositi supporti meccanici 816-823 che fissano opportunamente gli elementi ottici al banco ottico 824. Opportunamente, è inteso che il montaggio e supporto dei singoli componenti del sistema ottico per l’acquisizione stereo 850 è effettuato utilizzando le tecniche e gli accorgimenti costruttivi più opportuni tra quelli già noti ed utilizzati nel contesto dei sistemi opto-meccanici.

La seconda forma di realizzazione, rappresentata in fig. 10, comprende tutte le caratteristiche, sia essenziali che preferenziali, della prima forma di realizzazione, ad eccezione del fatto che il primo ed il secondo rotatore di campo 808, 811, che ricevono la luce proveniente dalle rispettive ottiche di rimando 801, 810 e ruotano il campo di vista di 90°, inviano la luce verso due obiettivi distinti, rispettivamente 832 e 831, uno per ciascun canale stereoscopico 800, 809.

Più in dettaglio, in questa seconda forma di realizzazione, il primo obiettivo 832 riceve la luce, che proviene dalla prima porzione dell’oggetto remoto, passa attraverso la prima ottica di rimando 801 ed il primo rotatore di campo 808 e forma l'immagine di tale prima porzione dell’oggetto remoto sul piano immagine comune 822. Il secondo obiettivo 831, invece, riceve la luce, che proviene dalla seconda porzione dell’oggetto remoto, passa attraverso la seconda ottica di rimando 810 ed il secondo rotatore di campo 811, e forma l'immagine di questa seconda porzione dell’oggetto remoto sul medesimo piano immagine 822 del primo obiettivo 832.

Anche in questa forma di realizzazione, sul piano immagine comune 822 è prevista una fenditura 815, che comprende un'unica apertura. In particolare, l’apertura della fenditura 815 riceve su una sua prima parte l'immagine della prima porzione dell’oggetto remoto e su una sua seconda parte, distinta dalla prima, l’immagine della seconda porzione del medesimo oggetto remoto.

Inoltre, opportunamente, l’apertura della fenditura 815 tronca le rispettive immagini così ricevute. In sostanza, la fenditura 815 seleziona solo una porzione delle corrispondenti immagini che provengono dai due canali stereoscopici, porzione che viene poi dispersa dallo spettrometro 860 nelle sue varie componenti spettrali, come meglio descritto qui di seguito.

La terza forma di realizzazione, rappresentata in fig. 11, comprende tutte le caratteristiche, sia essenziali che preferenziali, della seconda forma di realizzazione, ad eccezione del fatto che tra le ottiche di rimando 801, 810 ed i corrispondenti obiettivi 832, 831 non sono previsti i rotatori di campo 808, 811. In particolare, in questa terza forma di realizzazione, tra gli obiettivi 831 e 832 e la fenditura 815, prevista sempre sul piano immagine comune 822 di questi obbiettivi, sono previsti due rotatori di campo 837 e 838, uno per ciascun obiettivo.

Opportunamente, i rotatori di campo 837 e 838 comprendono prismi adeguati ad un utilizzo in luce focalizzata, come ad esempio i prismi di Pechan.

Inoltre, il treno ottico posizionato a valle degli obiettivi 831 e 832 comprende elementi ottici di rinvio e, più in particolare, gli elementi 833 e 834 per il primo canale stereoscopico 800 e gli elementi 835 e 836 per il secondo canale stereoscopico 801. Opportunamente, tali elementi sono inseriti per ridurre la distanza tra le immagini dei due canali stereoscopici 800, 809 che si formano nel piano immagine comune 822, dove è posizionata la fenditura 815, in quanto altrimenti tale distanza tra le immagini sarebbe troppo elevata a causa degli ingombri degli obiettivi 831 e 832. Preferibilmente, questi elementi ottici di rinvio 833, 834, 835 e 836 comprendono coppie di prismi a tetto.

Più in dettaglio, in questa terza forma di realizzazione, il primo obiettivo 832 riceve la luce, che proviene dalla prima porzione dell’oggetto remoto e che passa attraverso la prima ottica di rimando 801, e la invia al primo rotatore di campo 838 che, ruota il campo di vista di 90° alla direzione di incidenza, ed a sua volta invia la luce verso il piano immagine 882 in modo da formare su quest’ultimo l'immagine di tale prima porzione dell’oggetto remoto.

Il secondo obiettivo 831 riceve la luce, che proviene da una seconda porzione dell’oggetto remoto e che passa attraverso la seconda ottica di rimando 810, e la invia al secondo rotatore di campo 837 che, ruota il campo di vista di 90° rispetto alla direzione di incidenza, ed a sua volta invia la luce sempre verso il medesimo piano immagine 822 in modo da formare su quest’ultimo l'immagine della seconda porzione dell’oggetto remoto.

Anche in questa forma di realizzazione, sul piano immagine comune 822 dei due obiettivi 831 e 832 è prevista una fenditura 815 che comprende un'unica apertura. In particolare, l’apertura della fenditura 815 riceve su una sua prima parte l'immagine della prima porzione dell’oggetto remoto e su una sua seconda parte, distinta dalla prima, l'immagine della seconda porzione del medesimo oggetto remoto. Inoltre, opportunamente, come sopra descritto, l’apertura della fenditura 815 tronca le rispettive immagini così ricevute in modo da selezionare in ciascuna solo una porzione.

La quarta forma di realizzazione, rappresentata in fig. 12, comprende tutte le caratteristiche, sia essenziali che preferenziali, della terza forma di realizzazione, ad eccezione del fatto che ha un unico obiettivo 802 per entrambi i canali stereoscopici 800, 809. Preferibilmente, come nella prima forma di realizzazione di fig. 9, l’obiettivo 802 può comprendere una opportuna sequenza di lenti 803, 804, 805, 806 e 807.

In particolare, tra l’obiettivo 802 e la fenditura 815, prevista sempre sul piano immagine comune 822 dell’obiettivo, sono previsti due rotatori di campo 837 e 838, uno per ciascun canale stereoscopico 800, 809. Opportunamente, i rotatori di campo 837 e 838 comprendono prismi adeguati ad un utilizzo in luce focalizzata, come ad esempio i prismi di Pechan.

Più in dettaglio, in questa quarta forma di realizzazione, l’obiettivo 802 riceve la luce proveniente dalla prima porzione dell’oggetto remoto e passante attraverso la prima ottica di rimando 801 e, contemporaneamente, riceve la luce proveniente dalla seconda porzione dello stesso oggetto remoto e passante attraverso la seconda ottica di rimando 810, ed è configurato per inviare le corrispondenti immagini rispettivamente al primo rotatore di campo 838 ed al secondo rotatore di campo 837. Questi ruotano i corrispondenti campi di vista di 90° rispetto alle rispettive direzioni di incidenza ed inviano la luce verso il medesimo piano immagine 822 in modo da formare su quest’ultimo le immagini sia della prima che della seconda porzione dell’oggetto remoto.

Anche in questa forma di realizzazione, sul piano immagine comune 822 dell’obbiettivo 802 è prevista una fenditura 815 che comprende un'unica apertura. In particolare, l’apertura della fenditura 815 riceve su una sua prima parte l'immagine della prima porzione dell’oggetto remoto e su una sua seconda parte l'immagine della seconda porzione del medesimo oggetto remoto.

Vantaggiosamente, il primo rotatore di campo 808 o 838 ed il secondo rotatore di campo 810 o 837comprendono un elemento ottico atto ad operare in condizione di luce collimata o in condizione di luce convergente o divergente.

Vantaggiosamente, in una forma di realizzazione qui non rappresentata, il primo rotatore di campo 808 o 838 comprende detta prima ottica di rimando ed il secondo rotatore di campo 810 o 837 comprende detta seconda ottica di rimando.

Vantaggiosamente, nel caso di obiettivo con due o più elementi ottici in sequenza, il primo rotatore di campo 808 o 838 ed il secondo rotatore di campo 810 o 837 sono posizionati tra due elementi ottici successivi dell’obiettivo stesso.

In tutte le forme di realizzazione del sistema ottico per l’acquisizione stereo 850, la luce selezionata dalla fenditura 815, che è sempre definita da un'unica apertura, viene poi inviata allo spettrometro 860.

In particolare, lo spettrometro 860 è posizionato in modo tale da ricevere sia l’immagine della prima porzione dell’oggetto remoto, che passa attraverso la prima parte dell’apertura della fenditura 815, sia l'immagine della seconda porzione dello stesso oggetto remoto, che passa attraverso la seconda parte dell’apertura della fenditura 815.

Vantaggiosamente, lo spettrometro 860 può essere di tipo Offner e comprendere un primo specchio 825, che proietta le immagini ricevute dalla fenditura 815 su un reticolo 826 che, dopo aver disperso la luce nelle sue differenti lunghezze d'onda, la reinvia al primo specchio 825. Da qui le immagini selezionate dalla fenditura 815, scomposte nelle differenti lunghezze d'onda, sono inviate ad un rivelatore bidimensionale 827, collegato ad un’unità di controllo ed elaborazione 828.

In particolare, il rivelatore bidimensionale 827 riceve in ingresso sia le immagini selezionate dalla prima parte della fenditura 815 e relative alla prima porzione dell’oggetto remoto, sia le immagini selezionate dalla seconda parte della fenditura 815 e relative alla seconda porzione dell’oggetto remoto, e fornisce in uscita un’immagine bidimensionale diffratta di queste due porzioni.

Vantaggiosamente, anche i componenti dello spettrometro 860 sono alloggiati all’interno del banco ottico 824 e sono associati a questo mediante mezzi di supporti meccanici 829 e 830.

È inteso che lo spettrometro 860 può essere anche di altre tipologie, ad esempio può essere di tipo Dyson.

Da quanto detto risulta chiaramente che il dispositivo perfezionato secondo l'invenzione si presenta particolarmente vantaggioso in quanto consente di acquisire contemporaneamente sia l’informazione spettrale sia la ricostruzione tridimensionale di un oggetto e, vantaggiosamente, consente di generare un ipercubo di dati che comprende le caratteristiche dell’oggetto nelle tre direzioni spaziali ed una quarta dimensione definita dalla lunghezza d'onda di emissione della radiazione proveniente dall’oggetto stesso.

La presente invenzione prevede che entrambi i canali stereoscopici 800, 809 siano accoppiati allo spettrometro 860 mediante un’unica apertura definita nel piano di fenditura 815, mentre in US 8823932 ciascun canale stereoscopico è accoppiato allo spettrometro mediante una specifica e distinta apertura nel piano di fenditura. Infatti, in US 8823932, i due canali stereoscopici, attraverso gli specchi di rimando, si interfacciano a due aperture distinte. Tuttavia, in questo modo, le due aperture si trovano rispetto allo spettrometro in posizioni tali per cui la dispersione operata dal reticolo di diffrazione tende a sovrapporre gli spettri delle immagini provenienti dalle due aperture. Per evitare ciò, in US 8823932 si utilizzano degli opportuni filtri (prismi ottici) che evitano appunto la contaminazione e la sovrapposizione degli spettri. Tali filtri non sono né previsti né sono in alcun modo richiesti nella presente invenzione.

Il fatto che, nella presente invenzione, per acquisire due immagini stereo e per disperdere in lunghezza d’onda il segnale di entrambi i canali mediante un unico spettrografo, si utilizzi un’unica fenditura con un’apertura continua si configura come una soluzione ottimale in termini di sfruttamento del campo corretto, ed è quindi una soluzione più vantaggiosa rispetto all’utilizzo di due distinte fenditure con due aperture separate. Infatti, più in dettaglio, come rappresentato in Fig. 15, considerando il campo di vista indicato dal cerchio con il numero di riferimento 900, la soluzione secondo la presente invenzione presenta:

- un'unica fenditura 910 di lunghezza “f, metà della quale usata per un canale stereoscopico, l'altra metà per il secondo canale stereoscopico, - una dispersione spettrale che avviene in direzione perpendicolare al lato corto della fenditura 910 e che individua, all'interno del campo, l'area 950; in particolare, normalizzando ad 1 il raggio del campo corretto e considerando che 0 < l < 1 si ha che l'estensione del campo di vista corretto (cioè l’area 950) è pari ad: Ai = 2 l (1 - 1<2>/4)<1/2>

A parità di campo di vista 900 e di qualità ottica per ciascun canale stereoscopico, una soluzione differente dalla presente invenzione, cioè senza rotatori di campo, così come rappresenta in Fig. 16, deve necessariamente utilizzare due fenditure distinte 920 e 930, ciascuna avente lunghezza pari alla metà della fenditura 910. La dispersione spettrale, che avviene lungo la medesima direzione, individua un’area 940 'del campo corretto ’ di estensione pari ad A2= l (1 - 1<2>/16)<1/2>

Il rapporto tra le due aree 950 e 940 varia tra 2 (con l =0) fino a circa 1.8 ed indica che, a parità di campo di vista 900, la soluzione secondo la presente invenzione consente di ottenere un intervallo di dispersione spettrale superiore di almeno 80% rispetto ad una soluzione che presenta due distinte fenditure con due aperture separate.

Inoltre, si noti che in US 8823932, la sovrapposizione degli spettri deriva dalla disposizione geometrica delle aperture della fenditura, e non dal particolare tipo di spettrografo impiegato. Infatti, come illustrato in Fig. 7, un sistema ottico di acquisizione secondo US 8823932, che si muove secondo la direzione di moto 504, forma nel piano immagine 501 una prima immagine 505 ed una seconda immagine 502, le quali corrispondono rispettivamente alla porzione di terreno 503 ed alla porzione di terreno 502 nel piano oggetto 500. L'utilizzo delle due aperture è necessaria conseguenza dell'orientamento delle due immagini 505 e 506 rispetto alla direzione di moto 504 e, pertanto, la dispersione dell'immagine delle due aperture ottenuta mediante uno spettrografo risulta come quella di Fig. 8. In particolare, nel piano immagine dello spettrografo, piano che è definito dall’asse spaziale 600 e dall’asse delle lunghezze d’onda 601, l'immagine 505 è dispersa secondo l'andamento 603, mentre l'immagine 506 è dispersa secondo l’andamento 602.

Di contro, nella presente invenzione, la presenza dei rotatori di campo 808, 811, 837 e 838 consente di ottenere quanto rappresentato nelle Figg. 13 e 14. In particolare, la loro presenza fa in modo che la fenditura 815, che comprende una singola apertura, sia orientata rispetto alla direzione di moto in modo da consentire sempre la dispersione delle immagini acquisite dai due canali stereoscopici, ma senza provocare alcuna sovrapposizione dei loro spettri.

La presente invenzione è stata illustrata e descritta in una sua preferita forma di realizzazione, ma si intende che varianti esecutive potranno ad essa in pratica apportarsi, senza peraltro uscire dall'ambito di protezione del presente brevetto per invenzione industriale.

Claims (12)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Dispositivo stereo-iperspettrale perfezionato per la generazione contemporanea di immagini iperspettrali e tridimensionali di un oggetto caratterizzata dal fatto di comprendere un sistema ottico per l’acquisizione stereo (850) con: - una prima pre-ottica (801) che riceve una immagine di una prima porzione (801) di un oggetto, - una seconda pre-ottica (810) che riceve una immagine di una seconda porzione (809) di detto oggetto, - almeno un obiettivo (802, 831, 832) configurato per formare le corrispondenti immagini delle due differenti porzioni di oggetto in un piano immagine comune (822), - un primo rotatore di campo (808, 838), posizionato a monte di detto piano di immagine comune (822), per ruotare rispetto alla direzione di incidenza il campo di vista dell’immagine di detta prima porzione, - un secondo rotatore di campo (808, 838), posizionato a monte di detto piano di immagine comune (822), per ruotare rispetto alla direzione di incidenza il campo di vista dell’immagine di detta seconda porzione, - una fenditura (815) che è definita su detto piano di immagine comune (822) e che comprende un’unica apertura dalla quale fuoriescono, in corrispondenza di due parti distinte di detta apertura, le immagini della prima e della seconda porzione, e dal fatto che detto dispositivo comprende altresì: - uno spettrometro (860) che è posizionato per ricevere le immagini, della prima porzione e della seconda porzione di detto oggetto, che sono passate attraverso l’apertura della fenditura (815), ed è altresì configurato per scomporre tali immagini nelle differenti lunghezze d'onda, - un rivelatore bidimensionale (827) che riceve le immagini, della prima e della seconda porzione dell’oggetto, che sono state scomposte nelle differenti lunghezze d’onda da detto spettrometro, ed è altresì configurato per fornire in uscita un’immagine bidimensionale, scomposta nelle differenti lunghezze d’onda, di dette due porzioni.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sistema ottico per l’acquisizione stereo comprende un unico obiettivo (802) che riceve le immagini sia di detta prima porzione (801) di detto oggetto che di detta seconda porzione (809) dell’oggetto.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sistema ottico per l’acquisizione stereo comprende due obiettivi distinti (831, 832), un primo obiettivo (832) che riceve l’immagine di detta prima porzione (801) di detto oggetto ed un secondo obiettivo (831) che riceve l’immagine di detta seconda porzione (809) dell’oggetto.
4. 4. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo rotatore di campo (808, 838) e detto secondo rotatore di campo (810, 837) comprendono un elemento ottico atto ad operare in condizione di luce collimata.
5. 5. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo rotatore di campo (808, 838) e detto secondo rotatore di campo (810, 837) comprendono un elemento ottico atto ad operare in condizione di luce convergente o divergente.
6. 6. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo rotatore di campo (808, 838) è posizionato tra detta prima pre-ottica (801) e detto almeno un obiettivo (802, 831, 832) e dal fatto che detto secondo rotatore di campo (810, 837) è posizionato tra detta seconda pre-ottica (810) e detto almeno un obiettivo (802, 831, 832).
7. 7. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo rotatore di campo (808, 838) è posizionato a monte di detta prima pre-ottica (801) e dal fatto che detto secondo rotatore di campo (810, 837) è posizionato a monte di detta seconda pre-ottica (810).
8. 8. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo rotatore di campo (808, 838) e detto secondo rotatore di campo (810, 837) sono posizionati tra detto almeno un obiettivo (802, 831, 832) e detto piano di immagine comune (22) sul quale è posizionata detta fenditura (815).
9. 9. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta prima pre-ottica comprende detto primo rotatore di campo (808, 838) e dal fatto che detta seconda pre-ottica comprende detto secondo rotatore di campo (810, 837).
10. 10. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto almeno un obiettivo (802, 831, 832) comprende una sequenza di almeno due elementi ottici e dal fatto che detto primo rotatore di campo (808, 838) e detto secondo rotatore di campo (810, 837) sono posizionati tra detti almeno due elementi ottici di detto almeno un obiettivo (802, 831, 832).
11. 11. Metodo per la generazione contemporanea di immagini iperspettrali e tridimensionali di un oggetto caratterizzato dal fatto che utilizza un dispositivo stereo-iperspettrale perfezionato secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.
12. 12. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che, sulla base di dette immagini iperspettrali e tridimensionali di detto oggetto, si genera almeno un ipercubo di dati quadridimensionali comprendenti sia l'informazione spaziale tridimensionale di detto oggetto sia la distribuzione spettrale per ogni elemento dell'immagine tridimensionale così generata.