Espectrómetro de imagen y método de espectroscopia de imagen.

El espectrómetro de imagen comprende un módulo de formación de imagen (1) para proyectar una imagen de un objeto sobre un módulo de dispersión (2) configurado para captar una franja de dicha imagen y descomponerla en una pluralidad de componentes espectrales,

que son detectadas por un módulo de detección (3). Asociado al módulo de formación de imagen (1) hay al menos un dispositivo dispersor (D, D41, D51) configurado para formar un conjunto de imágenes del objeto desplazadas lateralmente, cada una de ellas correspondiente a una banda espectral diferente, de manera que la franja captada por el módulo (2) de dispersión comprende una pluralidad de componentes espectrales que cada una corresponde a una franja espacial distinta del objeto. La invención también se refiere a un método de espectroscopia de imagen

Espectrómetro de imagen y método de espectroscopía de imagen.

Campo técnico de la invención

La presente invención se enmarca en el ámbito de la espectroscopia de imagen, técnica con la que se pretende determinar el contenido espectral de una escena bidimensional.

Antecedentes de la invención

Los espectrómetros de imagen, también denominados sensores hiperespectrales, son detectores de radiación que proporcionan el espectro de cada uno de los puntos que conforman una escena no homogénea. Dicho de otra forma, proveen una colección continua de imágenes de una escena, cada una de ellas correspondiente a una diferente banda espectral. En su conjunto, esta colección de imágenes se denomina imagen hiperespectral.

Para entender en qué consiste una imagen hiperespectral se la puede comparar con una imagen en color convencional. Una imagen en color puede considerarse como la superposición de tres imágenes tomadas en tres bandas diferentes del espectro visible, típicamente las bandas roja, verde y azul. En cambio, una imagen hiperespectral consiste en un conjunto (decenas o centenas) de imágenes distintas tomadas en bandas espectrales contiguas y estrechas (habitualmente < 10 nm si se toma la longitud de onda como parámetro espectral y se considera el rango espectral visible). Por lo tanto, una imagen hiperespectral corresponde a un cubo de datos con dos dimensiones espaciales y una dimensión espectral. Cada dato de este cubo representa la energía detectada procedente de un punto particular de la escena y correspondiente a una banda espectral determinada.

Los espectrómetros de imagen son ampliamente utilizados en aplicaciones que implican detección remota, pero también se pueden usar en la industria, en medicina o en colorimetría, por citar algunos ejemplos. Con ellos se pueden llevar a cabo tareas tan diversas como cartografías de zonas amplias, identificación y reconocimiento de objetos, detección de blancos, procesos de monitorización y control, diagnosis clínica por imagen o gestión medio- ambiental.

En la actualidad existe una gran variedad de sensores hiperespectrales. Se puede realizar una clasificación de los mismos atendiendo a diversos parámetros, por ejemplo, atendiendo al método que utilizan para adquirir la información espectral y/o al método que utilizan para adquirir la información espacial (R.G. Sellar, G. D. Boreman, Optical Engineering 44, 013602, 2005).

Atendiendo a la adquisición de la información espectral se pueden distinguir tres tipos de sensores:

1. Espectrómetro de filtrado espectral

2. Espectrómetro dispersivo

3. Espectrómetro interferométrico, también denominado espectrómetro de transformada de Fourier

Atendiendo a la adquisición de la información espacial se pueden distinguir cuatro tipos de sensores:

1. Espectrómetro de barrido con campo visual puntual (o cero dimensional)

2. Espectrómetro de barrido con campo visual lineal (o unidimensional)

3. Espectrómetro de barrido con campo visual bidimensional

4. Espectrómetro estático, también denominado espectrómetro de visión fija

Esta nomenclatura puede diferir según la fuente que se consulte.

Basándose en estos dos parámetros, se pueden considerar hasta 12 tipos diferentes de espectrómetros de imagen. Los más frecuentes corresponden o bien al tipo dispersivo y de barrido con campo visual lineal, o bien al tipo de filtrado espectral y de visión fija.

En la patente US-B-6211906 se describe un espectrómetro de imagen de filtrado espectral y de barrido con campo visual bidimensional que contiene dos filtros interferenciales variables, el primero de ellos en el rango visible y el segundo en el rango infrarrojo cercano, acoplados a sendos módulos de imagen.

En la solicitud de patente US-A-2005/0030545 se presenta otro espectrómetro de filtrado espectral y, en este caso, estático, basado en un filtro óptico de Fabry-Perot sintonizable.

En la solicitud de patente EP-A-0509770 se describe un espectrómetro de imagen dispersivo y de barrido con campo de visión puntual que utiliza como dispositivo de muestreo un polígono rotatorio.

En la patente US-A-5768040 se describe un espectrómetro de imagen dispersivo y de barrido con campo de visión lineal constituido principalmente por elementos ópticos concéntricos.

En la patente US-A-5777736 se presenta un espectrómetro de imagen interferométrico y de barrido con campo de visión bidimensional basado en un interferómetro tipo Mach Zehnder.

En la solicitud de patente WO-A-99/06807 se presenta un espectrómetro de imagen interferométrico y estático que contiene un dispositivo birrefringente para variar la diferencia de camino entre los dos brazos del interferómetro.

En otras patentes y documentos se describen numerosos espectrómetros de imagen de uno u otro tipo. No obstante, no se conocen ejemplos de espectrómetros de imagen de filtrado y de barrido con campo visual lineal ni tampoco de espectrómetros de imagen dispersivos y de barrido con campo de visión bidimensional.

La invención se puede considerar como un desarrollo basado en un espectrómetro dispersivo y de barrido con campo visual lineal. En la figura 1 se muestra un dibujo esquemático de este tipo de espectrómetro, que desde un punto de vista operativo consta de tres módulos: un módulo de formación de imagen (1), un módulo de dispersión (2) y un módulo detector (3).

El módulo de formación de imagen (1) está configurado para formar o proyectar una imagen de la muestra sobre el módulo de dispersión (en este contexto, términos como "muestra" u "objeto" deben interpretarse de forma amplia, ya que pueden referirse a una muestra, a un objeto, a una zona, a una escena o a cualquier cosa cuya imagen se está captando y analizando con el dispositivo)). En la entrada del módulo de dispersión se sitúa una rendija (R), u otro dispositivo de selección similar, que solamente transmite o deja pasar la radiación procedente de una línea (o, en realidad, de una franja muy estrecha) de la muestra.

En el módulo de dispersión (2) se separan las diferentes componentes espectrales (?₁, ..., ?_n) de la radiación de forma que cada una de ellas es focalizada en una posición diferente del módulo detector (3). El módulo detector comprende un detector de radiación bidimensional junto con los dispositivos o componentes necesarios para visualizar y procesar la imagen detectada. La rendija (R) está orientada perpendicularmente a la dirección en la que se produce la descomposición espectral, de modo que la imagen en el módulo detector (3) tiene un eje espacial y un eje espectral. Por ejemplo, en la figura 1, la descomposición espectral se produce en el plano del dibujo mientras que la rendija es perpendicular a dicho plano.

El espectrómetro debe realizar un barrido en la otra dimensión espacial de la muestra para construir el cubo de datos. Para ello puede disponer de medios para realizar el barrido, por ejemplo, de un módulo de barrido que puede comprender, por ejemplo, un espejo rotatorio. No obstante, el propio movimiento de la plataforma en la que se sitúa el sensor (por ejemplo, un satélite o un avión) o el movimiento de la escena u objeto cuya imagen se está captando (por ejemplo, en una cadena de producción) puede proveer la acción necesaria para realizar el barrido. Por lo tanto, muchas veces se considera el módulo de barrido como una parte opcional del espectrómetro.

Descripción de la invención

Un primer aspecto de la invención se refiere a un espectrómetro de imagen, que comprende:

un módulo de formación de imagen configurado para recibir radiación proveniente de un objeto (en este contexto, "objeto" se entiende en un sentido amplio, es decir, como cualquier elemento, muestra, zona o similar sobre la que se desea extraer información y cuya imagen se desea captar y procesar) y para proyectar una correspondiente imagen del objeto sobre un módulo de dispersión; y

dicho módulo de dispersión, configurado para captar una franja (básicamente, una franja estrecha, en el caso "ideal", una "línea") de dicha imagen y para descomponer dicha franja en una pluralidad de componentes espectrales de la franja.

En este contexto, el término "módulo" debe entenderse en sentido funcional y no como algo que necesariamente esté estructuralmente separado de los demás módulos.

De...

1. Espectrómetro de imagen, que comprende:

un módulo de formación de imagen (1) configurado para recibir radiación proveniente de un objeto y para proyectar una correspondiente imagen del objeto sobre un módulo de dispersión (2); y

dicho módulo de dispersión (2), configurado para captar una franja de dicha imagen y para descomponer dicha franja en una pluralidad de componentes espectrales (?₁, ?_n) de la franja;

caracterizado porque

además comprende, asociado al módulo de formación de imagen (1), al menos un dispositivo dispersor (D, D41, D51) configurado para formar un conjunto de imágenes del objeto desplazadas lateralmente, cada una de ellas correspondiente a una banda espectral diferente, de manera que la franja captada por el módulo (2) de dispersión comprende una pluralidad de componentes espectrales que cada una corresponde a una franja espacial distinta del objeto.

2. Espectrómetro de imagen según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho dispositivo dispersor (D41, D51) comprende una red de difracción.

3. Espectrómetro de imagen según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho dispositivo dispersor (D41) comprende un prisma.

4. Espectrómetro de imagen según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo dispersor (D41) comprende un prisma y una red de difracción.

5. Espectrómetro de imagen según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo dispersor (D51) consiste en una red de difracción.

6. Espectrómetro de imagen según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo dispersor consiste en un prisma.

7. Espectrómetro según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el módulo de formación de imagen (1) consiste en el dispositivo dispersor (D51).

8. Espectrómetro de imagen según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el módulo de dispersión (2) comprende elementos ópticos refractivos (O42, D42, O43).

9. Espectrómetro de imagen según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el módulo de dispersión (2) comprende elementos ópticos reflectantes (E51, D52, E52).

10. Espectrómetro de imagen según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el módulo de dispersión (2) comprende elementos ópticos difractivos (R, D42, D52).

11. Espectrómetro de imagen según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el módulo de dispersión (2) comprende una rendija (R) configurada para dejar pasar dicha franja de dicha imagen.

12. Espectrómetro de imagen de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque el módulo de dispersión (2) está configurado para descomponer dicha franja en dicha pluralidad de componentes espectrales (?₁, ?_n) de la franja de manera que dichas componentes espectrales se distribuyan según un eje perpendicular a la dirección en la que se extiende dicha rendija (R).

13. Espectrómetro de imagen de acuerdo con la reivindicaciones 11 ó 12, caracterizado porque el módulo de formación de imagen (1) comprende un sistema óptico (D41, O41) sustancialmente idéntico a un sistema óptico del módulo de dispersión (O42, D42), estando estos sistemas ópticos dispuestos de forma simétrica con respecto a la rendija (R).

14. Espectrómetro de imagen según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque además comprende un módulo de detección (3) configurado para detectar dichas componentes espectrales procedente del módulo de dispersión (2) y para componer un conjunto de datos a partir de dichas componentes espectrales, representando dichos datos información espectral y espacial de la imagen.

15. Espectrómetro de imagen según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque además comprende un módulo de barrido (4) configurado para realizar un barrido del objeto para permitir la captación de una serie consecutiva de imágenes espacialmente desplazadas entre sí.

16. Método de espectroscopia de imagen, que comprende:

recibir radiación proveniente de un objeto y proyectar una correspondiente imagen del objeto sobre un módulo de dispersión (2);

en dicho módulo de dispersión (2), captar una franja de dicha imagen y descomponer dicha franja en una pluralidad de componentes espectrales (?₁, ?_n) de la franja; y

detectar dichas componentes espectrales y componer un conjunto de datos a partir de dichas componentes espectrales, de manera que dichos datos representen información espectral y espacial de la imagen;

caracterizado porque

antes de proyectar la imagen sobre el módulo de dispersión (2) se somete la imagen a un paso de dispersión de manera que la imagen se proyecta en forma de un conjunto de imágenes del objeto desplazadas lateralmente, cada una de ellas correspondiente a una banda espectral diferente, de manera que la franja captada por el módulo (2) de dispersión comprende una pluralidad de componentes espectrales que cada una corresponde a una franja espacial distinta del objeto.

17. Método según la reivindicación 16, caracterizado porque dicho paso de dispersión se realiza con un dispositivo dispersor (D41, D51) que comprende una red de difracción.

18. Método según la reivindicación 16, caracterizado porque dicho paso de dispersión se realiza con un dispositivo dispersor (D41) que comprende un prisma.

19. Método según la reivindicación 16, caracterizado porque dicho paso de dispersión se realiza con un dispositivo dispersor (D41) que comprende un prisma y una red de difracción.

20. Método según la reivindicación 16, caracterizado porque dicho paso de dispersión se realiza con un dispositivo dispersor que consiste en un prisma.

21. Método según la reivindicación 16, caracterizado porque el paso de proyectar una imagen del objeto y el paso de dispersión se realizan con un dispositivo dispersor (D51) que consiste en una red de difracción.

22. Método según cualquiera de las reivindicaciones 16-21, caracterizado porque se usa un módulo de dispersión (2) que comprende una rendija (R) configurada para dejar pasar dicha franja de dicha imagen.

23. Método de acuerdo con la reivindicación 22, caracterizado porque en el módulo de dispersión (2) se descompone dicha franja en dicha pluralidad de componentes espectrales (?₁, ?₂) de la franja de manera que dichas componentes espectrales se distribuyan según un eje perpendicular a la dirección en la que se extiende dicha rendija (R).

24. Método de acuerdo con la reivindicaciones 22 o 23, caracterizado porque se usa una pluralidad de elementos ópticos (D41, O41; O42, D42) que comprende al menos una pareja de elementos ópticos (D41, D42; O41, O42) sustancialmente idénticos dispuesta de forma simétrica con respecto a la rendija (R).