Espectrómetro reproductor especialmente para la exploración a distancia.

Espectrómetro reproductor para generar una imagen desdoblada espectralmente,

con una rendija (10) para dejar pasar la luz emitida por un objeto, con un camino óptico para los rayos de luz que han atravesado la rendija en donde el camino óptico presenta consecutivamente:

un primer prisma (11, 22) para generar una disociación espectral de un rayo de luz que lo atraviesa, en donde la superficie exterior (11b, 22b) del primer prisma situada aguas abajo en el camino óptico está azogada de manera que los rayos de luz se reflejan en la superficie exterior azogada del primer prisma y atraviesan en un segundo paso el primer prisma con otra disociación espectral;

como minimo un espejo (12) con una superficie exterior (12a) curvada para reflejar un rayo de luz que regresa del primer prisma (11, 22), y

como minimo un segundo prisma (13, 25) en el que se desvía la luz reflejada en el espejo (12) para generar otra disociación espectral de un rayo de luz, en donde la superficie exterior (13b, 25b) del segundo prisma situada aguas abajo en el camino óptico está azogada, de manera que los rayos de luz se reflejan en la superficie exterior azogada del segundo prisma y atraviesan en un segundo paso el segundo prisma con otra disociación espectral, hasta que quedan enfocados sobre una superficie imagen (16) en la que forman una imagen descompuesta espectralmente de la rendija (10),

en donde cada prisma presenta dos superficies exteriores curvadas y el centro de la rendija (10), los puntos centrales de curvatura de las superficies reflectantes (12a, 11b, 13b) así como el centro de la imagen de rendija (16) están situados esencialmente a lo largo de una línea.

Espectrómetro reproductor especialmente para la exploración a distancia

El Invento se refiere a un espectrómetro reproductor especialmente para la exploración a distancia.

En la figura 8 está representada una disposición conocida por la solicitante por un espectrómetro reproductor en la exploración a distancia soportada ópticamente para la aviación y espacial. La disposición comprende un telescopio 1 que presenta varios espejos 1a, 1b, 1c, una rendija 2 y un espectrómetro 3. El espectrómetro 3 comprende habitualmente un colimador 4a, 4b, 4c para generar luz paralela, una disposición de prismas 5 y un decolimador 6a, 6b, 6c, que enfoca la imagen sobre un detector 7. El detector 7 está construido como un detector matricial, por ejemplo como cámara CCD con numerosas filas y columnas. El telescopio 1 puede estar colocado, por ejemplo, en un satélite que se mueve sobre la superficie de la tierra en una dirección de movimiento predeterminada. Con el telescopio 1 se toma una imagen de una zona de la superficie de la tierra y mediante la rendija 2 se elige una estrecha franja de la zona. Esta franja es reproducida sobre una fila del detector matricial 7. Con ayuda del espectrómetro 3 interconectado adicionalmente en medio la luz se descompone espectralmente en la segunda dimensión (en la dirección del movimiento del satélite) y simultáneamente se graba. Mediante el movimiento del satélite, con iluminación y selección suficientemente rápidas de detector matricial, se puede entonces elaborar una imagen interdependiente de la zona sobrevolada, descompuesta simultáneamente en sus componentes espectrales.

La descomposición espectral se produce en el ejemplo representado en la figura 8 mediante un prisma con superficies planas. Sin embargo se conocen diferentes ejecuciones de espectrómetros reproductores.

Por ejemplo, en X. Prieto-Blanco et al., Analytical Design of an Offner Imaging Spectrometer, OPTIC EXPRESS, Vol. 14, N° 20, 2 Octubre 2006, Págs. 9156 - 9168 se describe una configuración Offner para un espectrómetro reproductor. Ésta está compuesta por una rendija, dos espejos cóncavos y una rejilla de difracción situada entre ellos y que se apoya en un espejo cóncavo. Este espectrómetro tiene una construcción concéntrica y con ello una forma constructiva compacta así como errores de reproducción pequeños. Sin embargo, debido al pequeño coeficiente de difracción de la rejilla existen altas pérdidas de transmisión, especialmente con instrumentos con alto ancho de banda espectral. Además la transmisión es dependiente de la polarización. A esto hay que añadir luz parásita en la rejilla y la formación de ecos debido a órdenes de difracción o difracción múltiple superiores.

Un espectrómetro de prismas posee una disposición de prismas como se muestra en la figura 8, que presenta un único prisma o una combinación de prismas con superficies frontales planas. Al contrario que en un espectrómetro Offner, posee alta transmisión sobre una ancha zona espectral con simultánea baja sensibilidad a la polarización. Esta disposición de espectrómetro es adecuada para sistemas con altas exigencias en luz parásita. Las desventajas vienen dadas por la característica de dispersión no lineal y por errores de distorsión, como indicado por Smile y Keystone. Especialmente los efectos últimamente mencionados plantean a menudo grandes problemas en la observación de la tierra utilizando apoyo de satélites. Debido a las dimensiones relativamente grandes, este espectrómetro tiene también un gran peso lo cual es desfavorable para las aplicaciones en satélites.

Los espectrómetros de prismas con superficies de prismas curvadas presentan una forma constructiva compacta. Por el documento WO 98/37389 se conoce un espectrómetro reproductor el cual presenta tres superficies exteriores reflectantes curvadas y un camino óptico entre el objeto y la imagen, que contiene reflexiones en las tres superficies exteriores reflectantes curvadas. El espectrómetro contiene además elementos de dispersión con superficies exteriores curvadas. Este espectrómetro presenta un diseño concéntrico similar al del espectrómetro Offner.

El tamaño del espectrómetro viene en general determinado por el tamaño exigido de la separación espectral en el detector y las exigencias de su linealidad. El espectrómetro conocido puede ser construido con dimensiones más pequeñas como un espectrómetro de prismas con superficies exteriores de los prismas planas. Las dimensiones son sin embargo mayores que en los espectrómetros Offner con rejilla comparables.

El documento US-A-5859702 describe un dispositivo para un análisis espectral en donde mediante una rejilla de difracción se separan los órdenes espectrales unos de otros. Para ello en el camino óptico se colocan dos prismas recorridos dos veces así como una rejilla de dispersión situada entre ellos.

El documento DE 521 487 C describe un monocromador doble que hace posible, con una disposición de una placa de hendidura, lentes y prismas, el filtrar la radiación parásita así como la radiación de longitud de onda no deseada.

En LOBB DR. "Imaging Spectrometers using concentric optics" procediendo de SPIE, la Sociedad Internacional para la ingeniería óptica, espectrometría de imagen III, 1997, PIE US, Tomo 3118, 1997, paginas 339 - 347, XP002525333, se describe un espectrómetro reproductor que está dispuesto en una configuración Offner y presenta dos prismas entre los cuales hay colocado un espejo.

Por el documento US 5.781.290 se conoce un espectrómetro reproductor del tipo Offner concéntrico, en el que la habitual rejilla de dispersión está sustituida por uno o vahos prismas curvados. Los prismas curvados son conocidos como prismas Féry.

Es misión del invento el preparar un espectrómetro reproductor especialmente para la exploración a distancia el 5 cual une una forma constructiva compacta y ligera con una alta transmisión, una pequeña distorsión y una gran dispersión.

La misión será resuelta por un espectrómetro reproductor de acuerdo con la reivindicación 1 y por un espectrómetro, especialmente para la exploración a distancia de acuerdo con la reivindicación 9. Otros desarrollos del invento están expuestos en las reivindicaciones secundarias.

El invento tiene la ventaja de que similar al espejo aproximadamente concéntrico de una configuración Offner es posible una representación 1:1 sin tener las desventajas de una rejilla de difracción.

Es posible una clara reducción del espacio constructivo y del peso con respecto a espectrómetros de prismas con superficies de prismas planas, puesto que solamente son necesarios un espejo y dos prismas azogados.

Los errores en la reproducción como los de Smiles y Keystone se reducen claramente.

El aumento de la disociación espectral en comparación con los conocidos espectrómetros de prismas con superficies exteriores de prisma curvadas será posible por un aumento de las separaciones entre la rendija de entrada y el primer prisma y entre el segundo prisma y el detector así como por el doble paso a través de los prismas.

Otras características y oportunidades se desprenden de la descripción de los ejemplos constructivos sobre la base 20 de las figuras.

Las figuras muestran:

Fig-1

Fig. 2 Fig. 3 25 Fig. 4 Fig. 5 Fig. 6 Fig. 7 Fig. 8

una primera forma constructiva del espectrómetro reproductor.

una modificación de un detalle de la primera forma constructiva.

una segunda forma constructiva del primer espectrómetro reproductor.

un detalle de la figura 3.

una modificación del detalle de la figura 4.

una tercera forma constructiva del espectrómetro reproductor.

una cuarta forma constructiva del espectrómetro reproductor.

una disposición de telescopio y espectrómetro especialmente para la exploración a distancia.

Una primera forma constructiva del espectrómetro reproductor mostrada en la figura 1 comprende una rendija 10 que forma el plano objeto. Además comprende un primer prisma curvado 11 el cual presenta una superficie curvada 11a cóncava y una superficie curvada 11b convexa y el cual está situado con relación a la rendija 10 de tal manera que la superficie curvada 11a cóncava está orientada hacia la rendija 10. Además comprende un espejo 12 con una superficie exterior curvada 12a convexa que está situada de tal manera que la superficie exterior curvada 12a 35 convexa está orientada hacia la superficie 11a cóncava del primer prisma curvado 11. Además está previsto un segundo prisma curvado 13 con una superficie 13a cóncava y una superficie 13b convexa que está situado de tal manera respecto de la rendija 10 o del espejo que la superficie... [Seguir leyendo]

1. Espectrómetro reproductor para generar una imagen desdoblada espectralmente, con una rendija (10) para dejar pasar la luz emitida por un objeto, con un camino óptico para los rayos de luz que han atravesado la rendija en donde el camino óptico presenta consecutivamente:

un primer prisma (11, 22) para generar una disociación espectral de un rayo de luz que lo atraviesa, en donde la superficie exterior (11b, 22b) del primer prisma situada aguas abajo en el camino óptico está azogada de manera que los rayos de luz se reflejan en la superficie exterior azogada del primer prisma y atraviesan en un segundo paso el primer prisma con otra disociación espectral;

como minimo un espejo (12) con una superficie exterior (12a) curvada para reflejar un rayo de luz que regresa del primer prisma (11, 22), y

como mínimo un segundo prisma (13, 25) en el que se desvía la luz reflejada en el espejo (12) para generar otra disociación espectral de un rayo de luz, en donde la superficie exterior (13b, 25b) del segundo prisma situada aguas abajo en el camino óptico está azogada, de manera que los rayos de luz se reflejan en la superficie exterior azogada del segundo prisma y atraviesan en un segundo paso el segundo prisma con otra disociación espectral, hasta que quedan enfocados sobre una superficie Imagen (16) en la que forman una imagen descompuesta espectralmente de la rendija (10),

en donde cada prisma presenta dos superficies exteriores curvadas y el centro de la rendija (10), los puntos centrales de curvatura de las superficies reflectantes (12a, 11b, 13b) asi como el centro de la imagen de rendija (16) están situados esencialmente a lo largo de una línea.

2. Espectrómetro reproductor según la reivindicación 1, caracterizado por que como minimo uno de los prismas está construido como prisma doble (20, 23).

3. Espectrómetro reproductor según una de las reivindicaciones 1 a 2, en donde los prismas presentan superficies curvadas esféricas.

4. Espectrómetro reproductor según una de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el espejo (12) presenta igualmente superficies curvadas esféricas.

5. Espectrómetro reproductor según una de las reivindicaciones 1 a 4, en donde los puntos centrales de curvatura de las superficies reflectantes coinciden esencialmente según el arte de una configuración Offner.

6. Espectrómetro reproductor según una de las reivindicaciones 1 a 5, en donde están previstos n prismas (11, 13, 28) y n-1 espejos (12, 28) que se encuentran situados en el camino óptico entre aquellos, preferiblemente 3 prismas y dos espejos, en una configuración Offner.

7. Espectrómetro reproductor según una de las reivindicaciones 1 a 6, en donde están previstos dos prismas (11, 13) y un espejo (31) y dos dispositivos de reflexión (29, 30) construidos como elementos de dispersión en una configuración Offner.

8. Espectrómetro reproductor según una de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el dispositivo de reflexión (12, 28) tiene, visto en dirección radial de la curvatura, una distancia menor de la línea que el dispositivo de dispersión.

9. Espectrómetro, especialmente para la exploración a distancia, con un telescopio y un espectrómetro reproductor según una de las reivindicaciones 1 a 8.

10. Espectrómetro según la reivindicación 9, además con un detector matricial para el reconocimiento sensible al espectro, de la imagen.